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10.1常数项级数的概念和性质

《常数项级数的概念和性质》 包括但不限于:

  • 常数项级数的概念
    • 级数的概念(用数列引出)
    • 无穷级数的概念
    • 任意项级数的概念
    • 常数项级数的概念
  • 收敛和发散的定义
    • 数列和有极限
  • 收敛和发散的性质
    • 一个级数收敛,k倍的此级数也收敛
    • 两个收敛的级数加减后还是收敛
      • 相加减以后收敛不代表原来是收敛的
    • 一个发散的级数加减一个收敛的级数还是发散的
    • 两个发散的级数加减后不知道是发散还是收敛
    • 去掉、增加或者改变级数的有限项,不改变级数的敛散性
    • 对一个收敛的级数任意加括号后的级数也收敛,并且和不变(任意加括号后的级数是原来级数的子列)
      • 任意加括号后的级数收敛,不代表原级数收敛(任意加括号后的级数是原来级数的子列)
    • 任意加括号后的级数发散,原级数也发散(任意加括号后的级数是原来级数的子列)
  • 收敛和发散的条件
    • 级数的第无穷项趋于零,则级数收敛
      • 调和级数不是
    • 级数的第无穷项不趋于零,则级数发散
  • 常数项级数的和
    • 无穷项等比数列的求和
    • 无穷项等差数列的求和

常数项级数的概念和性质


一、常数项级数的概念

1.1 从数列到级数

给定一个数列:

u1,  u2,  u3,  …,  un,  …u_1,\; u_2,\; u_3,\; \dots,\; u_n,\; \dots

将数列的各项用加号连接起来,得到表达式:

u1+u2+u3+⋯+un+⋯u_1 + u_2 + u_3 + \cdots + u_n + \cdots

这个表达式称为无穷级数(简称级数),记作:

∑n=1∞un=u1+u2+u3+⋯+un+⋯\sum_{n=1}^{\infty} u_n = u_1 + u_2 + u_3 + \cdots + u_n + \cdots

其中 unu_n 称为级数的一般项(或通项)。


1.2 常数项级数

若级数中每一项 unu_n 都是常数(与变量 xx 无关),则称该级数为常数项级数。本章节讨论的正是常数项级数。

例:∑n=1∞1n=1+12+13+⋯\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n} = 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \cdots 是常数项级数。而 ∑n=0∞xn\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}x^n 是函数项级数(幂级数)。


1.3 任意项级数

若级数的项 unu_n 可以是正数、负数或零,没有符号限制,则称之为任意项级数。常见的特例包括:

  • 正项级数:所有 un≥0u_n \ge 0;
  • 交错级数:各项正负交替,如 ∑n=1∞(−1)n−1un\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}u_n(un>0u_n > 0)。

常数项级数涵盖了正项级数、交错级数和任意项级数。


1.4 理解「无穷多项相加」—— 部分和

「无穷多个数相加」无法通过有限次加法完成,必须借助极限思想。定义:

部分和:前 nn 项的和,记作 SnS_n:

Sn=u1+u2+⋯+un=∑k=1nukS_n = u_1 + u_2 + \cdots + u_n = \sum_{k=1}^{n} u_k

当 nn 依次取 1,2,3,…1,2,3,\dots 时,得到部分和数列:

S1,  S2,  S3,  …,  Sn,  …S_1,\; S_2,\; S_3,\; \dots,\; S_n,\; \dots

通过观察部分和数列的极限行为,我们来理解无穷级数的「和」。


二、收敛与发散的定义

2.1 定义

收敛:若部分和数列 {Sn}\{S_n\} 有极限 SS(有限数),即

lim⁡n→∞Sn=S\lim_{n\to\infty} S_n = S

则称级数 ∑n=1∞un\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} u_n 收敛,SS 称为级数的和,记作:

∑n=1∞un=S\sum_{n=1}^{\infty} u_n = S

发散:若 {Sn}\{S_n\} 的极限不存在(或为无穷大),则称级数发散。


2.2 余项

当级数收敛时,部分和 SnS_n 是级数和 SS 的近似值,其误差为:

Rn=S−Sn=un+1+un+2+⋯R_n = S - S_n = u_{n+1} + u_{n+2} + \cdots

RnR_n 称为级数的余项。显然 lim⁡n→∞Rn=0\displaystyle\lim_{n\to\infty} R_n = 0。


2.3 级数与数列的关系

级数 ∑un  ⟷  部分和数列 {Sn}\boxed{\text{级数 } \sum u_n \;\longleftrightarrow\; \text{部分和数列 } \{S_n\}}
  • 给定级数 ∑un\sum u_n ⇒\Rightarrow 部分和数列 Sn=∑k=1nukS_n = \sum_{k=1}^n u_k;
  • 给定数列 {Sn}\{S_n\} ⇒\Rightarrow 级数 S1+(S2−S1)+(S3−S2)+⋯S_1 + (S_2-S_1) + (S_3-S_2) + \cdots,其中 un=Sn−Sn−1u_n = S_n - S_{n-1}。

🎯 研究级数的敛散性,本质上就是研究其部分和数列的极限。


三、收敛与发散的条件(必要条件)

3.1 级数收敛的必要条件

定理:若级数 ∑n=1∞un\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} u_n 收敛,则

lim⁡n→∞un=0\boxed{\lim_{n\to\infty} u_n = 0}

证明:设 Sn→SS_n \to S,则 un=Sn−Sn−1→S−S=0u_n = S_n - S_{n-1} \to S - S = 0。


3.2 逆否命题(判别发散的快捷方法)

⚠️ 若 lim⁡n→∞un≠0\displaystyle\lim_{n\to\infty} u_n \ne 0(或极限不存在),则级数必定发散。

例如:级数 ∑n=1∞(−1)n+1\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1},一般项不趋于零,故发散。


3.3 ⚠️ 必要条件 ≠ 充分条件

🔴 一般项趋于零不代表级数收敛!

经典反例:调和级数

∑n=1∞1n=1+12+13+⋯\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n} = 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \cdots

虽然有 lim⁡n→∞1n=0\displaystyle\lim_{n\to\infty} \frac{1}{n} = 0,但调和级数发散(可用反证法或积分判别法证明)。


四、收敛与发散的性质

性质 1:数乘运算

若级数 ∑un\displaystyle\sum u_n 收敛于 SS,则对任意常数 kk,级数 ∑kun\displaystyle\sum k u_n 也收敛,且和为 kSkS。

若 k≠0k \ne 0,则 ∑un\sum u_n 与 ∑kun\sum k u_n 同敛散(敛散性一致)。


性质 2:加减运算

若 ∑un\displaystyle\sum u_n 收敛于 SS,∑vn\displaystyle\sum v_n 收敛于 TT,则

∑(un±vn)  收敛于  S±T\sum (u_n \pm v_n) \; \text{收敛于} \; S \pm T

两个重要推论:

运算结论
收敛 + 收敛收敛
收敛 + 发散发散
发散 + 发散不确定(可能收敛也可能发散)

⚠️ 注意:由 ∑(un±vn)\sum (u_n \pm v_n) 收敛,不能推出 ∑un\sum u_n 和 ∑vn\sum v_n 分别收敛!例如 ∑(1−1)\sum(1-1) 收敛于 00,但 ∑1\sum 1 发散。


性质 3:改变有限项

在级数中去掉、增加或改变有限项,不会改变级数的敛散性。

但收敛时,级数的和通常会改变。


性质 4:加括号

若级数收敛,则对它的项任意加括号后所成的级数仍收敛,且和不变。

证明思路:加括号后的级数,其部分和数列是原部分和数列的子数列。收敛数列的任意子数列均收敛于同一极限。

两个推论:

命题结论
原级数收敛⇒\Rightarrow 加括号后收敛
加括号后发散⇒\Rightarrow 原级数必发散
加括号后收敛⇏\not\Rightarrow 原级数收敛(反例见下)

反例:级数 1−1+1−1+1−1+⋯1 - 1 + 1 - 1 + 1 - 1 + \cdots 发散,但加括号 (1−1)+(1−1)+⋯=0+0+⋯(1-1)+(1-1)+\cdots = 0+0+\cdots 收敛于 00。


性质汇总表

性质内容条件
性质 1∑kun=k∑un\sum k u_n = k \sum u_nk≠0k \ne 0 时同敛散
性质 2∑(un±vn)=∑un±∑vn\sum(u_n \pm v_n) = \sum u_n \pm \sum v_n需两个都收敛
性质 3改变有限项不改变敛散性—
性质 4收敛级数任意加括号仍收敛,和不变原级数收敛
必要条件收敛 ⇒\Rightarrow un→0u_n \to 0不可逆

五、常数项级数的和

5.1 无穷等比级数(几何级数)

∑n=0∞aqn=a+aq+aq2+⋯(a≠0)\sum_{n=0}^{\infty} aq^n = a + aq + aq^2 + \cdots \quad (a \ne 0)
公比范围敛散性和
∣q∣<1\lvert q \rvert < 1收敛S=a1−q\displaystyle S = \frac{a}{1-q}
∣q∣≥1\lvert q \rvert \ge 1发散无和

推导:Sn=a⋅1−qn1−qS_n = a \cdot \dfrac{1 - q^n}{1 - q}(q≠1q \ne 1),当 ∣q∣<1\lvert q \rvert < 1 时 qn→0q^n \to 0,故 Sn→a1−qS_n \to \dfrac{a}{1-q}。


5.2 无穷等差数列

∑n=0∞(a+nd)=a+(a+d)+(a+2d)+⋯\sum_{n=0}^{\infty} (a + nd) = a + (a+d) + (a+2d) + \cdots

结论:无穷等差数列几乎总是发散的。

  • 若 d=0d = 0 且 a=0a = 0:各项均为 00,级数收敛于 00;
  • 若 d=0d = 0 且 a≠0a \ne 0:级数为 a+a+a+⋯a + a + a + \cdots,un=a↛0u_n = a \not\to 0,发散;
  • 若 d≠0d \ne 0:一般项 un=a+nd→∞u_n = a + nd \to \infty,不满足收敛必要条件,必定发散。

📌 只有有限项等差数列才有求和公式:Sn=n(a1+an)2S_n = \dfrac{n(a_1 + a_n)}{2}。无穷等差数列不能求和(发散)。


5.3 常见可求和的级数

级数类型形式收敛条件和
几何级数∑n=0∞aqn\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} aq^n∣q∣<1\lvert q \rvert < 1a1−q\dfrac{a}{1-q}
裂项级数∑n=1∞1n(n+1)\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n(n+1)}始终收敛11
pp-级数∑n=1∞1np\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}p>1p > 1 收敛,p≤1p \le 1 发散一般无简单闭式

六、补充:柯西审敛原理

定理(柯西审敛原理):级数 ∑un\displaystyle\sum u_n 收敛的充要条件是: 对任意 ε>0\varepsilon > 0,存在正整数 NN,使得当 n>Nn > N 时,对任意正整数 pp,都有

un+1+un+2+⋯+un+p∣<εu_{n+1} + u_{n+2} + \cdots + u_{n+p}| < \varepsilon

这是从数列的柯西收敛准则直接导出的,是判断级数收敛性的最根本标准。


七、总结思维导图

常数项级数
├── 概念
│   ├── 由数列 u₁, u₂, u₃, ... 引出
│   ├── 无穷级数:∑uₙ = u₁ + u₂ + u₃ + ...
│   ├── 常数项级数:uₙ 均为常数
│   └── 任意项级数:uₙ 可正可负
├── 收敛与发散
│   ├── 收敛:部分和数列 {Sₙ} 有极限 S
│   ├── 发散:{Sₙ} 无极限
│   └── 余项:Rₙ = S - Sₙ
├── 必要条件
│   ├── 收敛 ⇒ uₙ → 0
│   └── uₙ ↛ 0 ⇒ 发散(注意:反之不真!调和级数是反例)
├── 基本性质
│   ├── 数乘:∑k uₙ = k∑uₙ
│   ├── 加减:收敛±收敛=收敛,收敛±发散=发散,发散±发散=不确定
│   ├── 有限项改变不改变敛散性
│   └── 收敛级数任意加括号仍收敛(反之不真)
└── 特殊和
    ├── 等比级数:|q|<1 时和为 a/(1−q)
    └── 等差级数:几乎总是发散
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