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数项级数2 正项级数的收敛性一、本节的例题选讲如下，后面附有详细的解答过程。
例1 讨论级数∑∞=−12141n n 的收敛性。
例2 讨论级数∑∞=−123n n n 的收敛性。
例3 讨论级数∑∞=−1253n n n n的收敛性。
例4 讨论级数∑∞=11sinn n的收敛性。
例5 讨论级数∑∞=⎪⎭⎫ ⎝⎛−11cos 1n n 的收敛性。
例6 讨论级数n n n πtan 23∑∞=的收敛性。
例7 讨论级数()∑∞=++3312n n n n 的收敛性。
例8 讨论级数()∑∞=>+1011n na a 的收敛性。
例9 讨论级数∑∞=−12121n n的收敛性。
例10 讨论级数∑∞=⎪⎭⎫⎝⎛+111ln n n 的收敛性。
例11 讨论级数∑∞=12sinn nπ的收敛性。
例12 讨论级数∑∞=122sinn nn π的收敛性。
例13 讨论级数()11!2nn n ∞=+∑的收敛性。
例14 讨论级数∑∞=123n n n 的收敛性。
例15 讨论级数∑∞=1!10n nn 的收敛性。
例16 讨论级数∑∞=−1212n nn 的收敛性。
例17 讨论级数∑∞=123n n n 的收敛性。
例18 讨论级数∑∞=12tann nn π的收敛性。
例19 讨论级数()[]∑∞=+11ln 1n n n 的收敛性。
例20 讨论级数123nn n n ∞=⎛⎫⎪−⎝⎭∑的收敛性。
二、上面例题的详细解答。
情况1 利用比较讨论法及其极限形式讨论正项级数的收敛性 例1 讨论级数∑∞=−12141n n 的收敛性。
解：∑∞=−12141n n 和11n n∞=∑都是正项级数，1limlim 2n n n→+∞→+∞==，调和级数11n n∞=∑发散，∴由比较判别法可知，级数∑∞=−12141n n 发散。
例2 讨论级数∑∞=−123n n n 的收敛性。
解： ∑∞=−123n n n 和211n n ∞=∑都是正项级数，22lim lim 3n n n →+∞==， P −级数211n n∞=∑收敛，∴由比较判别法可知，级数∑∞=−123n n n 收敛。
级数典型例题典型例题1：计算以下级数的和：1 + 2 + 3 + 4 + ...解答：这是一个等差数列，首项a=1，公差d=1，因此可以使用等差数列的求和公式来计算和。
等差数列的求和公式为：Sn = (n/2)(2a + (n-1)d)，其中n表示项数，Sn表示和。
代入a=1，d=1，得到Sn = (n/2)(2(1) + (n-1)(1)) = (n/2)(n+1)。
因此，1 + 2 + 3 + 4 + ...的和为Sn = (n/2)(n+1)。
典型例题2：计算以下级数的和：1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 + ...解答：这是一个等比数列，首项a=1，公比r=1/2，因此可以使用等比数列的求和公式来计算和。
等比数列的求和公式为：Sn = a(1-r^n)/(1-r)，其中n表示项数，Sn表示和。
代入a=1，r=1/2，得到Sn = 1(1-(1/2)^n)/(1-(1/2)) = 2 (1-(1/2)^n)。
因此，1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 + ...的和为Sn = 2 (1-(1/2)^n)。
典型例题3：计算以下级数的和：1 + 1/3 + 1/9 + 1/27 + ...解答：这是一个等比数列，首项a=1，公比r=1/3，因此可以使用等比数列的求和公式来计算和。
等比数列的求和公式为：Sn = a(1-r^n)/(1-r)，其中n表示项数，Sn表示和。
代入a=1，r=1/3，得到Sn = 1(1-(1/3)^n)/(1-(1/3)) = 3/2 (1-(1/3)^n)。
因此，1 + 1/3 + 1/9 + 1/27 + ...的和为Sn = 3/2 (1-(1/3)^n)。
第十二章数项级数1 讨论几何级数∑∞=0n n q 的敛散性.解当1||<q 时, ) ( , 11110∞→-→--==∑=n q q q q S n nk kn . 级数收敛;当1||>q 时, , =n S 级数发散 ;当1=q 时, +∞→+=1n S n , ) (∞→n , 级数发散 ; 当1-=q 时, ()n n S )1(121-+=, ) (∞→n , 级数发散 . 综上, 几何级数∑∞=0n n q 当且仅当1||<q 时收敛, 且和为q-11( 注意n 从0开始 ).2讨论级数∑∞=+1)1(1n n n 的敛散性.解用链锁消去法求.3讨论级数∑∞=12n nn 的敛散性.解设∑=-+-++++==nk n n k n n n k S 11322212322212 , =n S 211432221 232221++-++++n n nn , 1322212121212121+-++++=-=n n n n n n S S S 12211211211→--⎪⎭⎫ ⎝⎛-=+n n n , ) (∞→n . ⇒n S →2, ) (∞→n .因此, 该级数收敛.4、讨论级数∑∞=-1352n n n 的敛散性.解52, 5252352⋅>⇒=>-n S n n n n n →∞+, ) (∞→n . 级数发散.5、证明2-p 级数∑∞=121n n 收敛 .证显然满足收敛的必要条件.令21nu n =, 则当2≥n 时,有 ∑∑==+++<+-=+-+<+=+++pk pk p n n n n p n n k n k n k n u u u 11221 ,111))(1(1 )(1 | | 注: 应用Cauchy 准则时，应设法把式 |∑=+pk kn u1|不失真地放大成只含n 而不含p 的式子，令其小于ε，确定N .6、判断级数∑∞=11sinn n n 的敛散性.(验证0→/n u . 级数判敛时应首先验证是否满足收敛的必要条件)7、证明调和级数∑∞=11n n 发散.证法一(用Cauchy 准则的否定进行验证) 证法二(证明{n S }发散.利用不等式n nn ln 1 1211 )1ln(+<+++<+ . 即得+∞→n S ，) (∞→n . )注: 此例为0→n u 但级数发散的例子.8、考查级数∑∞=+-1211n n n的敛散性.解有 , 2 11 012222nn n n n <+-⇒>+- 9、判断级数()() +-+⋅⋅-+⋅⋅++⋅⋅⋅⋅+⋅⋅+)1(41951)1(32852951852515212n n的敛散性.解1 434132lim lim1<=++=∞→+∞→n n u u n nn n ⇒∑+∞<.10、讨论级数∑>-)0( 1x nxn 的敛散性.解因为) ( , 1)1(11∞→→+⋅+=-+n x n n x nxx n u u n n n n . 因此, 当10<<x 时,∑+∞<; 1>x 时, ∑+∞=; 1=x 时, 级数成为∑n , 发散.11、判断级数∑+nn n n !21的敛散性.注:对正项级数∑n u ，若仅有11<+nn u u ，其敛散性不能确定. 例如对级数∑n 1和∑21n , 均有11<+nn u u ，但前者发散, 后者收敛. 12、研究级数∑-+nn 2) 1 (3的敛散性 .解1212)1(3lim lim <=-+=∞→∞→nnn n n n u ⇒∑+∞<. 13、判断级数∑⎪⎭⎫⎝⎛+21n n n 和∑⎪⎭⎫⎝⎛+21n n n 的敛散性 .解前者通项不趋于零 , 后者用根值法判得其收敛 .14、讨论-p 级数∑∞=11n pn 的敛散性.解考虑函数>=p xx f p ,1)(0时)(x f 在区间) , 1 [∞+上非负递减. 积分⎰+∞1)(dx x f当1>p 时收敛, 10≤<p 时发散⇒级数∑∞=11n p n 当1>p 时收敛,当10≤<p 时发散,当0≤p 时,01→/pn , 级数发散. 综上,-p 级数∑∞=11n pn当且仅当1>p 时收敛.15、判别级数∑∞=>-1)0( ) 1 (n nnx n x 的敛散性.解当10≤<x 时, 由Leibniz 判别法 ⇒∑收敛;当1>x 时, 通项0→/,∑发散.16、设0n a →.证明级数∑nx a n sin 和∑nx a n cos 对)2 , 0(π∈∀x 收敛.证++⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎪⎭⎫⎝⎛+∑= 2sin 23sin 2sin cos 212sin 21x x x kx x n kx n x n x n ) 21 sin() 21 sin() 21 sin(+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--++，) 2 , 0 (π∈x 时，02sin ≠x ⇒∑=+=+n k x xn kx 12sin2) 21sin(cos 21. 可见) 2 , 0 (π∈x 时, 级数∑kx cos 的部分和有界. 由Dirichlet 判别法推得级数∑nx ancos 收敛 . 同理可得级数数∑nx a n sin 收敛 .17、若∑∞=1n na 收敛，证明∑∞=12n n n a 也收敛。
数项级数经典例题大全（1）第十二章数项级数1 讨论几何级数∑∞=0n n q 的敛散性.解当1||110∞→-→--==∑=n q q q q S n nk kn . 级数收敛;当1||>q 时, , =n S 级数发散 ;当1=q 时, +∞→+=1n S n , ) (∞→n , 级数发散 ; 当1-=q 时, () n n S )1(121-+=, ) (∞→n , 级数发散 . 综上, 几何级数∑∞=0n n q 当且仅当 1||q-11( 注意n 从0开始 ).2 讨论级数∑∞=+1)1(1n n n 的敛散性.解用链锁消去法求.3讨论级数∑∞=12n nn 的敛散性.解设∑=-+-++++==nk n n k n n n k S 11322212322212 ,=n S 211432221 232221++-++++n n nn , 1322212121212121+-++++=-=n n n n n n S S S12211211211→--?-=+n n n ,) (∞→n . ? n S →2, ) (∞→n .因此, 该级数收敛.4、讨论级数∑∞=-1352n n n 的敛散性.解52, 5252352?>?=>-n S n n n n n →∞+, ) (∞→n . 级数发散.5、证明2-p 级数∑∞=121n n收敛 .证显然满足收敛的必要条件.令 21nu n =, 则当2≥n 时,有∑∑==+++<+-=+-+<+=+++pk pk p n n n n p n n k n k n k n u u u 11221 ,111))(1(1 )(1 | | 注: 应用Cauchy 准则时，应设法把式 |∑=+pk kn u1|不失真地放大成只含n 而不含p 的式子，令其小于ε，确定N .6、判断级数∑∞=11s i n n n n 的敛散性.(验证0→/n u .级数判敛时应首先验证是否满足收敛的必要条件) 7、证明调和级数∑∞=11n n 发散.证法一 (用Cauchy 准则的否定进行验证) 证法二 (证明{n S }发散.利用不等式n nn ln 1 1211 )1ln(+<+++<+ . 即得+∞→n S ，) (∞→n . )注: 此例为0→n u 但级数发散的例子.8、考查级数∑∞=+-1211n n n的敛散性.解有 , 2 11 012222nn n n n <+-?>+- 9、判断级数()()+-+??-+??+++??+)1(41951)1(32852951852515212n n 的敛散性.解 1 434132lim lim1<=++=∞→+∞→n n u u n nn n ?∑+∞<.10、讨论级数∑>-)0( 1x nxn 的敛散性.解因为) ( , 1)1(11∞→→+?+=-+n x n n x nxx n u u n n n n . 因此, 当10<<="">∑+∞<; 1>x 时, ∑+∞=; 1=x 时, 级数成为∑n , 发散.11、判断级数∑+nn n n !21的敛散性.注: 对正项级数∑n u ，若仅有11<+nn u u ，其敛散性不能确定. 例如对级数∑n 1和∑21n , 均有 11<+nn u u ，但前者发散, 后者收敛. 12、研究级数∑-+nn 2) 1 (3的敛散性 .解 1212)1(3l i m l i m <=-+=∞→∞→nnn n nn u ?∑+∞<. 13、判断级数∑??+21n n n 和∑??+21n n n 的敛散性 .解前者通项不趋于零 , 后者用根值法判得其收敛 .14、讨论-p 级数∑∞=11n pn 的敛散性.解考虑函数>=p xx f p ,1)(0时)(x f 在区间) , 1 [∞+上非负递减. 积分+∞1)(dx x f当1>p 时收敛, 10≤∑∞=11n p n 当1>p 时收敛,当10≤01→/pn , 级数发散. 综上,-p 级数∑∞=11n pn当且仅当1>p 时收敛.15、判别级数∑∞=>-1)0( ) 1 (n nnx n x 的敛散性.解当10≤<="" p="" 判别法="" 时,="" 由leibniz=""> 收敛;当1>x 时, 通项0→/,∑发散.16、设0n a →.证明级数∑nx a n sin 和∑nx a n cos 对)2 , 0(π∈?x 收敛.证 ++??? ??-+=??+∑= 2s i n 23s i n 2s i n c o s 212s i n 21x x x kx x n kx n x n x n ) 21sin() 21sin() 21 sin(+=??--++，) 2 , 0 (π∈x 时，02sin ≠x ?∑=+=+n k x xn kx 12sin2) 21sin(cos 21. 可见) 2 , 0 (π∈x 时, 级数∑kx cos 的部分和有界. 由Dirichlet 判别法推得级数∑nx ancos 收敛 . 同理可得级数数∑nx a n sin 收敛 .17、若∑∞=1n na 收敛，证明∑∞=12n n n a 也收敛。
数学分析数项级数数项级数是由一组数相加而成的序列。
数项级数在数学中有着非常重要的地位，常用于研究数学分析、微积分和数论等领域。
首先，我们来定义数项级数。
数项级数是由一组实数a1, a2,a3, ... 组成的序列，将其相加得到的序列表示为：S1 = a1, S2 = a1 + a2, S3 = a1 + a2 + a3, ... 一般地，第n个部分和Sn为Sn = a1 +a2 + ... + an。
我们首先来讨论数项级数的部分和序列。
部分和序列是数项级数中非常重要的概念。
如果部分和序列Sn收敛于一个实数S，即lim(n→∞)Sn = S，那么我们称该数项级数是收敛的，并称S为该数项级数的和。
如果部分和序列Sn不收敛，我们称该数项级数是发散的。
接下来，我们来研究一些收敛数项级数的性质。
首先是数项级数的有界性。
如果数项级数收敛，那么它的部分和序列一定是有界的。
这是因为收敛数列的定义就包含了它的部分和序列是有界的。
其次，我们来看数项级数的比较判别法。
这是判断数项级数的敛散性的一种常用方法。
如果对于一个正数b来说，数项级数绝对值的部分和序列Sn满足Sn≤b，那么我们称该数项级数是收敛的。
该方法常用于判定数项级数在无穷大时的敛散性。
再次，我们来看数项级数的比值判别法。
如果数项级数的部分和序列Sn满足lim(n→∞) ，Sn+1 / Sn， = L，那么我们有下面的结论：1）当L<1时，数项级数是收敛的；2）当L>1时，数项级数是发散的；3）当L=1时，该方法无法判定数项级数的敛散性。
最后，我们来看数项级数的积分判别法。
对于一个连续递减的正函数f(x)，如果数项级数的部分和序列Sn与函数f(x)的积分∫(n→∞) f(x) dx之间存在以下关系：1）当∫(n→∞) f(x) dx收敛时，数项级数也是收敛的；2）当∫(n→∞) f(x) dx发散时，数项级数也是发散的。
以上是数项级数的一些基本概念和性质。
请双面打印/复印(节约纸张)高等数学主讲: 张小向第六章 无穷级数第一节 数项级数 第二节 反常积分判敛法 第三节 幂级数 第四节 傅里叶级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数§6.1 数项级数 一. 无穷级数的概念 1.引例1 − 2 1 − 41 − 8(3) 无法实施的奖赏(摘自/Blog/181498.aspx)国际象棋起源于印度. 棋盘上共有64个格子. 传说国王要奖赏国际象棋的发明者—— 他的大宰相西萨·班·达伊尔, 问他有什么要求, 这位大宰相跪在国王面前说: “… …”. 1+2+22 +23 +...+263 = 264−1 = 18 446 744 073 709 551 615(粒) 1000粒小麦的质量 ≈ 40g, 18 446 744 073 709 551 615粒小麦的质量大于 7000亿吨! 2008/09年度全球小麦产量: 6.56 亿吨, 7000 ÷ 6.56 ≈ 1067(年) 要用23 300 000 000辆载重量为30吨的大卡车拉1 1 1 (1) − + − + − + … 2 4 8(2) 乒乓球跳动的时间2H 2n+1H H 4 2H g + 4 3g + − g + … + 2 3ng + … 3第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数2. 定义 u1, u2, …, un, … ——无穷数列 数项级数(简称级数):n=1 nn=1 n ∞ n=1 nΣ u = u1 + u2 + … + un + …n∞Σ u 前n项部分和(简称部分和): Sn = u1 + u2 + … + un = k=1 uk Σ∞Σ u = u1 + u2 + … + un + … 项 通项(一般项)∞n=1 nΣ u 收敛: lim Sn 存在 n→∞n=1 nΣ u 的和: S = n→∞ Sn lim∞∞Σ 记为: n=1un = Sn=1 nΣ u 发散: lim Sn 不存在 n→∞∞272365083@1请双面打印/复印(节约纸张)第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数例1. n=1 2n . Σ1 1 Sn = − + − + … + 2n = 1 − 2n . 2 4n→∞∞1例2. 等比级数(几何级数)1 1Σ aqn−1 (a ≠ 0). n=1 Sn = a + aq + aq2 + … + aqn−1 = 1 − q . (1) |q| < 1时, n→∞ Sn = 1 − q , 即 limn=1∞a − aqnlim Sn = 1, 故 n=1 2n = 1. Σ1 − 2 1 − 41 − 8∞1aΣ aqn−1 = 1 − q .∞∞alim (2) |q| > 1时, n→∞ Sn = ∞, 记为n=1Σ aqn−1 = ∞.第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数(2) |q| = 1时, lim lim ① 若q = 1, 则 n→∞ Sn = n→∞ na = ∞. a, n为奇数; ② 若q = −1, 则Sn = 0, n为偶数, lim S 不存在. n→∞ n 综上所述, 当|q| < 1时等比级数 n=1 aqn−1 (a ≠ 0) Σ 收敛, 且 Σ aqn−1 = a . n=1 1−q Σ 当|q| ≥ 1时等比级数 n=1 aqn−1 (a ≠ 0)发散.∞ ∞ ∞Σ 例3. 证明: n=11∞1 = 1. n(n+1) 1 1证明: Sn = 1×2 + 2×3 + … + n(n+1)2 2 3 1 = 1 − n+1 → 1 (n→∞), 1 1 1 = (1 − −) + (− − −) + … + (− − n+1) n 1 1即 n=1 Σ∞1 = 1. n(n+1)第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数Σ 例4. 证明: n=1∞1 收敛. n21例5. 调和级数 ,n=1证明: ∀ε >0, ∃N = [−] + 1, 当n > N时, ∀p ∈ ε |Sn+p − Sn| = (n+1)2 + (n+2)2 + … + (n+p)2 = n(n+1) + … +1 1 1 1 1 (n+p−1)(n+p) 1 1 11 1 Σ −=1+−+−+…+−+… 2 3∞1 n1 n对于ε0 = 1/2, 取m = 2n, 则 |Sm − Sn| = 1 + 1 + … + 1 n+1 n+2 2n ≥ 2n = ε0 . 由Cauchy收敛准则可知{Sn}发散, 即调和级数是发散的.n= − − n+p < − < ε . n n∞ 即 n=1 12 收敛. Σ由Cauchy收敛准则可知{Sn}收敛,n272365083@2请双面打印/复印(节约纸张)第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数二. 数项级数收敛的条件 定理1 (级数收敛的必要条件).n=1 n ∞Σ 注① n=1 un 收敛 ⇒ lim un = 0. ——原命题 n→∞n→∞ n ∞∞Σ u 收敛 ⇒ lim un = 0. n→∞∞∞limu ∃ 或 limun = a ≠ 0 ——逆否命题证明: 设 n=1un 收敛, 且 n=1 un = S, Σ Σ 则 n→∞ un = n→∞ (Sn − Sn−1) lim lim = n→∞ n − n→∞ n−1 limS limS = S − S = 0.⇒ n=1 un 发散. Σ例6. 判别下列级数的敛散性. (1) n=1 (−1)n; Σπ (3) n=1 nsin− ; Σ n∞ ∞(2) n=1 n+1 n ; Σ (4) n=1 (n − √n2 − n). Σ∞∞n第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数Σ 注② n=1 un 收敛 ⇒ lim un = 0. ——原命题 n→∞n→∞∞定理2 (Cauchy收敛准则).n=1 nlim un = 0 ⇒ n=1 un 收敛. ——逆命题 Σ 该命题不成立!∞Σ u 收敛 ⇔ 数列{Sn}收敛 ,当 n > N时,n+p∞⇔ ∀ε > 0, ∃N∈∀p∈ , 有 Σ uk = |Sn+p − Sn| < ε. k=n+1例如 n→∞ − = 0, 但 n=1 − 发散. lim n Σ n1∞1第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数∞ (−1)n−1 例7. 证明级数 n=1 n Σ 收敛.例8. 已知级数 n=1un收敛, 其中un > 0 (∀n). Σ(−1)n+p−1 n+p∞证明: |Sn+p − Sn| = n+1 + n+2 +…+ ≤1 n+1(−1)n(−1)n+1证明: 级数u1 + u3 +…+ u2k−1 + …也收敛. 证明: 记Sn = u1 + u2 +…+ un, Tn = u1 + u3 +…+ u2n−1, 由条件及Cauchy收敛准则可知 ∀ε > 0, ∃N ∈ , 当 n > N时, ∀p∈ +, 有 |Tn+p − Tn| = |u2n+1 + u2n+3 +…+ u2n+2p−1| ≤ |u2n+1 + u2n+2 +…+ u2n+2p−1| = |S2n+2p−1 − S2n| < ε . 所以级数u1 + u3 +…+ u2k−1 + …也收敛.<1 − n, ,= ε, 故 ∀ε > 0, ∃N ∈ [−] ∈1当 n > N时, ∀p∈ , 有 1 |Sn+p − Sn| < −. < ε . ε n 由Cauchy收敛准则可知该级数收敛.272365083@3请双面打印/复印(节约纸张)第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数三. 数项级数的基本性质 性质1. 设级数 n=1 un 收敛, 且 n=1un = S, Σ Σ 则对任意常数k, 级数 n=1kun也收敛, Σ 且 n=1kun = kS. Σ 证明: 记Sn = u1 + u2 +…+ un, Tn = ku1 + ku2 +…+ kun, 则 n→∞ n = limkSn = klimSn = kS. limT n→∞ n→∞ 推论. 若k≠0, 则 n=1un 与n=1 kun 的收敛性相同. Σ Σ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞性质2. 设 n=1 un 与 n=1vn 都收敛, 且 Σ Σn=1 n ∞∞∞Σ u = S, n=1vn = T, Σ∞∞∞则 n=1(un ± vn)也收敛, 且 Σn=1 ∞Σ (un ± vn) = S ± T.∞ ∞例9. n=1un收敛, n=1vn 发散 ⇒ n=1(un + vn) _____. Σ Σ Σ第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数Σ Σ Σ 注① n=1(un + vn)收敛 ⇒ n=1 un 与 n=1 vn 都收敛.−1 例如, un = 1 , vn = n+1 , n∞∞∞Σ Σ Σ 注① n=1(un + vn)收敛 ⇒ n=1 un 与 n=1 vn 都收敛. Σ Σ Σ Σ 注② n=1un , n=1vn , n=1(un + vn), n=1(un − vn)中, 任意两个收敛, 则另外两个也收敛.上述四个级数的敛散性, 可能出现的情形: (A) 都收敛; (B) 都发散; (C) 一个收敛, 另外三个发散.∞ ∞ ∞ ∞∞∞∞则n=1 (un + vn)收敛, Σ 但 n=1un 与 n=1vn 都发散. Σ Σ1 1 1 1 1 (1− −) + (− − −) + … + (− − n+1) 2 2 3 n∞ ∞∞=1− 1n+1→ 1 (n→∞).第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数性质3. 在级数中去掉或添加有限多项, 得到的 级数与原来的级数敛散性相同.∞ 例如: (1) n=1 12 收敛 ⇒ Σ1 1 1 1 1 1 1+−+−+−+−+−+…+−+… n 2 3 4 5 6 1 1 1 1 1 −+−+−+−+…+−+… n 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1+−+−+−+−+−+…+−+… n 4 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 + 2 + 3 + − + 5 + − + − + − + −… + − + … n 6 7 8 9 4n 1 1 1 1 + 25 + 36 + … + n2 + …收敛; 16 1 1 1 9 + 4 + 1 + − + − + … + n2 + …收敛. 4 9 ∞ 1 (2) Σ − 发散 ⇒ n=1 n 1 1 1 − + − + … + − + …发散; n 5 6 1 1 1 1 1 − + − + 1 + − + − + … + − + …发散. n 9 4 2 3272365083@4请双面打印/复印(节约纸张)第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数性质4. 设级数 n=1un 收敛, 则不改变它的各项 Σ 次序而任意添加括号后构成的新级数n=1 n∞n=1 nΣ u = u1 + u2 + u3 + u4 + u5 + u6 + u7 + …∞Σ u′ 仍然收敛, 而且和不变.∞∞部分和数列: S1 , S2 , S3 , S4 , S5 , S6 , S7 , …n=1 n证明: 注意到 n=1un 的部分和数列 {Sn} 是 Σ ′ ′ Σ u 的部分和数列 {Sn} 的子列即可. n=1 n∞Σ u′ = (u1 + u2) + u3 + (u4 + u5 + u6) + u7 + … = u1 ′ + u2 + ′ u3 + ′ S3′ , u4 + … ′ S4′ , …∞部分和数列: S1′ , S2′ ,n→∞lim Sn 存在 ⇒ n→∞ Sn = lim Sn . lim ′ n→∞第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数注: 级数(1−1) + (1−1) + (1−1) + ... 收敛, 但 1 − 1 + 1 − 1 + ... + (−1)n+1 + … 发散. 性质5. n=1 cn 收敛 ⇒ n→∞ k=n+1ck = 0. Σ lim Σ 证明: 设 n=1cn 收敛, 且 n=1 cn = S. Σ Σ 令 Rn = k=n+1ck , 称为 n=1cn的n阶余项. Σ Σ 于是 S = n→∞ Sn ⇒ n→∞ Rn = n→∞ (S − Sn) = 0. lim lim lim∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞四. 数项级数判敛法 1. 正项级数 (1) 定义 正项级数 n=1un : ∀un ≥ 0 Σ (2) 性质 ∀un ≥ 0 ⇒ {Sn}单调递增. (3) 判敛法 Σ 定理3. 正项级数 n=1un 收敛 ⇔ {Sn}有界.∞ ∞第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数例10. u1 = 1, un = ∫ n−1 xp dx (n ≥ 2, p >1), 证明 Σ un 收敛.n=1 ∞n1定理4 (比较判别法). 设0 ≤ un ≤ vn (∀n), 则 (1) n=1 vn 收敛 ⇒ n=1un 收敛. Σ Σ Σ (2) n=1 un 发散 ⇒ n=1 vn 发散. Σ∞ ∞ ∞ ∞可 改 ∃N∈ , s.t. 为 当n > N时,证明: 因为un > 0, 而且 Sn = 1 + ∫ 1 xp dx + … + ∫n−1 xp dx = 1 + ∫ 1 xp dx = 1 + 1−p x1−p1 1 1∞ n 2un ≤ vn1n111n 1Σ 证明: (1) n=1vn 收敛 ⇒ 其部分和数列{Tn}有界 ⇒ n=1un 的部分和数列{Sn}有界 Σ ⇒ Σ un 收敛.n=1 ∞ ∞∞= 1 + p−1 (1 − n p−1 ) < 1 + p−1 . 所以 Σ un 收敛.n=1(2) 由(1)立得.272365083@5请双面打印/复印(节约纸张)第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数例11. p级数 n=1 Σ1 当p > 1时收敛, p ≤ 1时发散. . np ∞ 1 1 (1) 当 p < 0时, lim np = +∞ ⇒ n=1 np 发散. Σ n→∞ 1 1∞1 n 1 1 1 证明: 因为 lim[(1−cos−) n2] = − , n→∞ n 2例12. 证明 Σ (1 − cos−)收敛.n=1∞(2) 当0 ≤ p ≤ 1时, np ≥ − , n Σ − 发散 ⇒ n=1 np 发散. Σ n=1 n1 n 1 (3) 当 p>1时, np < ∫ n−1 p dx (n ≥ 2), x ∞ 由例10可知 Σ 1p 收敛. n=1 n∞所以 ∃N∈, s.t. 当n > N时, 有1 11∞11 1 [(1−cos−) n2 ] − − < −, n 2 4从而1 1 3 < 1−cos− < 4n2 . 4n2 n ∞ 3 又因为 Σ 4n2 收敛, n=1∞故由比较判别法可知 n=1(1 − cos−) 收敛. Σ n1第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数1 发散. n1+1/n 1 1 证明: 因为 lim( 1+1/n −) = n→∞ 1 = 1, lim 1/n n→∞ n n n例13. 证明 Σ∞推论 (比较判别法的极限形式) 设 n=1un 和 n=1 vn 均为正项级数, 且 Σ Σ 则 (1) 当0 < l < +∞时,∞ ∞ ∞ ∞ ∞n=1所以 ∃N∈1, s.t. 当n > N时, 有lim n→∞un = l, vn1 1 ( 1+1/n −) − 1 < − . n n 2 1 1 3 从而 2n < n1+1/n < 2n . ∞ ∞ 1 1 Σ 又因为 Σ 2n 发散, 故 n=1 n1+1/n 发散. n=1Σ u 与n=1 vn 的敛散性相同. Σ n=1 n (2) 当l = 0 且 n=1vn 收敛时, n=1un 也收敛. Σ Σ (3) 当l = +∞ 且 Σ vn 发散时, Σ un 也发散.n=1 n=1 ∞ ∞ ∞第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数证明: (1) 方法同例12和例13. (2) 因为 lim n→∞un = 0, vn un , s.t. 当n > N时, v < 1, n∞(3) (法一) 因为 limn→∞ ∞un = +∞, vn所以 ∃N∈, s.t. 当n > N时, un > vn .∞所以 ∃N∈ 于是un < vn .∞Σ 而 n=1vn 发散, 故 n=1un 发散. Σ (法二) 若 n=1un 收敛, Σ 则由 lim 矛盾! 故 n=1un 发散. Σ∞ n→∞ ∞ vn Σ = 0 及(2) 得 n=1vn 收敛, un ∞Σ 而 n=1vn 收敛, 故 n=1un 收敛. Σ272365083@6请双面打印/复印(节约纸张)第六章 无穷级数§6.1 数项级数第六章 无穷级数§6.1 数项级数例14. 设a >0, 讨论 Σ (a1/n + a−1/n −2)的敛散性.n=1∞定理5 (D’Alembert比值判别法). 设 Σ un 为正项级数, ∀un > 0 且 limn=1 n→∞ ∞ ∞ ∞a1/n + a−1/n − 2 at + a−t − 2 = t→0+ lim 解: lim 2 n→∞ 1/n t2 2. = (lna) 又因为 n=1 Σ∞un+1 = ρ, unΣ 则 (1) 当ρ < 1时, n=1un 收敛. (2) 当ρ > 1时, n=1un 发散. Σ达朗贝尔：法国物理学家、数学家、天文学 家哲学家。
