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单元2无穷级数概要
单元2 无穷级数导学
案例驱动:古希腊著名哲学家芝诺提出的“古希腊善跑的英雄阿基里斯追不上乌龟”等关于运动的分析,他假设乌龟先爬了一段路,然后阿基里斯去追它。但是追赶者阿基里斯却永远追不上乌龟。其理由是阿基里斯在追上乌龟之前,必须首先达到乌龟的出发点,可此时乌龟又向前爬了一段路了。于是阿基里斯又必须赶上这段路,可是这时乌龟又向前爬了。由于阿基里斯和乌龟之间的距离可依次分成无数小段,因此阿基里斯虽然越追越近,但永远追不上乌龟。称为常数项级数
级数的部分和:
2.级数的收敛与发散
常数项级数收敛(发散)存在(不存在)
3.级数收敛的性质
性质1:级数的每一项同乘一个不为零的常数,敛散性不变
性质2:收敛级数可以逐项相加逐项相减
性质3:在级数前面去掉或加上有限项不影响级数的敛散性
性质4:收敛级数加括弧后所成的级数仍然收敛于原来的和
4.级数收敛的必要条件
若收敛,则
(1)若,则级数发散
(2)但是,得不到级数发散(例如调和级数)
二. 正项级数及其审敛法
1.定义
称为正项级数
2.判别法
方法一:根据级数收敛的定义
方法二:正项级数收敛部分和数列有界
方法三:比较判别法
是两个正项级数
(1)若收敛,且则也收敛
(2)若发散,且,则也发散.
口诀:小于收敛必收敛,大于发散必发散.
方法四:比较判别法的极限形式
若,则两个级数具有相同的敛散性
(同时收敛或者同时发散)
方法五:比值判别法
若,则
注意:同一个问题可以同时用多种不同的方法.
三.三个常用级数(通常用来作为比较参照的对象)
1.几何级数
2. 调和级数
(发散)
3. 级数
四.交错级数及其审敛法(莱布尼兹判别法)
1.定义
或为交错级数
2. 莱布尼兹定理
如果交错级数满足两个条件:
(1)
(2)
则级数收敛
五.任意项级数及其审敛法
1.定义
正项和负项任意出现的级数称为任意项级数
定理:如果绝对值级数收敛,则级数一定收敛.
2. 绝对收敛与条件收敛
定义:若绝对值级数收敛,则称为绝对收敛;
若绝对值级数发散,而收敛,则称为条件收敛
六. 函数项级数
1.定义
设是定义在上的函数,则
称为定义在区间上的(函数项)
无穷级数
2.收敛点与收敛域
如果,数项级数收敛,则称为级数的收敛点,否则称为发散点.函数项级数的所有收敛点的全体称为收敛域,所有发散点的全体称为发散域.
3.和函数
在收敛域上,函数项级数的和是的函数,称为函数项级数的和函数,即
七. 幂级数
1.定义
形如的级数称为的幂级数,其中称为幂级数的系数.当时,称为的幂级数
2.收敛性
定理1 (阿贝尔定理)如果幂级数在处收敛,则它在满足不等式的一切处绝对收敛;如果级数在处发散,则它在满足不等式的一切处发散.
推论 如果幂级数不是仅在一点收敛,也不是在整个数轴上都收敛,则必有一个完全确定的正数存在,它具有下列性质:
(1)当时,幂级数绝对收敛;
(2) 当时,幂级数发散;
(3) 当时,幂级数可能收敛,可能发散
(区间端点处,代入原级数,单独讨论)
正数称为幂级数的收敛半径.幂级数的收敛域称为幂级数的收敛区间.
定理2 如果幂级数的所有系数,且,则记正数为级数的收敛半径.
(1)时,收敛域为;
(2)时,收敛域为一点;
3.幂级数的运算
设幂级数和的收敛半径分别为和和
(1)加减法:
(2)逐项求导:设幂级数的收敛半径为,则其和函数在区间内内可导,且有逐项求导公式:
(3)逐项积分:设幂级数的收敛半径为,则其和函数在区间内内可积,且有逐项积分公式:
八. 函数展开成幂级数
1.泰勒级数与麦克劳林级数
如果在点处任意阶可导,则幂级数称为在点的泰勒级数;称为在点的麦克劳林级数.
2.展开方法
(1)直接法:关键在于求出系数和收敛半径及收敛区间
(2)间接法:利用常见展开式,通过变量代换,四则运算,恒等变形,逐项求导,逐项积分等方法,求展开式.通常采用间接法将函数展开成幂级数.
3.常见函数的展开式
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