第一讲 无穷级数的概念

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一,无穷级数的定义

  • \sum_{n=1}^{\infty }u_{n}=s_{n}+r_{n}=u_{1}+u_{2}+u_{3}+...+u_{n}+u_{n+1}+u_{n+2}+...+u_{n+m}+...
  • 通项:u_{n}
  • 部分和:s_{n}=u_{1}+u_{2}+u_{3}+...+u_{n}
  • 余项:r_{n}=u_{n+1}+u_{n+2}+...+u_{n+m}+...
  • 离散的和:\sum_{n=1}^{\infty }u_{n}=\lim_{n\rightarrow \infty }\sum_{k=1}^{n}u_{k}=\lim_{n\rightarrow \infty }s_{n}
  • 连续的和(反常积分):\int_{a}^{+\infty }f(x)dx=\lim_{b\rightarrow +\infty }\int_{a}^{b}f(x)dx

二,级数的收敛和发散

  • 收敛:\sum_{n=1}^{\infty }u_{n}=\lim_{n\rightarrow \infty }s_{n}=s,s为任意数
  1. 余项r_{n}=s-s_{n}
  2. \lim_{n\rightarrow \infty }r_{n}=\lim_{n\rightarrow \infty }(s-s_{n})=s-\lim_{n\rightarrow \infty }s_{n}=0
  3. s\approx s_{n},其中截断误差为\left | r_{n} \right |
  • 发散:\sum_{n=1}^{\infty }u_{n}=\lim_{n\rightarrow \infty }s_{n}=\pm \infty,或者不存在

三,等比级数\sum_{n=1}^{\infty }ar^{n-1},(a\neq 0)的敛散性

  • 展开:\sum_{n=1}^{\infty }ar^{n-1}=a+ar+ar^{2}+ar^{3}+...+ar^{n-1}+
  • 通项:ar^{n-1},公比:r
  • 假设r\neq 1
  1. 等比数列求和公式s_{n}=a\frac{1-r^{n}}{1-r}
  2. \sum_{n=1}^{\infty }u_{n}=\lim_{n\rightarrow \infty }s_{n}=\lim_{n\rightarrow \infty }a\frac{1-r^{n}}{1-r}
  3. \left | r \right |< 1时,\lim_{n\rightarrow \infty }r^{n}=0\lim_{n\rightarrow \infty }a\frac{1-r^{n}}{1-r}=\frac{a}{1-r},级数收敛
  4. \left | r \right |> 1时,\lim_{n\rightarrow \infty }r^{n}=\pm \infty\lim_{n\rightarrow \infty }a\frac{1-r^{n}}{1-r}=a\frac{1\pm \infty }{1-r},级数发散
  • 假设r=1\sum_{n=1}^{\infty }ar^{n-1}=\sum_{n=1}^{\infty }a=\lim_{n\rightarrow \infty }na,级数发散
  • 假设r=-1
  1. 展开:\sum_{n=1}^{\infty }ar^{n-1}=a-a+a-a+...+ar^{n-1}+
  2. 当n为奇数时,s_{n}=a\lim_{n\rightarrow \infty }a=a
  3. 当n为偶数时,s_{n}=0\lim_{n\rightarrow \infty }0=0
  4. \lim_{n\rightarrow \infty }s_{n}不存在,级数发散
  • 总结:只有当\left | r \right |< 1时,等比级数收敛,\sum_{n=1}^{\infty }ar^{n-1}=\frac{a}{1-r},a是首项

四,收缩级数\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n(n+1)}的敛散性

  • 展开:\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n(n+1)}=\frac{1}{1\cdot 2}+\frac{1}{2\cdot 3}+\frac{1}{3\cdot 4}+...+\frac{1}{n(n+1)}+...
  • 部分和:s_{n}=\frac{1}{1\cdot 2}+\frac{1}{2\cdot 3}+\frac{1}{3\cdot 4}+...+\frac{1}{n(n+1)}=1-\frac{1}{2}+\frac{1}{2}-\frac{1}{3}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+...+\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}=1-\frac{1}{n+1}
  • 求极限:\lim_{n\rightarrow \infty }s_{n}=1
  • 级数收敛

五,调和级数\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n}的敛散性

  • 展开:\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n}=1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}+...++\frac{1}{n}+...
  • 部分和没有表达式
  • \sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n}=+\infty
  • 证明,如图:

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