高等数学讲义-无穷级数(数学一和数学三).doc

第八章 无穷级数（数学一和数学三）引言：所谓无穷级数就是无穷多项相加，它与有限项相加有本质不同，历史上曾经对一个无穷级数问题引起争论。例如：历史上曾有三种不同看法，得出三种不同的“和”第一种第二种第三种设则这种争论说明对无穷多项相加，缺乏一种正确的认识。1) 什么是无穷多项相加？如何考虑？2) 无穷多项相加，是否一定有“和”？3) 无穷多项相加，什么情形有结合律，什么情形有交换律等性质。因此对无穷级数的基本概念和性质需要作详细的讨论。§ 8.1常数项级数（甲） 内容要点一、基本概念与性质1. 基本概念无穷多个数依次相加所得到的表达式称为数项级数（简称级数）。 （）称为级数的前n项的部分和，称为部分和数列。不存在，则称级数是发散的，发散级数没有和的概念。（注：在某些特殊含义下可以考虑发散级数的和，但在基础课和考研的考试大纲中不作这种要求。）2 基本性质（1） 如果（2） 在级数中增加或减少或变更有限项则级数的收敛性不变。（3） 收敛级数具有结合律，也即对级数的项任意加括号所得到的新级数仍收敛，而且其和不变。发散级数不具有结合律，引言中的级数可见是发散的，所以不同加括号后得到级数的情形就不同。（4） 级数（注：引言中提到的级数，因此收敛级数的必要条件不满足，发散。调和级数满足却是发散的，所以满足收敛级数的必要条件，而收敛性尚不能确定。）3两类重要的级数（1）等比级数（几何级数）当时，收敛当时，发散（2）p一级数当p>1时，收敛，当p1时发散（注：p>1时，的和一般不作要求，但后面用特殊的方法可知）二、正项级数敛散性的判别法则称为正项级数，这时是单调加数列，它是否收敛就只取决于是否有上界，因此有上界，这是正项级数比较判别法的基础，从而也是正项级数其它判别法的基础。1. 比较判别法收敛，则收敛；如果发散，则发散。2. 比较判别法的极限形式设若1) 当0<A<+时，与同时收敛或同时发散。2) 当A=0时，若收敛，则收敛。3) 当A=+时，若收敛，则收敛。3比值判别法（达朗倍尔）设>0，而1） 当<1时，则收敛2） 当>1时(包括=+)，则发散3） 当=1时，此判别法无效（注：如果不存在时，此判别法也无法用）4根值判别法（柯西）设0，而1） 当<1时，则收敛2） 当>1时(包括=+)，则发散3） 当=1时，此判别法无效事实上，比值判别法和根值判别法都是与等比级数比较得出相应的结论，应用时，根据所给级数的形状有不同的选择，但它们在=1情形下都无能为力。数学上有更精细一些的判别法，但较复杂，对考研来说不作要求。三、交错级数及其莱布尼兹判别法1交错级数概念若>0,称为交错级数。2莱布尼兹判别法设交错级数满足：1）2) =0，则收敛，且0<<四、绝对收敛与条件收敛1定理若收敛，则一定收敛；反之不然。2定义若收敛，则称为绝对收敛；若收敛，而发散，则称为条件收敛。3有关性质1）绝对收敛级数具有交换律，也即级数中无穷多项任意交换顺序，得到级数仍是绝对收敛，且其和不变。2）条件收敛级数的正项或负项构成的级数，即（+）或（）一定是发散的。4一类重要的级数设1） 当>1时，是绝对收敛的2） 当0<1时，是条件收敛的3） 当0时，是发散的（乙） 典型例题一、 主要用部分和数列的极限讨论级数的敛散性例1 判定下列级数敛散性，若收敛并求级数的和。1） 2）1）解：的=1，收敛2）解：-得=3=3，收敛例2 设数列收敛证：由题意可知而 =因此，于是级数=是收敛的二、 主要用判别法讨论级数的敛散性例1 设级数收敛，则收敛解：（几何平均值算术平均值）已知再用比较判别法，可知收敛例2 正项数列单调减少，且发散，问是否收敛？并说明理由。解：，由等比级数收敛和比较判别法可知收敛。例3 设（1）求的值。（2）证明：对任意正常数收敛。证明：（1）=1 （2）<<收敛，由比较判别法可知收敛。例4 设有方程当>1时，级数收敛。所以当>1时，级数收敛。§ 8.2 幂级数（甲）内容要点一、函数项级数及其收敛域与和函数（数学一）1 函数项级数的概念设皆定义在区间I上，则称为区间I上的函数项级数。2 收敛域设，如果常数项级数收敛，则称是函数项级数的收敛点，如果发散，则称是的发散点。函数项级数的所有收敛点构成的集合就称为收敛域。所有发散点构成的集合你为发散域。3 和函数在的收敛域的每一点都有和，它与有关，因此，收敛域称为函数项级数的和函数，它的定义域就是函数项级数的收敛域。二、幂级数及其收敛域1 幂级数概念称为的幂级数，称为幂级数的系数，是常数，当时，称为的幂级数。一般讨论有关问题，作平移替换就可以得出有关的有关结论。2幂级数的收敛域幂级数的收敛域分三种情形：（1） 收敛域为，亦即对每一个皆收敛，我们称它的收敛半径（2） 收敛域仅为原点，除原点外幂级数皆发散，我们称它的收敛半径。（3） 收敛域为 所以求幂级数的收敛半径非常重要，（1）（2）两种情形的收敛域就确定的。而（3）的情形，还需讨论两点上的敛散性。三、 幂级数的性质1 四则运算设2. 分析性质设幂级数的收敛半径> 0，S() = 为和函数，则有下列重要性质。（1）求导后幂级数的收敛半径不变，因此得出（2）幂级数的收敛半径也不变。（3）若(i)(ii)(iii)四、幂级数求和函数的基本方法1把已知函数的幂级数展开式（§ 8.3将讨论）反过来用。下列基本公式应熟背：2、用逐项求导和逐项积分方法以及等比级数求和公式3、用逐项求导和逐项积分方法化为和函数的微分方程从而求出微分方程的解。五、利用幂级数求和函数得出有关常数项级数的和（乙）典型例题例1 求下列幂级数的和函数。（1）（2）解：（1）可求出收敛半径R=1, 收敛域为（-1，1）（2）可以从求出和函数后，看出其收敛域§ 8.3将函数展开成幂级数（甲）内容要点一、泰勒级数与麦克劳林级数的概念1 基本概念二、函数展成幂级数的方法1套公式§ 8.4傅里叶级数（数学一）（甲）内容要点一、三角函数系的正交性二、傅里叶系数与傅里叶级数三、狄利克雷收敛定理我们把上述两个条件称为狄利克雷条件四、正弦级数与余弦级数