当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第八章 级数 > 第一节 数项级数的概念与性质 > 8-3 级数收敛的性质
前面我们给出了级数收敛的概念
接下来 我们在这一节里面介绍一下
收敛级数的有关性质
我们说的第一个性质
我们第一个性质
我们就叫收敛级数的必要条件
也就是说如果级数是收敛的
那么他通项的极限一定等0
这个性质说明
就是说如果级数是收敛的
那么他的通项这个数列
一定是无穷小量
这实际上就是级数收敛的必要条件
也就是说我们见到一个级数
如果它的通项这个数列
极限不等于0
那么他一定是发散的
这个性质的证明
只用到了级数收敛的定义
也就是说
我们记Sn是等于
k从1到n对ak求和
那么我们
就会知道它的通项an
就等于Sn-Sn-1
因为级数是收敛的
也就是因为
我们这个数列前n项和的极限
是存在的 存在的
所以我们这个通项数列他的极限
根据极限的加法运算
他就等于Sn的极限
减掉Sn-1的极限
但是对一个数列来说我们知道
Sn的极限跟Sn-1的极限
当然是相等的
所以这个就等0
这是我们介绍的
收敛级数的第一个性质
也就是收敛级数的必要条件
接下来我们来看第二个性质
第二个性质是这样说的
我们叫收敛级数的数乘运算
或者是也叫乘法与加法的的分配律
说的是如果级数收敛
那么对于任意常数c来说
c乘上这个级数的通项
得到的新的级数也是收敛的
而且新级数的和
就等于原来级数的和乘上c
级数的第二个性质
我们叫做级数的数乘运算
他也就是说
如果an做通项的级数收敛
那么我an乘上一个实数c之后
作为通项
构成的新的级数
也是收敛的
而且这个新级数的和
应该就是原来级数和的c倍
如果从运算的角度
大家看一下
这个就相当于是
我们有限个数加法
和乘法的分配律
也就是说
我如果先加起来
乘上一个数
跟把这个数
乘到每一个数之上之后
在加起来
他应该是相等的
也就是对收敛级数来说
我们可以把有限个数的
加法和乘法的分配律
这个运算律
直接推广到
无穷多个数加法和乘法上去
那这个性质的证明
当然只用到了收敛的定义
和数列极限的性质
也就是说
我如果把这个Sn
记成是一个k从1到n
cak求和的时候
那我就知道
这一个 这是有限个和
当然c可以提出来
也就是k从1到n ak
那我们的条件是说
原来这个级数收敛
也就是这个数列的极限存在
这个数列的极限存在
乘上一个常数c之后
极限自然是存在的
那就是说
这个Sn的极限存在
Sn的极限存在
就是说c乘上an作为通项
构成的级数是收敛的
而且从极限运算来说
这个Sn的极限就是
这个括号里面数列的极限乘上c
而这个结论成立
就是我们这两个数列的和
有这一个关系
所以 第二个性质
收敛级数的数乘运算
应该直接用级数的收敛性定义
和数列极限的有关性质
就会得到
第三个性质
我们称是收敛级数的加法运算
也就是说如果
以an和bn为通项的级数
都是收敛的
那么我以an+bn做通项的级数
也是收敛的
而且新级数的和
就等于原来两个级数和的和
收敛级数加法性质
也就是说
如果我原来两个级数都是收敛的
我利用它们通项求 通项求和
得到一个新的级数
那么新的级数也是收敛的
而且新级数的和
就是原来两个级数和求和
这个性质的证明也是只用了
级数的收敛性的定义
和数列极限的性质
因为如果我记
Sn就等于k从1到n ak+bk
也就是这个新级数的前n项和的时候
因为这是有限个数求和
他当然有交换律结合律
我们利用交换律结合律
这个自然就可以写成
k从1到n 对ak求和
再加上一个
k从1到n 对bk求和
我们的条件是说
这两个数列极限存在
那么根据数列极限的加法运算
我们知道
他俩相加得到的数列
得到的数列极限自然是存在的
这就说明Sn的极限存在
也就说明了
这个新的级数是收敛的
而且根据数列极限的加法运算
这个Sn的极限值
就应该等于
这一个的极限值
加上这个极限值
而他的极限值
就是新级数的和
这两个数列的极限值
就分别是我an和bn
做通项的这两个级数的和
所以说这个性质
他的证明也是简单的
但是请大家注意
这个性质
他的反面是不对的
所谓反面是说
如果两个级数
我把他的通项加起来
得到一个新的级数
这个新级数收敛时
我推不出原来两个级数的敛散性
比如说这个例子
也就是n从1到无穷
我们做一下
这是-1的n次方
这个地方再加上一个
-1的n-1次方
这是 这两个项加起来
大家知道
这两项加起来
永远是等0的
因为他一正一负
所以说这个作为通项
构成的级数
他当然是收敛的
因为他的前n项和也等0
他的极限自然等0
但是 如果大家说
我原来这两个级数
应该是通项分别为
(-1)^(n)和通项为(-1)^(n-1)
的这两个级数
这两个级数当然是发散的
因为他的通项不是无穷小量
他不符合我们刚得到的
收敛级数应该满足的必要条件
所以说这个在做运算时
请大家要注意一下
我们看一下
收敛级数的第四个性质
我们是说
改变一个级数
任意有限项的值
不改变这个级数的收敛性
也就是一个级数的敛散性
与他任意有限项的值是无关的
级数的第四个性质
我们也称为是说
级数的敛散性
与他任意有限项的值是无关的
那就是这一个
主要是因为
我们谈级数的收敛性
是指的他
前n项和的极限的情况
而前n项和的极限的情况
就是说
如果你只改变了有限项
尽管他前n项和的值的大小
是发生了变化
但这个变化是只差一个常数的
我们为了说明这个性质
我们可以这样来证明这个结论
也就是说
我假设我有两个级数
一个是通项是an
还有一个级数通项是bn
这两个级数
只有有限项的值不一样
那我来证明
这两个级数的敛散性是一致的
所谓敛散性一致
也就是说
要么他俩同时收敛
要么他俩同时发散
那我们 看一下
因为这两个级数
只有有限项的值不一样
所以我不妨假设
我有一个正整数N
只要n>N那么
我的an就等于bn
这样的时候
我就知道
如果我的n是>N的时候
那么我的Sn我定义成
是k从1到n对ak求和
我的Sn一杠
定义成是k从1到n
对bk求和
那么这两个数一减
Sn减掉Sn一杠
就应该等于
k从1到N
然后ak-bk
因为从N+1开始
an和bn就相等了
所以那个时候他就减掉了
这应该就是一个与n无关的常数c
好了 两个数列只差一个常数的时候
我们自然的知道
这个数列收敛时
这个数列也一定收敛
反过来是一样的
如果这个数列他是发散时
这个数列自然是发散的
这样就证明了对级数来说
我们随便改变他有限项的值
并不改变他的敛散性结论
改变的只是他的和的大小
在收敛的前提下
这是这个性质
接下来我们来看
第五个性质
我们收敛级数的第五个性质
也称为是收敛级数的重组
或者是加法运算的的结合律
说的是如果级数他是收敛的
则在级数中任意添加括号后
得到的新级数仍收敛
而且他的和是不变的
级数的第五个性质
我们也叫收敛级数的重组性质
实际上也就是说
如果一个级数收敛的时候
我们可以对他
所有的项随便的加括号
那就是所谓的重组
加括号之后
相当于我们对这个加法运算
就有一个先后次序
当然是先算括号里面的和
算完了之后
再把不同的括号加起来
尽管我们级数是一个无穷和
但只要这个级数是收敛的时候
这个结论还是对的
那我们也对这个性质
给出一个简短的证明
这个证明是这个样子的
我们假设我们的级数就是
a1+a2+一直加 加到an
通项是an
现在我们的前提是
这个级数是收敛的
我们不妨设
我们对他加完括号之后
形成的级数是这样子的
也就是说
a1+一直加到an1
前n1项我先给他做求和
做完之后
我就做an1+1
一直加 一直加到an2
就是说
我从这一项到这一项
我先给他求和
这样我一直加下去
比如说我加到这个地方
就是anm+1一直加到
一个anm+1 在下标上
这样一加下去
这当然就是说
我随便加括号
实际上 加括号
就是先算括号里边的东西
所以说对加完括号里面的这个级数来说
实际我们就得到了一个新的运算
这新的运算
我就记我的bm
就等于 实际上
就是anm+1
一直加到anm+1
也就是说
我第一个括号作为b1
第二个括号作为b2
当然第m个括号
就是bm
这样出来之后
我们主要就是看
这个级数就是
m从1到无穷
bm这个级数
他是不是还是收敛的
如果他收敛的时候
他的和
与原来这个收敛级数的和
是不是相等
那当然
根据级数收敛的概念
我们就求他的前m项之和
前m项之和
大家就 给他加起来
这就是k从1到m bk
实际上就是前面m个括号加起来
前面m个括号加起来
大家会发现
是从a1一直加到anm+1
所以这一个
应该就等于
前面我们这个
k从1到nm+1 对ak求和
这个相当于是我们原来这个级数
他的前nm+1项
这个求和
这样一写的时候
那么这个新级数的部分和
与原来这个收敛级数部分和的关系是什么
实际上就是说
这个新级数的部分和
是原来我这个收敛级数部分和的一个子列
我们介绍数列极限时曾经介绍过
那么数列收敛的时候
他的任何一个子列
也都是收敛的
而且子列的极限
与数列的极限是相等的
现在我们根据数列极限的这个结论
我们就知道了
对他加完括号之后
这个级数也是收敛的
而且他的和
与原来这个收敛级数的和是相等的
所以说我们就证明了
对收敛级数的项
可以随便的加括号
实际上这个从运算的角度来说
加括号就是结合律
也就是说对收敛级数来说
我们把有限个数做加法的结合律
这个运算律
直接推广到了
无穷多个数求和的运算上
最后我们看一个例子
这个例子就是看一下
我们前面讨论过的
比如说我们曾经证明过
调和级数是发散的
现在我们用级数的第五个性质
再来证明一下这个结论
说什么叫用第五个性质
来证明这个结论
因为第五个性质说
原来的级数收敛的时候
你可以随便加括号
得到的级数还是收敛的
现在我反过来把这个结论
如果我加完括号之后的级数
是收敛的时候
我当然不能说明
原来的级数是收敛还是发散
但是如果我加完括号之后
这个级数是发散的
这肯定就说明
原来的的级数一定是不会收敛的
现在我们看一下
对调和级数来说
我们怎么来做这个问题
写到这 调和级数
也就是1+1/2+1/3+1/4
这样一直加下去
现在我们给一个加括号的方式
这个加括号
也就是说1+1/2
我不管他
1/3和1/4 我组合在一起
这是一个加括号
后面我的1/5
一直加 加到1/8
组合在一起
我一般的 应该是这样
也就是
我的2^m+1分之一
一直加 加到2^m
再加上2^m
也就是2^m+1次方分之一
这个是做括号
这样这就是一个组合
这个组合完了之后
请大家看一下
这个括号1/3当然是大于1/4的
两项要加起来
这个括号是大于1/2的
1/5 1/6 1/7都是大于1/8的
那么我都给他缩小到1/8
四个1/8加起来自然等于1/2
这样就说明
这个括号是大于1/2
类似的 一般情况下
我把每一项的分母都变到最大
就把这个数变小了
这里面一共有2的m次方项
他的分母是2的m+1次方
所以说这样
每一个括号我就证明了
他都大于1/2
都大于1/2的时候
所以说这个新级数
他的这些项的和
他就大于1+1/2
后面应该是有m个括号
所以说有m个1/2加起来
这样这个值就等于1+(m+1)/2
那大家知道
你的括号越来越大时
这个和他是正无穷大量
当然就说明加完括号之后
他就不收敛了
因为加完括号之后不收敛
当然加括号之前的级数
自然也就是发散的
实际上这是关于调和级数
一个比较早的结果
这个证明大概迄今已经有
700多年的历史了
这是在级数这一部分
一个很著名的处理的方法
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
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--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习