常见级数及其敛散性#
等比级数#
n=0∑∞arn=a+ar+ar2+⋯
- ∣r∣<1 时收敛,和为 1−ra;∣r∣≥1 时发散。
调和级数#
n=1∑∞n1=1+21+31+⋯p 级数#
n=1∑∞np1
- 当 p>1 时收敛,当 p≤1 时发散。
收敛的基本准则#
收敛必要条件#
若级数 ∑an 收敛,则 limn→∞an=0。
柯西收敛准则#
级数 ∑n=1∞un 收敛的充分必要条件为:∀ε>0,总存在自然数 N,使得当 n>N 时,对于任意的自然数 p,都有
∣un+1+un+2+⋯+un+p∣<ε成立。
正项级数判别法#
极限比较判别法#
设 ∑n=1∞un 和 ∑n=1∞vn 都是正项级数,且
n→∞limvnun=k(0⩽k⩽+∞,vn=0),则
-
若 0<k<+∞,则级数 ∑n=1∞un 与 ∑n=1∞vn 同时收敛或同时发散;
-
若 k=0,则当 ∑n=1∞vn 收敛时,∑n=1∞un 收敛;
-
若 k=+∞,则当 ∑n=1∞vn 发散时,∑n=1∞un 发散。
比值判别法#
若对正项级数 n=1∑∞un 有
n→∞limunun+1=ρ,则
-
当 ρ<1 时,级数收敛;
-
当 ρ>1(或n→∞limunun+1=+∞) 时,级数发散;
-
当 ρ=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=1∑∞un 有
n→∞limnun=ρ,则
-
当 ρ<1 时,级数收敛;
-
当 ρ>1(或n→∞limnun=+∞) 时,级数发散;
-
当 ρ=1 时,级数可能收敛,也可能发散。
积分判别法#
设 f(x) 为定义在 [1,+∞) 上的非负单调递减函数,那么正项级数 n=1∑∞f(n) 与反常积分 ∫1+∞f(x)dx 具有相同的敛散性。
交错级数与任意项级数#
Leibniz’s rule#
设 un>0 (n=1,2,3,⋯),如果交错级数 n=1∑∞(−1)n−1un 满足条件:
-
un⩾un+1(n=1,2,3,⋯);
-
n→∞limun=0,
则交错级数收敛,且其和 s⩽u1,其余项 rn 的绝对值 ∣rn∣⩽un+1。
绝对收敛与条件收敛#
如果级数 n=1∑∞∣un∣ 收敛,则称级数 n=1∑∞un 绝对收敛;如果级数 n=1∑∞un 收敛,而级数 n=1∑∞∣un∣ 发散,则称级数 n=1∑∞un 条件收敛。
如果级数 n=1∑∞∣un∣ 收敛,则级数 n=1∑∞un 必定收敛。
柯西乘积#
设级数 n=1∑∞un 和 n=1∑∞vn 都绝对收敛,其和分别为 u 和 v,则它们的柯西乘积
u1v1+(u1v2+u2v1)+⋯+(u1vn+u2vn−1+⋯+unv1)+⋯也是绝对收敛的,且其和为 uv。
幂级数#
阿贝尔定理(收敛域性质)#
若幂级数 n=0∑∞anxn 在 x=x0 (x0=0) 处收敛,则对满足 ∣x∣<∣x0∣ 的一切 x,该级数绝对收敛;反之,若级数 n=0∑∞anxn 在 x=x0 处发散,则对满足 ∣x∣>∣x0∣ 的一切 x,该级数也发散。
收敛半径计算#
若 n→∞limanan+1=ρ,则幂级数 n=0∑∞anxn 的收敛半径
R=⎩⎨⎧ρ1,+∞,0,ρ=0,ρ=0,ρ=+∞.和函数的分析性质#
设幂级数 n=0∑∞anxn 在收敛区间 (−R,R) 上的和函数为 s(x),若 x 为 (−R,R) 内任意一点,则
-
s(x) 在 x 可导,且
s′(x)=n=1∑∞nanxn−1;
-
s(x) 在 0 与 x 构成的区间上可积,且
∫0xs(t)dt=n=0∑∞n+1anxn+1.
常用函数展开#
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指数函数
ex=n=0∑∞n!xn=1+x+2!x2+3!x3+⋯(−∞<x<+∞)
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正弦函数
sinx=n=0∑∞(2n+1)!(−1)nx2n+1=x−3!x3+5!x5−⋯(−∞<x<+∞)
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余弦函数
cosx=n=0∑∞(2n)!(−1)nx2n=1−2!x2+4!x4−⋯(−∞<x<+∞)
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对数函数
ln(1+x)=n=1∑∞n(−1)n−1xn=x−2x2+3x3−⋯(−1<x⩽1)
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几何级数
1−x1=n=0∑∞xn=1+x+x2+x3+⋯(−1<x<1)
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二项式展开
(1+x)α=1+αx+2!α(α−1)x2+⋯+n!α(α−1)⋯(α−n+1)xn+⋯(−1<x<1)