级数一般记为:∑n=1∞an
即 ∑n=1∞an=a1+a2+⋯+an+…
级数的部分和,就是前 n 项和: Sn=a1+a2+⋯+an=∑k=1nak
级数收敛与发散:
如果级数的部分和有极限,即 limn→∞Sn=S,就称无穷级数收敛,
其中,极限 S 叫做该级数的和,或者称级数 收敛于 S,
记作 S=a1+a2+⋯+an+…,
如果极限 limn→∞Sn=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=0∞aqn
- 当 ∣q∣<1 时,等比级数收敛,并且收敛于 1−公比首项,此时收敛于 1−qa
- 当 ∣q∣≥1 时,等比级数发散
(2)P 级数: ∑n=1∞np1
- 当 p>1 时,p 级数收敛
- 当 p≤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=1∞n1,发散
- ∑n=1∞n21,此时 p=2,收敛
- ∑n=1∞n1,此时 p=1/2,发散
- 交错调和级数 ∑n=1∞(−1)n−1n1,收敛
- 性质 1: 收敛级数乘以一个常数 C,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 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。
正项级数的定义: 若 an≥0,则称级数 ∑n=1∞an 是正项级数。
1. 正项级数的比较审敛法:
设 ∑an 和 ∑bn 都是正项级数,且 an≤bn,则:
- 若级数 ∑n=1∞bn 收敛,则级数 ∑an 也收敛;(大的收敛,则比它小的一定收敛)
- 若级数 ∑an 发散,则级数 ∑n=1∞bn 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:
设 ∑an 和 ∑n=1∞bn 均为正项级数,limn→∞bnan=l,那么:
- 若 0<l<+∞,两个级数同时收敛,同时发散;
- 若 l=0,且级数 ∑bn 收敛,则级数 ∑an 也收敛;
- 若 l=∞,且级数 ∑bn 发散,则级数 ∑an 也发散。
3. 比值审敛法:
设 ∑an 为正项级数,如果 limn→∞anan+1=ρ,则:
- ρ<1 时,级数收敛;
- ρ>1 时,级数发散;
- ρ=1 时,级数可能收敛也可能发散。
莱布尼茨判别法: 如果交错级数 ∑n=1∞(−1)n−1un 满足以下两个条件:
- un≥un+1(通项单调递减)
- limn→∞un=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。
任意项级数: 对于一般的常数项级数 ∑n=1∞an,其中 an 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=1∞∣an∣=∣a1∣+∣a2∣+…
绝对收敛判别法:
- 定理: 若绝对值级数 ∑n=1∞∣an∣ 收敛,则原级数必收敛。
- 定义: 设 ∑an 为任意项级数,
- 如果级数 ∑n=1∞∣an∣ 收敛,则称原来的级数 绝对收敛;
- 如果级数 ∑∣an∣ 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,如果 limn→∞∣anan+1∣=ρ,则:
- ρ<1 时,原级数绝对收敛,原级数收敛;
- ρ>1 时,原级数发散;
- ρ=1 时,原级数可能收敛也可能发散,此法失效。