996 字
5 分钟
高数B(下)- 3

常见级数及其敛散性#

等比级数#

n=0arn=a+ar+ar2+\sum_{n=0}^{\infty} ar^n = a + ar + ar^2 + \cdots
  • r<1|r| < 1 时收敛,和为 a1r\dfrac{a}{1-r}r1|r| \geq 1 时发散。

调和级数#

n=11n=1+12+13+\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n} = 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \cdots
  • 发散

pp 级数#

n=11np\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}
  • p>1p > 1 时收敛,当 p1p \leq 1 时发散。

收敛的基本准则#

收敛必要条件#

若级数 an\sum a_n 收敛,则 limnan=0\lim_{n \to \infty} a_n = 0

柯西收敛准则#

级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 收敛的充分必要条件为:ε>0\forall \varepsilon > 0,总存在自然数 NN,使得当 n>Nn > N 时,对于任意的自然数 pp,都有

un+1+un+2++un+p<ε|u_{n+1} + u_{n+2} + \cdots + u_{n+p}| < \varepsilon

成立。

正项级数判别法#

极限比较判别法#

n=1un\sum_{n=1}^\infty u_nn=1vn\sum_{n=1}^\infty v_n 都是正项级数,且

limnunvn=k(0k+,vn0),\lim_{n \to \infty} \frac{u_n}{v_n} = k \quad (0 \leqslant k \leqslant +\infty, v_n \ne 0),

  1. 0<k<+0 < k < +\infty,则级数 n=1un\sum_{n=1}^\infty u_nn=1vn\sum_{n=1}^\infty v_n 同时收敛或同时发散;

  2. k=0k = 0,则当 n=1vn\sum_{n=1}^\infty v_n 收敛时,n=1un\sum_{n=1}^\infty u_n 收敛;

  3. k=+k = +\infty,则当 n=1vn\sum_{n=1}^\infty v_n 发散时,n=1un\sum_{n=1}^\infty u_n 发散。

比值判别法#

若对正项级数 n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty u_n

limnun+1un=ρ,\lim_{n \to \infty} \frac{u_{n+1}}{u_n} = \rho,

  1. ρ<1\rho < 1 时,级数收敛;

  2. ρ>1(limnun+1un=+)\rho > 1 \left( \text{或} \lim\limits_{n \to \infty} \dfrac{u_{n+1}}{u_n} = +\infty \right) 时,级数发散;

  3. ρ=1\rho = 1 时,级数可能收敛,也可能发散。

根值判别法#

若对正项级数 n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty u_n

limnunn=ρ,\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{u_n} = \rho,

  1. ρ<1\rho < 1 时,级数收敛;

  2. ρ>1(limnunn=+)\rho > 1 \left( \text{或} \lim\limits_{n \to \infty} \sqrt[n]{u_n} = +\infty \right) 时,级数发散;

  3. ρ=1\rho = 1 时,级数可能收敛,也可能发散。

积分判别法#

f(x)f(x) 为定义在 [1,+)[1, +\infty) 上的非负单调递减函数,那么正项级数 n=1f(n)\sum\limits_{n=1}^\infty f(n) 与反常积分 1+f(x)dx\int_1^{+\infty} f(x) \, \mathrm{d}x 具有相同的敛散性。

交错级数与任意项级数#

Leibniz’s rule#

un>0 (n=1,2,3,)u_n > 0\ (n = 1, 2, 3, \cdots),如果交错级数 n=1(1)n1un\sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} u_n 满足条件:

  1. unun+1(n=1,2,3,)u_n \geqslant u_{n+1} \quad (n = 1, 2, 3, \cdots)

  2. limnun=0\lim\limits_{n \to \infty} u_n = 0

则交错级数收敛,且其和 su1s \leqslant u_1,其余项 rnr_n 的绝对值 rnun+1|r_n| \leqslant u_{n+1}

绝对收敛与条件收敛#

如果级数 n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| 收敛,则称级数 n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty u_n 绝对收敛;如果级数 n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty u_n 收敛,而级数 n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| 发散,则称级数 n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty u_n 条件收敛。

如果级数 n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| 收敛,则级数 n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty u_n 必定收敛。

柯西乘积#

设级数 n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty u_nn=1vn\sum\limits_{n=1}^\infty v_n 都绝对收敛,其和分别为 uuvv,则它们的柯西乘积

u1v1+(u1v2+u2v1)++(u1vn+u2vn1++unv1)+u_1 v_1 + (u_1 v_2 + u_2 v_1) + \cdots + (u_1 v_n + u_2 v_{n-1} + \cdots + u_n v_1) + \cdots

也是绝对收敛的,且其和为 uvuv

幂级数#

阿贝尔定理(收敛域性质)#

若幂级数 n=0anxn\sum\limits_{n=0}^\infty a_n x^nx=x0 (x00)x = x_0\ (x_0 \ne 0) 处收敛,则对满足 x<x0|x| < |x_0| 的一切 xx,该级数绝对收敛;反之,若级数 n=0anxn\sum\limits_{n=0}^\infty a_n x^nx=x0x = x_0 处发散,则对满足 x>x0|x| > |x_0| 的一切 xx,该级数也发散。

收敛半径计算#

limnan+1an=ρ\lim\limits_{n \to \infty} \left| \dfrac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \rho,则幂级数 n=0anxn\sum\limits_{n=0}^\infty a_n x^n 的收敛半径

R={1ρ,ρ0,+,ρ=0,0,ρ=+.R = \begin{cases} \dfrac{1}{\rho}, & \rho \ne 0, \\[2ex] +\infty, & \rho = 0, \\[1.5ex] 0, & \rho = +\infty. \end{cases}

和函数的分析性质#

设幂级数 n=0anxn\sum\limits_{n=0}^\infty a_n x^n 在收敛区间 (R,R)(-R, R) 上的和函数为 s(x)s(x),若 xx(R,R)(-R, R) 内任意一点,则

  1. s(x)s(x)xx 可导,且

    s(x)=n=1nanxn1;s'(x) = \sum_{n=1}^\infty n a_n x^{n-1};
  2. s(x)s(x)00xx 构成的区间上可积,且

    0xs(t)dt=n=0ann+1xn+1.\int_0^x s(t) \, \mathrm{d}t = \sum_{n=0}^\infty \frac{a_n}{n + 1} x^{n+1}.

常用函数展开#

  1. 指数函数

    ex=n=0xnn!=1+x+x22!+x33!+(<x<+)e^x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!} = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \cdots \quad (-\infty < x < +\infty)
  2. 正弦函数

    sinx=n=0(1)n(2n+1)!x2n+1=xx33!+x55!(<x<+)\sin x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(2n+1)!} x^{2n+1} = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \cdots \quad (-\infty < x < +\infty)
  3. 余弦函数

    cosx=n=0(1)n(2n)!x2n=1x22!+x44!(<x<+)\cos x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(2n)!} x^{2n} = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \cdots \quad (-\infty < x < +\infty)
  4. 对数函数

    ln(1+x)=n=1(1)n1nxn=xx22+x33(1<x1)\ln(1+x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{n} x^n = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \cdots \quad (-1 < x \leqslant 1)
  5. 几何级数

    11x=n=0xn=1+x+x2+x3+(1<x<1)\frac{1}{1-x} = \sum_{n=0}^{\infty} x^n = 1 + x + x^2 + x^3 + \cdots \quad (-1 < x < 1)
  6. 二项式展开

    (1+x)α=1+αx+α(α1)2!x2++α(α1)(αn+1)n!xn+(1<x<1)(1+x)^\alpha = 1 + \alpha x + \frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2 + \cdots + \frac{\alpha(\alpha-1)\cdots(\alpha-n+1)}{n!}x^n + \cdots \quad (-1 < x < 1)
高数B(下)- 3
https://dk-qwq.github.io/blog/posts/advanced-math-b/part-2-3/
作者
dk-qwq
发布于
2026-09-02
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0