当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第八章 级数 > 第二节 正项级数的收敛判别法 > 正项级数的积分判别法
好 我们在介绍正项级数的
比值判敛法和根式判敛法时
我们说过 比值判敛法
和根式判敛法它只是能够判断
和几何级数做比较的
这样的正向级数的敛散性
而与p级数有关的
这样的正项级数的敛散性
在比值和根式判敛法里面
我们是没有任何结论的
现在我们为了解决这个问题
给出另外一个判敛法
这就是正向级数的积分判敛法
积分判敛法的内容
我们写成一个定理
我们假设 以an为通项的级数
是一个正向级数
而函数f(x)在1到正无穷
这个半无穷区间上是非负单减的
函数f(x)在n这点的函数值
正好等于级数它第n项的值an
我们的结论是
以an为通项的级数
与以f(x)作为被积函数
在1到正无穷区间上
这个无穷积分的敛散性
它是一致的
积分判敛法的内容
也就是说明 对于正项级数来说
如果我们能够找到一个
非负单减的这样的函数
使得这个函数在n那点的函数值
与an的值正好相等 那么
我们判断这个正项级数的敛散性
就可以转化成
判断这个无穷积分的敛散性
这样的问题 因为积分判敛法说
在给定的条件下
这个无穷级数和这个无穷积分
它的敛散性是一样的
所以我们把级数的判敛法问题
转化成积分的判敛法问题
有没有可能把这个问题给复杂化
实际上不是的
因为对无穷积分来说
我们能够做的运算
比我们求无穷和能够用的运算
要多得多
因为在微积分课程里面
关于积分我们讨论了很多
而且积分运算我们知道
有所谓的牛顿莱布尼兹公式
对无穷积分
我们也有一系列的判敛方法
所以说 把无穷级数的判敛问题
转化成无穷积分的判敛问题
实际上就多了一个解决
正项级数敛散性判断的一个方法
接下来我们看这个定理怎么证明
实际上我们看一下
这个函数是单调递减非负
而且在n这点的值等于an
那么 我们就知道
这个an+1就等于f(n+1)
那么 f(n+1)我们就可以
写成n到n+1对f(n+1)做积分
因为它是单调递减的 所以说
它在这个积分区间右端点的值
自然是小于等于这个函数
在这个积分区间上的值
所以说这个就应该小于等于
n到n+1然后f(x)dx
这是我们得到了这一个an+1
与这个函数的积分的关系
当然类似的
因为它是单调递减的
它在这个区间上的值
自然就应该小于等于
它在这个区间左端点的值
我们同样可以得到
这一个是小于等于an的
那么我们两边来看一下求和
也就是n从1到我们对k从1到n求和
这个地方是ak+1
它就应该小于等于
这个地方应该就是1到n+1 f(x)
用了积分的区间可加性 这是dx
这面就小于等于 k从1到n ak
那因为这个函数是非负的
所以说如果这个无穷积分收敛
实际上 也就是说
这个函数关于n来说
它应该是有上界的
有上界的时候我们利用这个不等式
就会得到这个正项级数
它的前n项和 应该是有上界的
正项级数前n项和有上界
当然就说明正项级数收敛
也就是说 这个无穷积分收敛时
我就得到了这个无穷级数是收敛的
反过来如果这个无穷积分是发散的
那么因为这个f是非负的
所以说这时候
1到正无穷的这个无穷积分
应该就是个无穷大量
它如果是无穷大量
那就意味着
这个正项级数的前n项和
是没有上界的
没有上界 自然这个级数本身
就应该是发散的
所以说 我们有了这个关系之后
我们就知道 我们这个无穷积分
1到正无穷f(x)dx 它的收敛性
与这个无穷级数n从1到无穷an
它要么同时收敛 要么同时发散
所以说这就是
这个积分判敛法的证明过程
有了这个证明之后
这个结论我们就与这个内容说的一样
就把级数的判敛问题
转化成了积分的判敛问题
当然 对具体的正向级数来说
关键就是说 我们能不能
找到一个满足这两个条件的f(x)
那我们看两个简单例题
第一个例题
我们来讨论这一个级数
n从2到无穷对n ln n分之1求和
来看这个级数的敛散性
这个级数它是正项级数
这个级数 我们不能用
比值判敛法和根式判敛法
得到它的敛散性结论
因为无论是比值判敛法
还是根式判敛法
它们的极限尽管都存在
但都是等于1的
但是有了积分判敛法之后
这个问题我们可以这样来解决
我就取这么一个函数
f(x)等于x乘上lnx分之1
接下来 则f(x)在2到正无穷
这个区间上应该是单减
这是明显的 而且也是非负的
它在n这点的值
也就等于n乘上lnn分之1
正好是我们这个正项级数的通项
这时候我们就来看一下
又 这个积分
也就是2到正无穷 xlnx分之dx
按照这个无穷积分的定义
它应该考虑的是这个变上限积分
它的极限
而这一个被积函数 我们用凑微分法
我们是可以得到它的原函数的
利用牛顿莱布尼兹公式
我们就会得到我们考虑的是
n趋向于正无穷时 这个极限
也就是ln(lnA)减掉一个ln(ln2)
我们考虑这个极限
这一个大家可以看到
A趋向于正无穷时
这个自然对数是趋向于正无穷
再取自然对数当然还是正无穷
所以说这个一个
实际上它是一个正无穷大量
也就是 这个积分
2到正无穷x乘上lnx分之dx
它是发散的
所以根据积分判敛法
我们就知道 下个结论
所以这个级数它是发散的
这是关于这个例子
接下来我们来看另外一道例题
那我们来考虑一下这个级数
它的敛散性 实际上
这两个级数的通项的差别就是说
我在取对数的这个地方加了一个平方
也就是说 这个级数它的通项
要比前面这个级数的通项小了一些
现在我们来看看这个级数的敛散性
与前面这个例题一样
我也考虑这个函数
取f(x)就等于x ln方x 分之1
那么这一个函数f(x)在2到正无穷上
也是单减的 而且也是非负的
接下来我们就应该是看
这一个无穷积分
2到正无穷 x ln方x 分之1 dx
实际上 我们就回到这个例题的解答
我们只要把分母上这个lnx
这个地方加一个平方
加一个平方之后
我们仍然用凑微分法
所以这个应该就等于一个
A趋向于正无穷
它的原函数应该是这样子的
就是说 应该是一个ln2分之1
减掉一个lnA分之1
那这时候 A趋向于正无穷时
这一个是正无穷大量的倒数
当然是无穷小量
所以这个极限 应该是ln2分之1
这就意味着 这个无穷积分
也就是2到正无穷
x ln方x 分之1 dx
它是收敛的
所以根据积分判敛法
我们就知道原来这个级数
它也是收敛的
我想 这是关于正项级数
积分判敛法的方法以及
用它来处理具体级数判敛的时候
一般的过程
实际上 积分判敛法就在一定程度上
弥补了我们比值判敛法和根式判敛法的缺憾
当然 无论是什么样的判敛法
它只是解决级数敛散性的一种方法
它是说在一定条件下
我告诉你什么样的敛散性结果
它都要求的是所谓的充分条件
尽管 我们对正项级数介绍了
比较判敛法 比阶判敛法
比值判敛法 根式判敛法
以及积分判敛法
这些判敛法
我们仅仅能够处理一些特殊的
正项级数的敛散性判断问题
实际上关于正项级数的敛散性的判敛
我们远远还没有彻底解决
所以大家在看课外书时
可能会注意到对正项级数
还有一些其它的判敛法
也就是说 如果我不能用
现在介绍的有关判敛法进行判敛时
我是不是还可以进一步地
去讨论有没有其他的
请大家感兴趣时
可以看一下课外的有关微积分
或者是数学分析方面的参考书目
-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
--思考题
--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