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7.1.1 无穷级数课程教案、知识点、字幕

同学们 大家好

欢迎来到大学先修课微积分课程

今天我们介绍第七章无穷级数

第一节无穷级数

我们都学习过

怎样将有限多个数相加

在这一讲中我们将探讨

怎样将无穷多个数相加

在数学中无穷项的和

我们叫做无穷级数

简称为级数

级数是微积分学的

一个重要组成部分

有些个数相加得到的

是一个确定的值

那么在什么样的情况下

一个级数可以求和

级数又有什么用处

这个问题也是

微积分发展历程中的重要问题

在这一章我们将试图

回答这些问题

学习有关级数的理论

和级数的简单应用

本章的内容包括

无穷级数的有关概念

正项级数的性质和判敛法

一般项级数的判敛法

和绝对收敛级数的性质

幂级数的概念 性质

以及幂级数的简单应用

本讲将首先介绍

无穷级数的基本概念

和收敛级数的性质

首先我们来介绍无穷级数的概念

在给出具体的定义之前

我们先看几个例子

在介绍数列极限时

我们曾经讲过

一尺之锤 日取其半 万世不竭

在这个例子中

我们把每天取下来的长度加起来

就会得到一个

无穷多个数的求和问题

也就是2分之1

加4分之1加8分之1

一直加到2的n次方分之1

继续加下去

在这个问题中

我们虽然牵扯到了

无穷多个数的求和问题

但我们知道这无穷多个数

加起来的结果

应该就是整个的长度1

下面我们看第二个例子

我们看一个无限循环小数的例子

我们知道三分之一

我们可以写成0.333一直循环下去

而关于这个无限循环小数

我们也可以表示成

是0.3加上0.03

再加上0.003这样一直加下去

也就是说在这个问题中

我们也可以用

一个无穷多个数求和的问题

来表示这个3分之1

所以这又是一个无穷多个数求和

最后得到一个确定值的例子

当然在我们处理无穷多项

求和时并不是任意多个数加起来

它总是对应一个有限的数

比如我们第三个例题

我们讲无穷多个1加起来

我们知道它的结果会越来越大

而且它不可能等于

任何一个确定的值

实际上我们要介绍的级数

处理的就是关于

无穷多个数的求和问题

下面我们给出级数的概念

定义1

我们假设an是一个数列

我们称a1加a2一直加下去

这个形式和

作为无穷数项级数

无穷数项级数

也简称为无穷级数

或者简称为级数

我们为了表示简单

将数项级数就记作

an关于n从1到无穷求和

在这个定义中

an我们就称为是级数的通项

我们令s1等a1

s2等a1加a2

sn等于a1一直加到an

那么sn我们就称作是

级数的部分和

关于级数的定义

我们需要说明的是

是不是所有的形式和

都能对应着一个确定的值

在形式和的运算中

我们有限的数

加法匀速的有关运算律

是否还是成立的

我们看下面的一个例子

我们记s等于1减1加1

这样一直加到

负1的n减1次方

这就是无穷多个数

求和的问题

也是一个无穷级数的问题

如果我们假设

s是一个确定的值

而且我们还假设

无穷多个数求和

仍然满足有限的数

求和的加法的运算律

我们就会得到s就可以写成是

1减掉括号里面1减1加1

这样一直加下去

也就是说我们会得到

s就等于1减s

这样s就应该等2分之1

同样我们利用结合率

还可以得到s就等于

括号里面1减1

再加上括号里面1减1

这样一直加下去

显然 在这种情况下

我们可以得到s应该就等于0

另外我们仍然使用几何率

还可以得到s就等于1加

括号里面负1加1

再加上括号里面负1加1

一直这样加下去

在这种情况下

我们就会得到s应该等于1

这三种情况瞬间就告诉我们

我们假设s是一个值

这种假设是不成立的

另外 这三种情况

也告诉我们

在对无穷多个数求和时

我们利用了有限的数

求和的结合率

应该是有问题的

这说明无穷多个数的求和问题

与有限的数的求和问题

是有着本质的区别的

这也就是我们

为什么要专门的

研究无穷级数的问题

下面我们来介绍一下

无穷级数的收敛性

和无穷级数和的概念

定义2

我们假设Sn是以an为通项的

无穷级数的部分和数列

如果它的部分和数列是收敛的

也就是Sn的极限是存在的

我们将它的极限值记做s

我们就称以n为通项的

级数是收敛的

s就成为这个级数的和

也就是说这个时候

这无穷多项求和

就对应着一个确定的值

我们记作以an为通项的

级数的和

等于S

如果它的部分和数列是发散的

也就是Sn的极限是不存在的

这个时候我们就说

以an为通项的级数

是发散的

有了级数收敛的概念之后

我们来看几道具体的例题

例一 首项为a

公比为r的几何级数

也就是a加上a乘r

再加上a乘r平方

这样一直加下去

它的通项就是a乘上r的n次方

我们来判断几何级数的收敛性

我们知道这个几何级数

它的部分和Sn就等于

首项a乘上1减公比的n次方

再除上1减公比

我们知道当公比的绝对值小于1

也就是r大于负1小于1时

r的n次方是趋向于0的

这个时候Sn是有极限的

也就是级数是收敛的

而且这个几何级数的和

就等于Sn的极限

也就等于首项n除上1减公比

在公比的绝对值大于等于1时

我们可以证明

这个几何级数是发散的

下面看第二道例题

我们计算2分之1

加4分之1加8分之1

这个无穷级数的和

这个无穷级数它的通项

就是2的n次方分之1

这是一个首项是2分之1

公比也等于2分之1的几何级数

根据几何级数收敛的结论

以及几何级数和的计算公式

我们知道这个几何级数的和

就等于首项2分之1

除上1减公比

也就是除上1减2分之1

所以这个级数的和

就等于1

第三个例题

我们将循环小数0.234234234

化成分数

我们知道这个循环小数

我们可以表示成

0.234乘上括号里面

1加上0.001

再加上0.001的平方

这样一直加下去

括号里面这个无穷多个数的和

正好是一个首项为1

公比是0.001的几何级数

所以它的和

就等于首项除上1减公比

也就等于1除上1减0.001

也就等于1除上0.999

所以我们的循环小数

也就等于0.234

再乘上1除上0.999

最后我们化简的结果

它就等于26除上111

第四个例题

我们假设an就等于

n乘n加1分之1

我们证明以an为通项的

级数是收敛的

并求这个级数的和

根据an的形式

我们可以将an

表示成两项之差

也就是an等于n分之1

减去n加1分之1

所以我们这个级数前n项的和

就写成了1减2分之1

加上2分之1减3分之1

一直加到n分之1

减去n加1分之1

也就等于1减去n加1分之1

所以我们就得到了

Sn的极限等于1

这说明这个级数是收敛的

而且这个级数的和

就等于Sn的极限 等于1

第五道例题

我们证明下面

这个级数是发散的

这个级数的通项

是1加n分之1的自然对数

我们根据对数的运算性质

我们可以将

1加n分之1的自然对数

写成是n加1的自然对数

减去n的自然对数

这样我们就得到了

这个级数前n项的和

也就等于n加1的自然对数

我们知道n趋向无穷时

Sn是一个正无穷大量

所以它的极限是不存在的

这就说明这个级数是发散的

关于我们刚介绍过的

例4和例5

它的通项实际

是有一个共同的特点

也就是an可以写成是

fn减去fn加1

或者是an可以写成

是fn加1减去fn

这样我们就可以得到

这个级数的前n项和

就等于f1减去fn加1

或者是Sn就等于

fn加1减去f1

这样我们就知道

这个级数收敛

与fn加1的极限

存在是等价的

下面我们来介绍

收敛级数的常用性质

首先我们来介绍一下

收敛级数的必要条件

定理1

如果以an为通项的级数收敛

那么an它的极限就等于0

也就是说收敛级数的通项

一定是无穷小量

下面我们根据收敛的概念

给出这个定理的证明

因为这个级数是收敛的

所以它的前n项的和极限

应该就是它的和S

他的前n减1项的和的极限

也等于这个级数的和S

又因为an是等于Sn减去Sn减1的

所以我们根据极限的减法运算

就知道an的极限就等于Sn极限

减去Sn减1的极限

也就等于s减s

所以是等于0的

这样我们就证明了

收敛级数的必要条件是

它的通项是无穷小量

这个定理给出了

级数收敛的一个必要条件

那么它的逆反命题

给出的就是级数发散的

一个充分条件

我们写成这个定理的推论形式

推论 如果an的极限不存在

或者an的极限不等于0

那么 以an为通项的级数

一定是发散的

下面我们看具体的题目

例6

我们判断下面这个级数是否收敛

这个级数的通项是n除上3n减1

我们知道n除上3n减1

在n趋向无穷时的极限

是等于3分之1的

这个极限是不等0的

所以这个级数是发散的

下面我们来介绍收敛级数的

线性运算性质

定理2

如果以an和bn为通项的级数

都是收敛的

c是任意常数

那么以c乘上an

和an加bn为通项的级数

也都是收敛的

而且以c乘上an为通项级数的和

就等于c乘上

以an为通项的级数和

以an加上bn为通项的级数的和

就等于以an为通项的级数的和

再加上以bn为通项的级数的和

下面我们就利用

级数收敛的概念

和级数和的定义

给出这个定理的证明

我们知道以c

乘上an为通项级数的

前N项和

也就等于c乘上an为通项级数的

前N项和

同样的 an加bn为通项的

级数的前N项和

就可以写成是an为通项级数的

前N项和

再加上bn为通项级数的前N项和

在给定的条件下

我们知道an为通项级数的前N项和

和bn为通项级数的前N项和

在N趋向无穷时极限都是存在的

那么我们利用数列的极限的

线性运算性质

我们就知道在N趋向无穷时

我们上述等式左端的数列

它的极限都是存在的

而且它的极限值

就等于c乘上an为通项级数

前N项和在n趋向正无穷时的极限

an加bn前N项和

在N趋向无穷时的极限

也就等于an和bn为通项级数

前N项和它的极限之和

这就说明

我们考虑的级数

都是收敛的

而且这两个新级数的和

以原来an和bn和的极限

有相应的等式关系

这就是收敛级数的

线性运算性质

第一个等式

我们一般就称作

是收敛级数的数乘运算性质

数乘运算性质

在形式上就是将有限个数求和

和乘法的分配率

可以推广到无穷多个

数的求和问题来

也就是说

收敛的级数它是仍然满足加法

和乘法的分配律的

我们看一道具体的题目

例7

我们证明下面这个级数是收敛的

并求这个级数的和

我们知道这个级数的通项

可以看作是两部分之和

以第一部分作通项构成的级数

和以第二部分作通项构成的级数

是两个公比

绝对值小于1的几何级数

所以这两个级数都是收敛的

而且根据几何级数的求和公式

第一个几何级数的和

应该等于它的首项负4分之1

再除上1减公比

也就是1减去负的4分之1

它的和就等于负的5分之1

第二个几何级数

它的和就等于首项2分之1

再除上1减公比

也就是1减2分之1

他的和应该等于1

所以根据收敛级数的

线性运算性质

我们就知道

我们要考虑的级数

是收敛的

而且这个级数的和

就等于上面两个几何级数的和

求和

也就等于负5分之1

加上1

最后的结果是等于5分之4

下面我们来介绍

级数收敛性的第三个性质

也就是有限项的值

不影响级数它的敛散性

定理3

我们增加 去掉或者是改变

级数的有限项的值

不会改变这个级数的敛散性

下面我们给出定理3的证明

我们假设

以an和bn为通项的级数

只有有限项的值不同

也就是说存在一个N

只要n大于N

那么an就等于bn

我们用Sn表示

第一个级数的部分和

用S1杠n表示

第二个级数的部分和

在给定条件下

我们知道只要n大于N

那么Sn减去S1杠n

它就等于ak减bk

对k从1到N求和

这个相对于n来说

就是一个常数

我们将这个常数记作为c

在这个条件下我们就知道

Sn与S1杠n它的极限

要么同时存在

要么同时不存在

这就说明了

以an和bn为通项的级数

它的敛散性是一致的

下面我们介绍

收敛级数的重组性质

定理4

如果以an为通项的

级数是收敛的

那么在这个级数中

我们任意添加括号后

得到的新级数仍然是收敛的

而且新技术的和

与原来级数的和是相等的

这就是所谓

收敛级数的重组性质

在一个级数中

任意添加括号后

得到的新级数

我们一般的就把它

称作是原来级数的一个重组

下面我们来证明定理4的结论

我们假设添加括号后的级数

是第一项为a1一直加到an1

第二项是an1加1一直加到an2

第K项也就是ank减1再加1

一直加到ank

每一个括号表示的是

一个重组之后

它的每一项

我们将重组后的级数的第K项

用bk来表示

那么我们来看

这个新级数的前m项之和

也就是对bk

从k等于1到m求和

根据它的重组法则

我们知道它也就等于an

关于n从1到nm求和

也就等于Snm

其中Snm表示的是原来数列

前nm项之和

这个等式说明

我们新级数的部分和数列

就是原来级数部分

和数列的一个子列

根据数列极限

和子列极限的关系

在给定条件下

我们知道原来数列部分和

他的极限是存在的

所以他的子列的极限

也就是S1杠m的极限

也是存在的

而且子列的极限值

就与原来数列的极限值是相等的

这也就是说

我们重组之后的级数是收敛的

而且重组之后的级数的和

与原来级数和是相等的

这个结论说明

收敛的级数它是有结合率的

也就是说如果级数收敛

我们可以直接

将有限个的数加法后的几何率

推广到无穷多个数

求和的问题中来

下面我们看一道具体的题目

例8

我们证明调和级数

也就是通项为n分之1的级数

它是发散的

我们考虑调和级数的一个重组

重组之后的第一项

就是1加2分之1

第二项是3分之1加4分之1

他的第m加1项

也就是2的m次方加1分之1

一直加到2的m加1次方分之1

这就是调和级数的一个重组级数

在这个重组级数中

每一项都是大于2分之1的

所以它的前m加1项

也就是原来级数的

前2的m加1次方项

它就大于2分之m加1

这样我们就知道

重组之后这个级数

它的部分和数列

是一个无穷大量

所以重组之后的级数是发散的

重组之后的级数发散

也就说明原来的级数

一定是发散的

这样就证明了

调和级数是一个发散级数

本讲介绍了无穷级数的概念

给出了级数收敛的定义

我们知道无穷级数

仅仅是一个形式和

只有有了极限工具后

我们才能确切的说明

级数是否等于一个确定值

级数收敛的必要条件说明

只有通项极限是零的无穷级数

才可能收敛

收敛级数的线性运算性质

与重组性质则说明

当级数收敛时

无穷级数也满足加法运算的

分配律与结合率

由于级数收敛是利用部分和数列

是否有极限定义的

我们知道极限只关心

当n充分大之后的情况

所以级数是否收敛

与他的有限项无关

下一讲将介绍正项级数的概念

正项级数的比较判敛法

与积分判敛法

谢谢同学们

下一讲 再见

微积分(先修课)课程列表:

第零章 绪论

-0.1 绪论

--0.1.1 绪论

第一章 极限

-1.1 极限概念引例

--1.1.1 极限问题举例

--第1.1节测试 极限概念引例

-1.2 极限的概念

--1.2.1 极限的概念(1)

--1.2.2 极限的概念(2)

--1.2.3 极限的概念(3)

--1.2.4 极限的概念(4)

--1.2.5 极限的概念(5)

--第1.2节测试 极限的概念

-1.3 极限的性质

--1.3.1 极限的性质(1)

--1.3.2 极限的性质(2)

--第1.3节测试 极限的性质

-1.4 极限的运算

--1.4.1 极限的运算

--第1.4节测试 极限的运算

-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理

--1.5.1 夹逼定理与单调有界收敛定理(1)

--1.5.2 夹逼定理与单调有界收敛定理(2)

--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理

--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理

-1.6 两个重要的极限

--1.6.1 两个重要的极限(1)

--1.6.2 两个重要的极限(2)

--第1.6节测试 两个重要的极限

-1.7 无穷小量

--1.7.1 无穷小量(1)

--1.7.2 无穷小量(2)

--第1.7节测试 无穷小量

第二章 连续函数

-2.1 连续函数的概念

--2.1.1 函数在一点连续的概念

--2.1.2 在一点的单侧连续性

--2.1.3 间断点的分类

--第2.1节测试 连续函数的概念

-2.2. 初等函数的连续性结论

--2.1.1 连续函数的运算性质

--第2.2节测试 初等函数的连续性结论

-2.3 连续函数的性质

--2.3.1 局部性质和零点存在定理

--2.3.2 闭区间上连续函数的性质

--第2.3节测试 连续函数的性质

第三章 导数与微分

-3.1 导数与导函数

--3.1.1 导数与导函数(1)

--3.1.2 导数与导函数(2)

--第3.1节测试 导数与导函数

-3.2 微分

--3.2.1 微分

--第3.2节测试 微分

-3.3 导数的运算

--3.3.1 导数的四则运算

--3.3.2 复合函数的链导法则

--3.3.3 反函数求导法

--第3.3节测试 导数的运算

-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法

--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法

--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法

-3.5 高阶导数

--3.5.1 高阶导数

--第3.5节测试 高阶导数

第四章 微分中值定理和导数的应用

-4.1 极值和极值点

--4.1.1 极值和极值点

--第4.1节测试 极值和极值点

-4.2 微分中值定理

--4.2.1 微分中值定理(1)

--4.2.2 微分中值定理(2)

--第4.2节测试 微分中值定理

-4.3 洛必达法则

--4.3.1 洛必达法则(1)

--4.3.2 洛必达法则(2)

--第4.3节测试(1) 洛必达法则

--第4.3节测试(2) 洛必达法则

-4.4 函数单调性的判定

--4.4.1 函数单调性的判定

--第4.4节测试 函数单调性的判断

-4.5 函数的极值及其求法

--4.5.1 函数的极值及其求法

--第4.5节测试 函数的极值及其求法

-4.6 函数的最值及其应用

--4.6.1 函数的最值及其应用

--第4.6节测试 函数的最值及其应用

-4.7 曲线的凸性和拐点

--4.7.1 函数的凸性和拐点(1)

--4.7.2 函数的凸性和拐点(2)

--第4.7节测试 函数的凸性和拐点

-4.8 曲线的渐近线

--4.8.1 曲线渐近线

--第4.8节测试 曲线的渐近线

-4.9 泰勒(Taylor)公式

--4.9.1 泰勒(Taylor)公式(1)

--4.9.2 泰勒(Taylor)公式(2)

--4.9.3 泰勒(Taylor)公式(3)

--第4.9节测试 泰勒公式

-4.10 原函数与微分方程初步

--4.10.1原函数与微分方程初步(1)

--4.10.2 原函数与微分方程初步(2)

--第4.10节测试 原函数与微分方程初步

第五章 定积分

-5.1 定积分问题举例

--5.1.1 定积分问题举例

-5.2 定积分的概念

--5.2.1 定积分的概念(1)

--5.2.2 定积分的概念(2)

--第5.2节测试 定积分的概念

-5.3 定积分的基本性质

--5.3.1 定积分的性质(1)

--5.3.2 定积分的性质(2)

--第5.3节测试 定积分的性质

-5.4 微积分基本定理

--5.4.1 微积分基本定理(1)

--5.4.2 微积分基本定理(2)

--第5.4节测试 微积分基本定理

-5.5 定积分的几何应用

--5.5.1 定积分的几何应用(1)

--5.5.2 定积分的几何应用(2)

--第5.5节测试 定积分的几何应用

-5.6 定积分的物理应用

--5.6.1 定积分的物理应用

第六章 积分法与反常积分

-6.1 换元积分法

--6.1.1 换元积分法(1)

--6.1.2 换元积分法(2)

--6.1.3 换元积分法(3)

--第6.1节测试 换元积分法

-6.2 分部积分法

--6.2.1 分部积分法(1)

--6.2.2 分部积分法(2)

--第6.2节测试 分部积分法

-6.3 有理函数的积分法

--6.3.1 有理函数的积分法(1)

--6.3.2 有理函数的积分法(2)

--第6.3节测试 有理函数的积分法

-6.4 定积分应用举例

--6.4.1 定积分应用举例

--第6.4节测试 定积分应用举例

-6.5 反常积分

--6.5.1 反常积分(1)

--6.5.2 反常积分(2)

--6.5.3 反常积分(3)

--6.5.4 反常积分(4)

--第6.5节测试 反常积分

第七章 无穷级数

-7.1 无穷级数

--7.1.1 无穷级数

--第7.1节测试 无穷级数

-7.2 正项级数

--7.2.1 正项级数

-7.3 比值判敛法和根式判敛法

--7.3.1 比值判敛法和根式判敛法

--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法

-7.4 一般项级数

--7.4.1 一般项级数(1)

--7.4.2 一般项级数(2)

--第7.4节测试 一般项级数

-7.5 幂级数

--7.5.1 幂级数

-7.6 函数的幂级数

--7.6.1 函数的幂级数

--第7.6节测试 函数的幂级数

-7.7 泰勒级数

--7.7.1 泰勒级数

--第7.7节测试 泰勒级数

-7.8 幂级数的简单应用

--7.8.1 幂级数的简单应用

第八章 常微分方程

-8.1 一阶可求解常微分方程

--8.1.1 一阶可求解常微分方程

--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程

-8.2 一阶线性微分方程

-- 8.2.1 一阶线性微分方程(1)

--8.2.2 一阶线性微分方程(2)

--第8.2节测试 一阶线性微分方程

-8.3 二阶线性常系数微分方程

--8.3.1 二阶线性常系数微分方程(1)

--8.3.2 二阶线性常系数微分方程(2)

--8.3.3 二阶线性常系数微分方程(3)

--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程

-8.4 常系数微分方程简单应用举例

--8.4.1 常系数微分方程简单应用举例(1)

--8.4.2 常系数微分方程简单应用举例(2)

期末考试

-期末考试

--期末考试说明

-期末考试--期末考试

7.1.1 无穷级数笔记与讨论

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