MA.7.1 数项级数

Intro - Achilles追赶乌龟

或

t1+t2+⋯+tn+⋯=T

Chap 7-1
数项级数

一、基本概念与性质

flowchart LR
    subgraph 性质
    级数 --- 更改有限项敛散性不变
    级数 --- 收敛线性性
    级数 --- 收敛的结合性
    级数 --- 更序级数敛散性不变
    end
    subgraph 简单级数
    级数 -- 必要条件 --> 通项极限为0即收敛 <--> 极限不为0/不存在即发散
    级数 --> Cauchy收敛/发散准则 --- 放缩
    end
    subgraph 正项级数
    级数  --> 收敛原理 --- 部分和有上界
    级数  --> 比较判别法 --- A["大收➡️小收\n小散➡️大散"]
    A --> 极限形式
    A --> p-判别法
    级数 --> B[根值判别] --- B1[≤q<1 收敛]
    B --- B2[≥1 发散]
    B --- B3[=q == 1?]
    级数 --> C[比值判别] --- B1
    C --- B2
    C --- B3
    C --- 双比值
    级数 --> D["积分判别\n1~∞"]
    C -.-> Rabbe判别法 --- E["α ↔1"]
    end
    subgraph 一般级数
    subgraph 交错级数
        级数 --> Leibniz --- 单减有界
    end
    级数 -.- Riemann重排
    级数 -.- Abel变换
    级数 -.- Abel引理
    级数 --> A-D判别法
    end
Definition

设 a1,a2,…,an,… 是一个数列, 则 #级数/形式和(形式上连加)

∑n=1∞an=a1+a2+⋯+an+⋯

称为 无穷级数 (简称 #级数 ), 和式中的每一项称为级数的项, an 称为级数的通项(或一般项), 而

Sn=∑k=1nak=a1+a2+⋯+an

称为级数的前 n 项 #级数/部分和

若 limn→∞Sn=S, 则称级数 ∑n=1∞an 收敛, 且收敛于 S,S 称为级数的和; 记为 ∑n=1∞an=S

若 {Sn} 发散, 则称级数 ∑n=1∞an 发散

若 limn→∞Sn=+∞(−∞), 也称 ∑n=1∞an 发散到 +∞(−∞)

Example

例1 讨论 #几何级数 (通项为等比)

∑n=1∞aqn−1(a≠0)

的收敛性

Solution

Sn=∑k=1naqk−1={a(1−qn)1−q,q≠1na,q=1

→n→∞{a1−q,|q|<1 无(有界), q=−1∞,|q|>1,q=1

结论:几何级数当且仅当 |q|<1 收敛

且和为 前项1−公比

Cauchy收敛准则

∑n=1∞an 收敛 ⇔∀ε>0,∃N∈N,∀n≥N,∀p∈N:|∑k=n+1n+pak|=|an+1+an+2+⋯+an+p|<ε

Cauchy发散准则

∑n=1∞an 发散 ⇔∃ε>0,∀N∈N,∃n≥N,∃p∈N:|∑k=n+1n+pak|=|an+1+an+2+⋯+an+p|≥ε

Example

例2 证明 #调和级数 ∑n=1∞1n 发散.

Proof

 取 ε=12,∀n∈N 取 n=N,p=N|∑k=n+1n+p1an|=|1n+1+1n+2+…+1n+p|⩾pn+p=12

敛散性不变

推论

将级数增加, 删减, 改换有限项, 不改变敛散性

Analysis
有限项->存在最大下标->存在n大于最大下标

即可用于:n充分大的条件

基本性质

线性性

Theorem

若级数 ∑n=1∞an=S,∑n=1∞bn=T, 则级数

∑n=1∞(αan+βbn)=αS+βT
问题

若 ∑n=1∞an,∑n=1∞bn 发散, 问 ∑n=1∞(an±bn) 敛散性如何?

不一定

问题

若 ∑n=1∞an 收敛, ∑n=1∞bn 发散, 则 ∑n=1∞(an±bn) 敛散性呢?

发散

必要条件

Theorem

若级数 ∑n=1∞an 收敛, 则 limn→∞an=0

Proof

设: ∑n=1∞an=S, 部分和为 Sn, 则

limn→∞Sn=S.an=Sn−Sn−1→n→+∞an=S−S=0
注意:

逆否命题成立:limn→∞an≠0 或不存在 ⇒∑n=1∞an 发散

逆命题不成立:limn→∞an=0 不一定能导出 ∑n=1∞an 收敛/发散 Eg.调和级数

Example

例3 判断级数 ∑n=1∞(1−1n)n 的敛散性

Solution

(1−1n)n=[(1+1(−n))(−n)]−1→1e 故 ∑n=1∞an 发散 

二、正项级数的敛散性及判别法

若级数 ∑n=1∞an 满足 an≥0, 则称之为正项级数

显然,正项级数的部分和 {Sn} 单调增加, 因此有

收敛原理

设 an≥0, 则

∑n=1∞an 收敛 ⇔ 部分和 {Sn} 有上界 

注
要么收敛要么发散到正无穷

补充:结合律、交换律

结合律
若 ∑n=1∞an=S, 将其相邻若干项加括号得到的新级数收敛,且和不变

Proof

设 ∑n=1∞an 部分和为 Sn, 加括昂极限为

(a1+a2+…+an1)+(an1+1+…+an2)+…+(ank−1+1+…+ank)+…

记其前n项和为 Tk
则 Tk=Snk
由于 limn→∞Sn=S
故由归并性:

limk→∞Tk=limk→∞Snk=S
逆命题不成立

∑n=1∞(−1)n−1=1−1+1−1+⋯ 发散 , 但 (1−1)+(1−1)+⋯=0 收敛

定理: 更序级数敛散不变

Theorem

设 an≥0, 则任意更换顺序求和所得新级数敛散性不变, 收敛时和不变.

Proof

设 ∑n=1∞an=S ,部分和 Sn

且 ∑n=1nan′ 是 ∑n=1nan 更序级数

∵{an′} 中的项均来自于 {an}

设 a1′ : a2′,…an′ 在原级数中最大下标为 m

则 a1′+⋯+an′⏟Sm 中的某些项 =Sn′⩽Sm⩽S

∴{Sn′} 有上界

从而 ∑n=1∞an′ 收敛

且其和: ∑n=1∞an′≤s

又 ∑n=1∞an 可视为 ∑n=1∞an′ 的更序

故 ∑n=1∞an=S≤∑n=1∞an
∴∑n=1∞an′=S

同理 正项级数若发散,更序级数亦发散

例题
Example

例4 证明 ∑n=1∞1n! 收敛

Proof

λiSn=∑k=1n1k!=1+∑k=2n1k!≤1+∑k=2n1(k−1)k=1+∑k=2n(1k−1k−1)=1+1−1n<2 有上界 

故原级数收敛

Example

例5 讨论 p 级数 ∑n=1∞1np 的敛散性

Solution

当 p≤1 时

Sn=∑k=1n1kp≥∑k=1n1k

由于 ∑n=1∞1n 发散, 故 ∑k=1n1k 无上界故 Sn 无上界

⇒∑n=1∞1np 发散 

当 p>1 时

original image

1kp≤1xp⇒∫k−1k1kpdx≤∫k−1k1xpdx

设: 1kp≤∫k−1k1xpdx从而

Sn=∑k=1n1kp=1+∑k=2n1kp≤1+∑k=2n∫k−1k1xpdx=1+∫1ndxxp=1+x1−p1−p|1n=1+n1−p1−p⏟负数 −11−p<1+1p−1=pp−1

故 {Sn} 有上界,原级数收敛

比较判别法

若 ∑n=1∞an 与 ∑n=1∞bn 为正项级数, 且 an≤bn,则有

∑n=1∞bn 收敛 ⇒∑n=1∞an 收敛; ∑n=1∞an 发散 ⇒∑n=1∞bn 发散 

Proof

original image

Example

例6 证明 ∑n=2∞1ln⁡n 发散

Proof

由于 1ln⁡n>1n(n⩾2)且 ∑n=2∞1n 发散

由比较判别法: ∑n=2∞1ln⁡n 发散

推论 (极限形式)

设 an≥0,bn>0, 且 limn→∞anbn=l, 则

  1. 当 0<l<+∞ 时, ∑n=1∞an 与 ∑n=1∞bn 同敛散
  2. 当 l=0 时, ∑n=1∞bn 收敛 ⇒∑n=1∞an 收敛
  3. 当 l=+∞ 时, ∑n=1∞bn 发散 ⇒∑n=1∞an 发散

Proof

(1)详细证明如下

由 limn→∞anbn=l

取 ε=12, 则 N∈N,∀n>N则

|anbn−l|<εn⏟l/2⇒l−ε⏟l/2<anbn<l+ε⏟3l/2⇒12lbn<an<32lbn(∀n>N)

若 ∑bn 收敛 ⇒∑32lbn 收敛

若 ∑bn 发散 ⇒∑12lbn 发散
小散 ⇒ 大散: Σan 发散

(2)l=0 => bn大

(3)同理

说明

  1. 常选择几何级数与 p 级数作参照级数
  2. 常估计通项无穷小 {an} 对 1/n 的阶
    ^10fi2j

推论 (p-判别法)

Corollary

设 an≥0, 且 limn→∞npan=l, 则

  1. 当 0≤l<+∞, 且 p>1 时, ∑n=1∞an 收敛;
  2. 当 0<l≤+∞, 且 p≤1 时, ∑n=1∞an 发散

Analysis
证明即为之前极限形式的特例

Example

例7 判断 ∑n=1∞n+3(n2+1)(n3+2) 的敛散性

Solution

由于 limn→∞n32n+3(n2+1)(n3+2)=1 (等价无穷大)且 P=32>1

故原级数收敛

Example

例8 判断 ∑n=1∞sin⁡1n 的敛散性

Solution

 由于 limn→∞nsin⁡1n=1 且 p=1

故原级数收敛

Example

1−cos⁡1n

Tips

1−cos⁡1n∼12n2

Cauchy判别法 / 根值判别

Theorem

若正项级数 ∑n=1∞an 满足

  1. ann≤q<1, 则 ∑n=1∞an 收敛
  2. 有无穷多项使 ann≥1, 则 ∑n=1∞an 发散
  3. limn→∞ann=q, 则
    • 当 q<1 时, ∑n=1∞an 收敛;
    • 当 q>1 时, ∑n=1∞an 发散;
    • 当 q=1 时, 判别法失效

Proof

(1) 由条件: an≤qn 且 ∑n=1∞qn 收敛

⇒比判∑n=1∞an 收敛

(2) 由条件: ∃nk:anknk⩾1

⇒ank⩾1⟹ank⩾1

故 an↛0 从而 ∑n=1∞an 收敛

(3) 当 q<1 时

由不等式性: ∃N∈N,∀n>N 有

ann<i+12=defl<1

由(2): ∑n=1∞an 收敛

当 q>1 时

∃N∈N,∀n>N, 有 ann>1

当 q=1 时

∑n=1∞1n 发散, limn→∞1nn=limn→∞1nn=1

再考虑 limn→∞1n2n=limn→∞(1nn)2=1

Example

例9 证明 ∑n=1∞12n(1+1n)n2 发散

Proof

limn→∞ann=limn→∞12(1+1n)n=e2>1

根据Cauchy:发散

d'Alembert判别法 / 比值判别法

Theorem

若正项级数 ∑n=1∞an 满足

  1. an+1an≤q<1, 则 ∑n=1∞an 收敛
  2. an+1an≥1, 则 ∑n=1∞an 发散
  3. limn→∞an+1an=q, 则
    • 当 q<1 时, ∑n=1∞an 收敛;
    • 当 q>1 时, ∑n=1∞an 发散;
    • 当 q=1 时, 判别法失效

Proof

(1)由条件: an+1≤qan≤q2an−1≤…≤qna1

且 ∑n=1∞a1qn 收敛

故 ∑n=1∞an 收敛

(2)由条件: an+1⩾an⩾…⩾a1
知: an↛0

(3)...

Example

例10 讨论 ∑n=1∞n!nnxn(x≥0) 的敛散性

Proof

an+1an=(n+1)!xn+1(n+1)n+1nnn!xn=nn(n+1)nx=x(1+1n)n⟶n→∞xe

(1) x<e 时: 收敛
(2) x>e 时: 发散
(3) x=e 时:

 原式 =e(1+1n)n>1

由比值法 (2): 发散

积分判别法

积分判别法

若非负函数 f 在 [1,+∞) 上单减, 则级数

Proof

../res/Pasted image 20231221083600.png

Example

例11 讨论 ∑n=2∞1n(ln⁡n)α 的敛散性

Solution

f(x):=1x(ln⁡x)α(x⩾2) 则 f 非负递减,且

∫2+∞f(x)dx=∫2+∞dxx(ln⁡x)α={ln⁡1−α1−α|2+∞,α≠1ln⁡ln⁡x|2+∞,α=1={ln1−α⁡2α−1,α>1+∞,α≤1

Note: Δα=1 时, ∑n=2∞1nln⁡n 发散 

补充:比值判别法2

Theorem

设 an>0,bn>0 ,且

an+1an⩽bn+1bn

则

  1. ∑n=1∞bn 收敛 ⇒∑n=1∞an 收敛
  2. ∑n=1∞an 发散 ⇒∑n=1∞bn 发散

Proof

叠乘:

anan−1⋅an−1an−2⋯a2a1⩽bnbn−1⋅bn−1bn−2⋯b2b1⇒an⩽a1b1bn

再由比判可证

Raabe 判别法

设 an>0, 且

limn→∞n(anan+1−1)=α

若 α>1, 则 ∑n=1∞an 收敛; 若 α<1, 则 ∑n=1∞an 发散

Proof

an+1an⩽1(n+1)p1np⇔anan+1⩾(1+1n)p⇔n(anan+1−1)⩾(1+1n)p−11n(→p(n→∞))

当 α>1 时,取 p∈(1,α)

limn→∞n(anann−1)=α>p=limn→∞(1+1n)p−11n

由不等式性:

n(anann−1)>(1+1n)p−11n⇒an+1an≤1(n+1)p1np⇒ 比判二 ∑n=1∞an 收敛 

当 a<1 时 ∃N∈N∀n>N

n(anan+1−1)<1⇒an+1an>1n+11n⇒ 比判二 ∑n=1∞an 发散 
Example

例12 设 α,β,γ,x>0, 讨论超几何级数

F(α,β,γ,x)=1+∑n=1∞α(α+1)⋯(α+n−1)β(β+1)⋯(β+n−1)n!γ(γ+1)⋯(γ+n−1)χn

的敛散性

Solution

an+1an=α(α+1)⋯(α+n)β(β+1)⋯(β+n)⋅xn+1⋅n!γ(γ+1)(γ+n−1)n!γ(γ+1)⋯(γ+n)⋅xn⋅α(α+1)⋯(α+n−1)β(β+1)⋯(β+n−1)=(α+n)(β+n)(n+1)(γ+n)→n→+∞x

故

当 0<x<1 时, 原级数收敛

当 x>1 时, 原级数发散

当 x=1 时, 考虑 #Raabe判别法

an+1an=(α+n)(β+n)(n+1)(γ+n)

故

n(αnαn+1−1)=n((n+1)(γ+n)(α+n)(β+n)−1)=n(1+γ−α−β)n+γ−αβ(α+n)(β+n)⟶n→∞1+γ−α−β

从而当 1+γ−α−β>1 即 α+β<γ 时,原级数收敛

当 α+β>γ 时原级数发散

当 α+β=γ 时,运用高斯判别法

三、一般级数的收敛性及判别法

交错级数

Definition

正负项相间的级数称为 #交错级数, 其形式为

∑n=1∞(−1)n−1an 或 ∑n=1∞(−1)nan (其中 an>0 ) 

Leibniz 判别法

若交错级数 ∑n=1∞(−1)n−1an 满足

 (1) an+1≤an, (2) limn→∞an=0

则 ∑n=1∞(−1)n−1an 收敛, 且

0≤∑k=1∞(−1)k−1ak≤a1

Proof

 设 Sn=∑k=1n(−1)k−1ak,N1S2n=(a1−a2)+(a3−a4)+…+(a2n−1−a2n)⩾S2n−2=S2(n−1)

即 {S2n} 单增, 且

S2n=a1−a2+a3−⋯+a2n−1−a2n=a1−(a2−a3)−…−(a2n−2−a2n−1)−a2n≤a1

即 {s2n} 有上界 a1

故 {S2n} 收敛,记 limn→∞S2n:S≤a1 且 S⩾0

 又 S2n−1=S2n+a2n→∞S+0=S

从而 limn→∞Sn=S

绝对收敛/条件收敛

绝对收敛

若 ∑n=1∞|an| 收敛, 则称 ∑n=1∞an #绝对收敛

条件收敛

若 ∑n=1∞an 收敛, 而 ∑n=1∞|an| 发散, 则称 ∑n=1∞an #条件收敛

Proposition

若 ∑n=1∞|an| 收敛, 则级数 ∑n=1∞an 收敛

Proof

由 ∑n=1∞|an| 收敛 Cauchy 准则
∀ε>0,∃N∈N,∀n≥N,∀P∈N

∑k=n+1n+p|ak|<ε⇒|∑k=n+1n1pak|⩽∑k=n+1n1p|ak|<ε

传递性

Question

若 ∑n=1∞an 绝对收敛, ∑n=1∞bn 条件收敛, 问

∑n=1∞(an+bn) 是绝对收敛还是条件收敛? 为什么?

条件收敛

Proof

∑n=1∞an 收敛, ∑n=1∞bn 收敛

⟹ 线性 ∑n=1∞(an+bn) 收敛

由 |an+bn|⩾|bn|⋅|an| ,

其中 ∑|an| 收敛, ∑|bn| 发散

⇒∑n=1∞(|bn|−|an|)发散

进而 ∑n=1∞||bn|−|an|| 发散

⇒ 比判 ∑n=1∞|an+bn| 发散

条±条 ⟶ 条/绝

Example

例13 判断 ∑n=1∞sin⁡(πn2+1) 的敛散性.

Analysis

申必的交错级数

Solution

an=sin⁡(πn2+1)=sin⁡[π(n2+1−n)+nπ]=(−1)nsin⁡(πn2+1−n)=(−1)nsin⁡πn2+1+n

非常隐秘的交错级数!

其中: {sin⁡πn2+1+n}↓⟶0⇒L−判 原级数收敛

又 |an|=sin⁡πn2+1+n∼π2n: 调和 ⇒ 发散

⇒∑n=1∞|an| 发散

∴ 原级数条件收敛

Question

判断 若 limn→∞anbn=1, 则 ∑n=1∞an 与 ∑n=0∞bn 同收敛

错误

反例:

 令 an=1n+(−1)nn,bn=(−n)nn

则 anbn=(−1)nn+1⟶n→∞1

但 ∑n=1∞an 发散,

∑n=1∞bn 收敛(L-判)

正部、负部

设有一般级数 ∑n=1∞an, 称

an+=|an|+an2 和 an−=|an|−an2

为 an 的正部和负部.

an+={an,an≥00,an<0, an−={0,an≥0−an,an<0

由此可得到

简单事实

an=an+−an−, |an|=an++an−

Proposition

若 ∑n=1∞an 绝对收敛, 则 ∑n=1∞an+和 ∑n=1∞an−都收敛;

若 ∑n=1∞an 条件收敛, 则 ∑n=1∞an+和 ∑n=1∞an−都发散至 +∞.

1)
∵0≤an+,an−≤|an| 因 ∑n=1∞|an| 收敛 

⟹ 比判 ∑n=1∞an+,∑n=1∞an−收敛

2)
∵∑n=1∞an 条件收敛

⇒∑n=1∞an 收敛, ∑n=1∞|an|=+∞

⟹ 线性 ∑n=1∞an+=∑n=1∞|an|+an2=+∞

收敛级数的交换律

Question

收敛级数具有结合律, 但是否有交换律?

Example

例14 已知 ∑n=1∞(−1)n−1n=ln⁡2, 考虑级数

∑n=1∞an=1−12−14+13−16−18+⋯+12n−1−14n−2−14n+⋯

(更序)

证明:

∑n=1∞an=12ln⁡2.

证:设 Sn:∑k=1nak ,而 ∑n=1∞(−1)n−1n 前 n 项和为 In

由于规律, 考虑3 个一组, 则

S3n=∑k=1n(12k−1−14k−2−14k)=∑k=1n(14k−2−14k)=12∑k=1n(12k−1−12k)=12T2n→12ln⁡2 又 ∵S3n−1=S3n+14n→12ln⁡2S3n−2=S3n−2=S3n+14n−2+14n→12ln⁡2∴Sn→12ln2
Theorem

设 ∑n=1∞an 绝对收敛, 则任意改变求和顺序所得新级数也绝对收敛, 且和不变.

Proof

设 ∑n=1∞an=S,∑n=1∞an+=S+,∑n=1∞an−=S−

更序级数 ∑n=1∞an′, 则有

∑n=1∞an′+=∑n=1∞(an)′,∑n=1∞an′−=∑n=1∞(an−)′

注: 例如: S=1−122+132−142+152+⋯

S+=1+0+132+0+152+S−=0+122+0+142+s2+.S′=−122+1+132+152−142+⋯S′+=0+1+132+152+0+. S′−=12+0+0+0+14+. 

由于 ∑n=1∞an+=∑n=1∞an+:s+,∑n=1∞an′=S−

故 ∑n=1∞|an′|=∑n=1∞(an′++an′′) 收敛

且 ∑n=1∞an′=∑n=1∞(an′t−an′)=S+−S−=S

Riemann 重排定理

设 ∑n=1∞an 条件收敛, 则对 ∀A∈[−∞,+∞]存在改变求和顺序的新级数使之趋于 A

Abel 变换 / 分部求和公式

设有 {an},{bn}, 记 Ak=a1+a2+…+ak, 则

∑k=1nakbk=Anbn+∑k=1n−1Ak(bk−bk+1)

Proof

 记 A0=0, 则 ak=Ak−Ak−1(k=1,2,…,n)⇒∑k=1nakbk=∑k=1n(Ak−Ak−1)bk=∑k=1nAkbk−∑k=1nAk−1bk=∑k=1nAkbk−∑k−1nAkbk+1⏟k=0又A0=0=Anbn+∑k=1n−1(bk−bk+1)

Abel 引理

设 {bn} 单调, 若 |Ak|≤M, 则

|∑k=1nakbk|≤M(|b1|+2|bn|)

Proof

由分部求和公式得

|∑k=1nakbk|=|∑k=1n−1Ak(bk−bk+1)+Anbn|⩽∑k=1n−1|Ak||bk−bk+1|+|An||bn|⩽M(∑k=1n−1|bk−bk+1|⏟单调+|bn|)=M(|∑k=1n−1(bk−bk+1)|+|bn|)=M(|b1−bn|+|bn|)⩽M(|b1|+2|bn|).

A-D判别法

设 {an},{bn}, 满足下两条件之一: 则 ∑n=1∞anbn 收敛.

(Abel) {bn} 单调有界, ∑n=1∞an 收敛;

(Dirichlet) {bn} 单调趋于 0,∑n=1∞an 的部分和有界.

Analysis

|∑k=n+1n+pakbk|=|∑k=1nan+kbn+k⏟单调 |⩽?(|bn+1|+2|bn+p|⏟3M)… Abel lemma  其中 |Ak|=|∑i=1kan+i|<?→ε/3M

Proof

设 |bn|≤M 又 ∑n=1∞an 收敛知:
∀ε>0,∃N∈N,∀n>N,∀k∈N

|Ak|= def |∑i=1kan+i|<ε3M

故 ∀p∈N

|∑k=n+1n+pakbk|⩽ε3M(|bn+1|+2|bn+p|)⩽ε3M⋅3M=ε
Example

例15 证明 ∑n=1∞sin⁡nn 条件收敛.

Tips

#数项级数/三角凑项

Proof

 今 an=sin⁡nbn=1n 则 {bn}↓ 且 bn→n→∞0 令 Sn=∑k=1nsin⁡k

证明 sin⁡k 收敛: 积化和差

Sn=12sin⁡12∑k=1n2sin⁡ksin⁡12⏟凑项:2倍公差的一半 =12sin⁡12∑k=1n(cos⁡(k−12)−cos⁡(k+12))

故 |Sn|⩽1sin⁡12⟹D− 判 ∑n=1∞sin⁡nn 收敛

其次 |sin⁡n|n⩾sin2⁡nn…|sin⁡n|⩽1

=1−cos⁡2n2n⋯=12n⏟调和发散 −cos⁡2n2n⏟|Sn|=|∑cos⁡2k|≤⋯≤ ? 乘 2sin⁡1

故 ∑sin2⁡nn 发散

→t―― 判 ∑sin⁡nn 发散

⇒∑sin⁡nn 条件收敛

Example

例16 讨论 ∑n=1∞cos⁡nxn 的敛散性

Solution

当 x=2nπ 时,原级数为调和级数: 发散

当 x≠2nπ 时

 令 bn=1n⇒{bn}↓→0an=cos⁡nx, 且 Sn=∑k=1ncos⁡kx=12sin⁡x2∑k=1n2cos⁡kxsin⁡x2=12sin⁡x2∑k=1n(sin⁡(k+12)−sin⁡(k−12))=12sin⁡x2(sin⁡(n+12)x−sin⁡x2)⇒|Sn|⩽1|sin⁡x2|⟹D−v1∑n=1∞cos⁡nxn

Addition

若讨论是否条件收敛: cos2⁡nx

四、级数的乘积

熟知

(∑i=1mai)(∑j=1nbj)=∑i=1m∑j=inaibj⏟是否想等存疑=∑1≤i≤m,1≤j≤naibj… 更序后结果可能不同 

因此写成数阵:

b1 b2 b3 ⋯ bn ⋯
a1 a1b1 a1b2 a1b3 ⋯ a1bn ⋯
a2 a2b1 a2b2 a2b3 ⋯ a2bn ⋯
a3 a3b1 a3b2 a3b3 ⋯ a3bn ⋯
⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ ⋯
an anb1 anb2 anb3 ⋯ anbn ⋯
⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋱

Cauchy 乘积

记 cn=∑k=1nakbn+1−k, 则称 ∑n=1∞cn 为 ∑n=1∞an 和 ∑n=1∞bn的对角线乘积(或 Cauchy 乘积)

Example

例17 考察 ∑n=1∞(−1)n−1n 与自己的 Cauchy 乘积

Analysis

根号趋于0:L-判

通项加绝对值:发散 (p=12)

Solution

Cn=∑i+j=n+1(−1)i−1i(−1)j−1j=∑i+j=n+1(−1)n−1ij⇒|Cn|=∑i+j=n+11ij⩾∑i+j=n+12i+j=∑i+j=n+12n+1=2nn+1⩾1

发散
⇒ 两个条收 ⇏ 收

Mertens 定理

设 ∑n=1∞an=A,∑n=1∞bn=B 且至少其一绝对收敛, 则它们的Cauchy乘积收敛, 且 ∑n=1∞cn=AB

Analysis

An:=∑k=1nak→A,Bn:=∑k=1nbk→B(n→∞) 且 ∑k=1n|ak|=M1, 则 ck=a1bk+a2bk−1+…+ak−1b2+akb1∴Cn=∑k=1nck=a1Bn+a2Bn−1+…+an−1B2+anB1⏟上三角元素加完: 有限 ⇒ 交换 ⇒ 按行加 |Cn|=|∑k=1nck|=|a1Bn+a2Bn−1+…+an−1B2+anB1|{an 下标大:收敛: 小 ⇒anB∗ 小. Bn 下标大: Bn小⇒a∗Bn小⇒|Cn|=|a1Bn+a2Bn−1+…+aN1Bn−N1+1+aN1+1Bn−N1+…+an−1B2+anB1|⩽|a1Bn+a2Bn−1+…+aN1Bn−N+1+1|+|aN1+1Bn−N1+…+an−1B2+anB1|⩽|a1Bn|+|a2Bn−1|+…+|aN1Bn−N1+1|+|aN1+1Bn−N1|+…+|an−1B2|+|anB1|<ε2M1(|a1|+|a2|+…+|aN1|)+M2⏟Bn 的界 (|aN1+1|+…+|an−1|+|an|)<ε2M1⋅M1+M2⋅ε2M2

Proof

先证 B=0 的情形

即 Bn→0 故可设 |Bn|≤M2

∀ε>0 ,由 ∑n=1∞|an| 收敛: ∃N1∈N,∀n>N1, 有 ∑k=N1+1n|ak|<ε2M2

又 limn→∞Bn=0 对上述 ε>0,∃N2∈N,∀k>N2, 有 |Bk|<ε2M1

令 N=N1+N2−1⇒∀n>N, 有 n+1−N1>N2, 故

|Cn|⩽…⩽ε2M1⋅M1+M2ε2M2=ε

再证 β≠0 的情形:

令 βn=βn−B→0 则 βn=B+βn

Cn=a1(B+βn)+a2(B+βn−1)+…+an−1(B+β2)+an(B+β1)=B(a1+a2+⋯+an)+(a1βn+a2βn−1+…+anβ1)⟶→∞B⋅A+0=AB
Example

例18 已知 ∑n=1∞1n2=π26, 令 Bn=π2−arctan⁡n

(1) 证明:

limn→∞(Bn+122Bn−1+⋯+1n2B1)=0

(2) 求极限:

limn→∞(arctan⁡n+122arctan⁡(n−1)+⋯+1n2arctan⁡1)

Solution

(1) 令 an=1n2⇒∑n=1∞|an|=x26 且 Bn→0
故 Cn=1⋅Bn+12Bn−1+⋯+1n2B1→n→∞0
Bn 为 ∑bn 的部分和 (bn=Bn−Bn−1)
Cn为C乘积部分和
(2) 由、有:

(π2−arctan⁡n)+122(π2−arctan⁡(n−1))+⋯+1n2(π2−arctan⁡1)=π2(1+122+⋯+1n2)−(arctan⁡n+122arctan⁡(n−1)+⋯+1n2arctan⁡1)

故原极限 =π2×π26=π312

( 或令 bn=arctan⁡n⇒Cn→A⋅B)

Abel 定理

Abel定理

设 ∑n=1∞an=A,∑n=1∞bn=B. 若它们的 Cauchy 乘积收敛, 且 ∑n=1∞cn=C, 则 C=AB

Solution

由于 Cn=∑k=1nck=a1Bn+a2Bn−1+⋯+anB1

从而: 画出数阵

C1+C2+…+Cn=A1Bn+A2Bn−1+…+An−1B2+AnB1

同除n:

C1+C2+⋯+Cnn=A1Bn+A2Bn−1+…+An−1B2+AnB1n
Example

若liman=a, limbn=b,
试证明: lima1bn+a2bn−1+⋯+anb1n=ab


#极限与无穷小的转化 + #Cauchy第一定理
证:

e812811aa353ae5d66ae80cd14f5c285.jpeg

⇒ Cauchy.I ,例23C=limn→∞C1+C2+⋯+Cn2=limn→∞A1Bn+⋯+AnB1n=AB

五、无穷乘积*

设有非零数列 {pn}, 称

∏n=1∞pn=p1p2⋯pk⋯

为无穷乘积. 记部分乘积

Pn=∏k=1npk=p1p2⋯pn
必要条件

若 ∏n=1∞pn 收敛, 则有 limn→∞pn=1

充要条件

无穷乘积 ∏n=1∞(1+an) 收敛 ⇔∑n=1∞ln⁡(1+an) 收敛.

∏n=1∞(1+an)=e∑n=1∞ln⁡(1+an)

Proof

∑iPn=∏k=1n(1+ak)Sn=∑k=1nln⁡(1+ak) 则 ln⁡Pn=Sn 即 Pn=eSn 若 limn→∞Pn=p≠0 则 limn→∞Sn=ln⁡P 若 limn→∞Sn=S 则 limn→∞Pn=eS≠0⇒P=s