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 > 8-8 正项级数的比值判别法
前面我们讨论了正项级数的
比较判敛法和比阶判敛法
实际上从判敛法的内容
比阶判敛法的一般形式也好
还是比阶形式也好
实际上非常直观
我们很容易接受
但是
在比较判敛法里面
是有一个问题的
也就是说
我们本来就是判断
一个正项级数的敛散性问题
但我们为了说明它的敛散性结论
我们必须要找一个正项级数
来与它做比较
也就是说
我们能不能用好比较判敛法
依赖于
我们能不能找到一个
比较合适的正项级数
与我们的级数做比较
也就要借助于外力
这当然在实用方面会受到一些影响
接下来
我们来介绍正项级数的
另外一个判敛法
这是在微积分课程里面
我们对正项级数判敛
实用最广的一种方法
这就是所谓的比值判敛法
比值判敛法
它的内容
我们写成一个定理
比值判敛法的内容是
我们设an是大于0的
而且an+1比上an在n
趋向无穷时的极限是等于c的
那么 第一个结果
就是 如果c小于1
那么以an为通项的级数
就是收敛的
如果c是大于1
或者是说c是正无穷大量
那么以an为通项的级数
是发散的
同时 我们还能知道
an这个数列是个正无穷大量
实际上 从比较判敛法的内容
我们可以看出
比较判敛法
也就是借用这是正项级数
本身的通向
也就是让它的
后一项与前一项做比值
我们来看看
这个比值在n趋向于无穷时
它的极限是否存在
如果在极限存在的时候
那么当极限值小于1时
我们的结论就是
正项级数是收敛的
如果极限值大于1时
我们的结论是级数一定发散
同时我们不仅知道它发散
而且知道它的通项
这个时候还是一个无限大量
当然通项是正无穷大量
要比这个级数发散是一个更强的结论
这是关于比值判敛法的内容
这个判敛法
应该是由法国数学家
达朗贝尔在1754年给出的
所以一般教材里面
对比值判敛法也称为达朗贝尔判敛法
达朗贝尔判敛法指的就是比值判敛法
现在 我们证明一下
这个判敛法为什么在这个条件下
能得到相应的敛散性结论
我们先证第一种情况
也就是条件是
后一项比前一项的比值
它的极限是等于c c是小于1的
那么 根据极限定义
我们知道 从某一项开始
也就是存在大N大于0
当n大于N时
我们就有
下面这个不等式成立
也就是an+1除上an
它应该是小于二分之1+c
这个应该是小于1的一个数
这是根据极限定义得出来的
这样子的时候
那么当n大于N时
我们就知道这个an+1
它就小于二分之1+c乘上an
它也就小于二分之1+c括起来的平方
这是an-1 an-1
这样可以一直到
就是说
小于 就是二分之1+c的
譬如说 这个地方到了大N
到了大N 或者是到了大N+1
这个应该就是n-N次方
因为
这个方次与这个下标加起来
应该是n+1
这样一做的时候 大家看一下
这个n就是小a的N+1项
它应该是个常数
而我们这个二分之1+c
是个大于0小于1的数
那么以这个做通项的级数
应该就是一个收敛的几何级数
收敛的几何级数时
那么根据正项级数的比较判敛法
我们就知道
以这个an+1做通项的级数就是收敛的
当然 也就是
以an为通项的级数是收敛的
所以说
这就是第一个的证明
我们用的是极限的性质
极限的性质
最后借用了
收敛的几何级数的特点
以及正项级数的比较判敛法的一般形式
接下来我们来看第二个结论的证明
第二个结论是这样子的
就是
我们因为在n趋近于无穷时
后一项与前一项比值极限存在
c是大于1的 大于1的
所以 我们知道
在n充分大时
这个比值应该是大于1
也就是存在一个N大于0
当小n大于大N时
我们就有an+1比上an
它应该是大于
譬如说 二分之1+c
这个实际是大于1的一个数
跟刚才的证明是类似的
这时候 如果我们的n大于N
我们就能推出
这个an+1它就大于二分之1+c
这是一个an
然后继续用这个关系
也就是二分之1+c它的平方
这面就是an-1
这样我们一直可以用到
就是二分之1+c
这个地方到了aN+1
这面就是n-N
在这里面
这个因子是个常数
而二分之1+c在c大于1的前提下
它应该是个大于0的数
那么 n趋向于无穷时
这个自然是一个正无穷大量
那它是正无穷大量
所以我们就推出了这个级数的通项
也就是n趋向于无穷
an+1当然是正无穷大量
它是正无穷大量
自然它就不满足级数收敛的必要条件
因为级数如果收敛时
它是通项应该是无穷小量
所以就进一步得到了
这个级数它是发散的
发散的
所以说
在这个比值判敛法里面
在c大于1的前提下
我们首先能够证明
它的通项是正无穷大量
从而我就得到了这个级数
是发散的这个结果
我想这是比值判敛法的证明
当然在这个地方
我们这个c大于1
刚才我们说极限存在大于1
实际上
即使这个比值的极限不存在
但它是正无穷大量的时候
大家想一想
正无穷大量我应该这样说
我更能证明它的通项是正无穷大量
自然也能得到它发散的结论
所以说这个c大于1
包括极限存在大于1
包括c就是正无穷大量
这是一个
另外在这个定理里面
大家当然会发现
说极限如果存在
除了小于1大于1之外
它当然可能等于1
实际上
这是我们比值判敛法一个很大的遗憾
就是说
如果后一项跟前一项的比值极限存在
但是恰好等于1的时候
我们的比值判敛法就无能为力了
譬如说 我们举个例子
如果我们考虑的是p级数
也就是n的p次方分之一做通项
那么 对这个级数来说
它的后一项
跟前一项的比也就是一个
n+1的p次方分之n的p次方
这个当然也就等于
n比上n+1括起来的p次方
我们知道
无论p等于什么
这个后一项与前一项的比值
在n趋向无穷时极限总是1
也就是说
对p级数来说
我们这个c总是等1的
但是我们知道
p大于1时p级数是收敛的
p小于等于1时p级数是发散的
也就是说当极限等1时
我们无法直接给出它的敛散性结论
如果在处理正弦级数判敛法时
用比值判敛法碰到这种情况
这个时候我们一定要想
用其他的方法去处理
好 接下来我们来看一个例题
这是一个正项级数
它的通项是分母n的n次方
分子是n的阶乘
那么 对这个正项级数
我们如果用比值判敛法
是不是应该这样说
因为对这个级数来说
它的后一项跟前一项之比
我们写一下 应该就是
n+1它的阶乘n+1的n+1次方
这是后一项 比上前一项
也就是乘上n的阶乘分之n的n次方
那根据阶乘定义
这个n的阶乘跟这个阶乘号
是可以消掉的
这个n-1跟下面这个n+1次方的1
是可以消掉的
所以说 这样
我们就把这个后一项
跟前一项的比值
给它表示成这个样子
也就是1除上
这实际上是1加n分之一的n次方
而这个表达式是我们熟悉的
它的极限应该是e分之一
当然极限是存在而且小于1的
所以我们就说
因为后一项与前一项的比值的
极限存在而且小于1
所以 我们的结论
就是这个级数是收敛的 收敛的
我想这是利用比值判敛法
来判断一个
具体级数收敛性的一般过程
当然 我们什么时候用比值判敛法
因为比值判敛法是牵扯到
通项里面的后一项与前一项的比值
所以 如果我们发现
正向级数的通项里面
牵扯到多个因子相乘相除
或者阶乘或者是乘方等等
这样的运算的时候
我们首先应该想到比值判敛法
因为有这种特点的表达式
如果我给它做除法的时候
它有可能就像这个例子一样
我把许多我不喜欢的项给它消掉了
剩下的当然是我们比较熟悉的项
我想这是我们选用
比值判敛法的一个基本的特点
接下来 我们再来看另外一个例题
另外一个例题我们就来求两个极限
第一个 n趋向无穷时
n的n次方除上n的阶乘
再乘上3的n次方
第二个极限 我们来求一求
n趋向于无穷时
然后n的n次方除上n的阶乘
再乘上2的n次方
这两个极限都是数列极限
实际上 它两个的差别
就是我把第一个数列中
分母上的3的n次方
变成了第二个数列中
分母上的2的n次方
也就是第一个数列它的通项
每一项要比第二个数列的通项要小一些
那我们看一下这个小一些
到底小多少 影响是多大
当然
我直接把它做一个数列极限来求的时候
大家知道
这里面的运算基本都是我们不喜欢的
阶乘运算 n的n次方
我用初等的方法是处理不了的
但现在大家看一下
我们下面这个解答过程是不是可以
也就是说 因为
我这个数列的后一项跟前一项之比
应该是n+1的n+1次方
除上n+1的阶乘 乘上3的n+1次方
这是后一项
跟前一项之比
也就是乘上n的n次方分之n的阶乘
再乘上3的n次方
我来考虑这个比值的极限
那在这个表达式里面
这个3的n次方跟这个n+1次方消掉
剩下一个3
而这个阶乘跟这个阶乘号消掉
剩下一个n+1
这个n+1跟这里的方次上的1消掉
所以大家看一下我们的结果
是不是写成了这个样子
也就是n趋向于无穷时
这个就牵扯到了分母上是个3
分母上是个3
分子上是个1加上n分之一的n次方
这是n+1的n次方
这里除上一个n的n次方
这个也就等于三分之e
当然是小于1的
这样我得到了后一项跟前一项
做比值极限存在小于1
我是不是就可以直接说
所以我们要求的这个极限
也就是n的n次方
除上n的阶乘乘上3的n次方
这个极限是不是应该等0
因为根据比值判敛法
我们知道在这个条件下
我们能够证明
以它为通项的正项级数是收敛的
而正项级数收敛的必要条件
自然是它的通项要趋向于0
这是这个 如果我们来求
第二个数列的极限的时候
大家看一下
我们只要把刚才这个解答过程里面的
3变成2就可以了
换句话说 对第二个数列来说
如果我们后一项比前一项
那么 它的极限应该是什么
它的极限应该是趋向于二分之一
这个是大于1的
那么在这个条件下我们知道
这个数列它应该是个正无穷大量
这就是我们比值判敛法里面
在第二个结论里面得到的结果
所以说
我们这两个数列的极限
就讨论清楚了
第一个数列的极限是0
第二个数列
它是一个正无穷大量
实际上 刚才我们说
不过就是把3变成了2
好像差了一点
但这一点好像差的有点过了
把无穷小量变成了无穷大量
实际上这两个例题
也就说清楚了
我们有了级数的有关结论之后
实际上 我们可以
利用级数的有关结论去处理
特殊的有关数列的极限问题
-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
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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
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--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
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--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