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ΣathLab Journal
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级数一般记为:n=1an\sum_{n=1}^{\infty} a_n

n=1an=a1+a2++an+\sum_{n=1}^{\infty} a_n = a_1 + a_2 + \dots + a_n + \dots

级数的部分和,就是前 n 项和: Sn=a1+a2++an=k=1nakS_n = a_1 + a_2 + \dots + a_n = \sum_{k=1}^n a_k

级数收敛与发散:
如果级数的部分和有极限,即 limnSn=S\lim_{n \to \infty} S_n = S,就称无穷级数收敛, 其中,极限 SS 叫做该级数的和,或者称级数 收敛于 SS, 记作 S=a1+a2++an+S = a_1 + a_2 + \dots + a_n + \dots, 如果极限 limnSn=S\lim_{n \to \infty} S_n = S 不存在,则称无穷级数发散。

记住几个常用级数的敛散性:

(1)等比级数(几何级数): n=0aqn\sum_{n=0}^{\infty} aq^n

  • q<1|q| < 1 时,等比级数收敛,并且收敛于 首项1公比\frac{\text{首项}}{1 - \text{公比}},此时收敛于 a1q\frac{a}{1-q}
  • q1|q| \ge 1 时,等比级数发散

(2)P 级数: n=11np\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}

  • p>1p > 1 时,p 级数收敛
  • p1p \le 1 时,p 级数发散

常见的几个 P 级数的敛散性要记住,比如:

  • 调和级数 n=11n\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n},发散
  • n=11n2\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2},此时 p=2p=2,收敛
  • n=11n\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{n}},此时 p=1/2p=1/2,发散
  • 交错调和级数 n=1(1)n11n\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} \frac{1}{n},收敛

一、级数的基本性质

  • 性质 1: 收敛级数乘以一个常数 CC,仍然收敛。
  • 性质 2: 两个收敛级数的和、差仍然收敛。
    • 注意: 1. 如果两个级数都发散,则他们的和、差可能收敛,也可能发散; 2. 如果两个级数和中有且只有一个收敛,则他们的和差一定发散。
  • 性质 3: 在级数中去掉、加上或改变有限项,不会改变级数的敛散性。
  • 性质 4: 若级数 an\sum a_n 收敛,则通项一定趋于零(级数收敛的必要条件)。
    • 注意:性质 4 说明级数的通项趋于零,级数才有可能收敛;如果级数的通项不趋于零,则级数一定发散。

二、常数项级数的审敛法

正项级数的定义:an0a_n \ge 0,则称级数 n=1an\sum_{n=1}^{\infty} a_n 是正项级数。

1. 正项级数的比较审敛法:an\sum a_nbn\sum b_n 都是正项级数,且 anbna_n \le b_n,则:

  1. 若级数 n=1bn\sum_{n=1}^{\infty} b_n 收敛,则级数 an\sum a_n 也收敛;(大的收敛,则比它小的一定收敛)
  2. 若级数 an\sum a_n 发散,则级数 n=1bn\sum_{n=1}^{\infty} b_n 也发散;(小的发散,则比它大的一定发散)

2. 比较审敛法的极限形式:an\sum a_nn=1bn\sum_{n=1}^{\infty} b_n 均为正项级数,limnanbn=l\lim_{n \to \infty} \frac{a_n}{b_n} = l,那么:

  1. 0<l<+0 < l < +\infty,两个级数同时收敛,同时发散;
  2. l=0l = 0,且级数 bn\sum b_n 收敛,则级数 an\sum a_n 也收敛;
  3. l=l = \infty,且级数 bn\sum b_n 发散,则级数 an\sum a_n 也发散。

3. 比值审敛法:an\sum a_n 为正项级数,如果 limnan+1an=ρ\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} = \rho,则:

  1. ρ<1\rho < 1 时,级数收敛;
  2. ρ>1\rho > 1 时,级数发散;
  3. ρ=1\rho = 1 时,级数可能收敛也可能发散。

三、交错级数及其判别法

莱布尼茨判别法: 如果交错级数 n=1(1)n1un\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} u_n 满足以下两个条件:

  1. unun+1u_n \ge u_{n+1}(通项单调递减)
  2. limnun=0\lim_{n \to \infty} u_n = 0(通项趋于零) 则交错级数收敛。

注意:莱布尼茨定理只是交错级数收敛的一个充分条件,并非必要条件。当定理中的两个条件不满足时,不能由此判断交错级数是发散的。


四、任意项级数的绝对收敛与条件收敛

任意项级数: 对于一般的常数项级数 n=1an\sum_{n=1}^{\infty} a_n,其中 ana_n 为任意实数,可以是正数、负数或 0,这种级数称为任意项级数。 任意项级数取绝对值,就变成一个正项级数 n=1an=a1+a2+\sum_{n=1}^{\infty} |a_n| = |a_1| + |a_2| + \dots

绝对收敛判别法:

  • 定理: 若绝对值级数 n=1an\sum_{n=1}^{\infty} |a_n| 收敛,则原级数必收敛。
  • 定义:an\sum a_n 为任意项级数,
    1. 如果级数 n=1an\sum_{n=1}^{\infty} |a_n| 收敛,则称原来的级数 绝对收敛
    2. 如果级数 an\sum |a_n| 发散,但是原级数收敛,则称原级数 条件收敛

对于任意项级数敛散性的判别方法: 通常先判断它是否绝对收敛,若是,即可得出绝对收敛;若否,则进一步判定它是条件收敛还是发散。

对于任意项级数的比值审敛法: 对任意项级数 an\sum a_n,如果 limnan+1an=ρ\lim_{n \to \infty} |\frac{a_{n+1}}{a_n}| = \rho,则:

  1. ρ<1\rho < 1 时,原级数绝对收敛,原级数收敛;
  2. ρ>1\rho > 1 时,原级数发散;
  3. ρ=1\rho = 1 时,原级数可能收敛也可能发散,此法失效。