高等数学——无穷级数

1. 常数项级数

1.1 定义

一般的,如果给定一个数列
\mu_1, \mu_2, \mu_3, \cdots ,\mu_n, \cdots ,
则由这数列构成的表达式
\mu_1 + \mu_2 + \mu_3 + \cdots + \mu_n + \cdots \tag{1}
叫做(常数项)无穷级数,简称(常数项)级数,记为 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n,即
\sum_{n=1}^{\infty }\mu_n = \mu_1 + \mu_2 + \mu_3 + \cdots + \mu_n + \cdots
其中第 n\mu_n 叫做级数的一般项。

1.2 收敛与发散

作(常数项)级数 (1) 的前 n 项的和
s_n = \mu_1 + \mu_2 + \cdots + \mu_n = \sum_{i=1}^{n}\mu_i
s_n 称为级数 (1) 的部分和,当 n 依次取 1,2,3,\cdots 时,它们构成一个新的数列
s_1 = \mu_1, s_2 = \mu_1 + \mu_2, s_3 = \mu_1 + \mu_2 + \mu_3, \cdots, s_n = \mu_1 + \mu_2 + \cdots + \mu_n , \cdots

如果级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n的部分和数列 \{s_n\} 有极限 s,即
\lim_{n\rightarrow \infty }s_n = s
称无穷级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 收敛,这时极限 s 叫做这级数的和,并写成
s = \mu_1 + \mu_2 + \cdots + \mu_n + \cdots
如果 \{s_n\} 没有极限,则称无穷级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 发散。

显然当级数收敛时,其部分和 s_n 是级数的和 s 的近似值,它们之间的差值
r_n = s - s_n = \mu_{n+1} + \mu_{n+2} + \cdots
叫做级数的余项,用近似值 s_n 代替和 s 所产生的误差是这个余项的绝对值,即误差是 |r_n|

1.3 收敛级数的基本性质

性质 1     如果级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 收敛于和 s,则级数 \sum_{n=1}^{\infty }k \mu_n 也收敛,且其和为 ks
结论:级数的每一项同乘以一个常数后,它的收敛性不会改变。

性质 2     如果级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n\sum_{n=1}^{\infty }\nu_n收敛于 s\sigma,则级数 \sum_{n=1}^{\infty }(\mu_n \pm \nu_n)也收敛,且其和为 s \pm \sigma
结论:两个收敛级数可以逐项相加与逐项相减。

性质 3     在级数中去掉、加上或改变有限项,不会改变级数的收敛性。

性质 4     如果级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 收敛,则对这级数的项任意加括号后所成的级数
(\mu_1, \cdots, \mu_{n_{1}}) + (\mu_{n_{1}+1}, \cdots, \mu_{n_{2}}) + \cdots + (\mu_{n_{k-1}}, \cdots, \mu_{n_{k}}) + \cdots
仍收敛,且其和不变。

推论     如果加括号后所成的级数发散,则原来级数也发散。

性质 5(级数收敛的必要条件)     如果级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 收敛,则它的一般项 \mu_n 趋于零,即
\lim_{n\rightarrow \infty }\mu_n = 0

柯西审敛原理     级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 收敛的充分必要条件为:对于任意给定的正数 \epsilon,总存在正整数 N,使得当 n > N 时,对于任意的正整数 p,都有
|\mu_{n+1} +\mu_{n+2} + \cdots + \mu_{n+p} | < \epsilon

1.4 常数项级数的审敛法

定理 1     正向级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 收敛的充分必要条件是:它的部分和数列 \{s_n\} 有界(各项均为正数或零的级数称为正向级数)。
<br />
定理 2(比较审敛法)     设 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n\sum_{n=1}^{\infty }\nu_n 都是正向级数,且 \mu_n \leqslant \nu_n(n = 1, 2, \cdots ),若级数 \sum_{n=1}^{\infty }\nu_n 收敛,则级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 收敛,若级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 发散,则级数 \sum_{n=1}^{\infty }\nu_n 发散。
<br />
推论     设 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n\sum_{n=1}^{\infty }\nu_n 都是正向级数,如果级数 \sum_{n=1}^{\infty }\nu_n 收敛,且存在正整数 N,使当 n\geqslant N 时有 \mu_n \leqslant k\nu_n(k > 0 ) 成立,则级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 收敛;如果级数 \sum_{n=1}^{\infty }\nu_n 发散,且当 n\geqslant N 时有 \mu_n \geqslant k\nu_n(k > 0 ) 成立,则级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 发散。
<br />
定理 3(比较审敛法的极限形式)     设 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n\sum_{n=1}^{\infty }\nu_n 都是正向级数,
(1) 如果\lim_{n\rightarrow \infty }\frac{\mu_n}{\nu_n} = l\,\,\,(0\leqslant l < \infty ),且级数 \sum_{n=1}^{\infty }\nu_n 收敛,则级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 收敛;
(2) 如果\lim_{n\rightarrow \infty }\frac{\mu_n}{\nu_n} = l > 0\lim_{n\rightarrow \infty }\frac{\mu_n}{\nu_n} = + \infty,且级数 \sum_{n=1}^{\infty }\nu_n 发散,则级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 发散。
<br />
定理 4(比值审敛法 达朗贝尔判别法)     设 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 为正向级数,如果
\lim_{n\rightarrow \infty }\frac{\mu_{n+1}}{\mu_n} = \rho
则当 \rho<1 时级数收敛, \rho>1(或 \lim_{n\rightarrow \infty }\frac{\mu_{n+1}}{\mu_n} = \infty) 时级数发散, \rho=1 时级数可能收敛也可能发散。
<br />
定理 5(根值审敛法 柯西判别法)     设 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 为正向级数,如果
\lim_{n\rightarrow \infty }\sqrt[n]{\mu_n} = \rho
则当 \rho<1 时级数收敛, \rho>1(或\lim_{n\rightarrow \infty }\sqrt[n]{\mu_n} = \rho) 时级数发散, \rho=1 时级数可能收敛也可能发散。
<br />
定理 6(极限审敛法)     设 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 为正向级数,
(1) 如果 \lim_{n\rightarrow \infty }n \mu_n = l > 0(或 \lim_{n\rightarrow \infty }n \mu_n = +\infty),则级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 发散。
(2) 如果 p > 1,而 \lim_{n\rightarrow \infty }n^p \mu_n = l\,\, (0 \leqslant l < +\infty),则级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 收敛。
<br />
定理 7(莱布尼茨定理)     如果交错级数 \sum_{n=1}^{\infty }(-1)^{n-1}\mu_n 满足条件:
(1) \mu_n \geqslant \mu_{n+1}\quad (n=1, 2, 3, \cdots)
(2) \lim_{n\rightarrow \infty }\mu_n = 0
则级数收敛,且其和 s \leqslant \mu_1,其余项 r_n 的绝对值 |r_n| \leqslant \mu_{n+1}
(交错级数的各项是正负交错的)
<br />
绝对收敛与条件收敛     如果级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 各项的绝对值所构成的正向级数 \sum_{n=1}^{\infty }|\mu_n| 收敛,则称级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 绝对收敛;如果级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 收敛,而级数 \sum_{n=1}^{\infty }|\mu_n| 发散,则称级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 条件收敛。
<br />
定理 8     级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 绝对收敛,则级数 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n 必定收敛。
<br />
定理 9     绝对收敛级数经改变项的位置后构成的级数也收敛,且与原级数有相同的和(即绝对收敛级数具有可交换性)。
<br />
定理 10(绝对收敛级数的乘法)     设 \sum_{n=1}^{\infty }\mu_n\sum_{n=1}^{\infty }\nu_n 都绝对收敛,其和分别为 s\sigma,则它们的柯西乘积
\mu_1 \nu_1 + (\mu_1 \nu_2 + \mu_2 \nu_1) + \cdots + (\mu_1 \nu_n + \mu_2 \nu_{n-1}+ \cdots + \mu_n \nu_1) + \cdots
也是绝对收敛的,且其和为 s \cdot\sigma

2. 幂级数

2.1 函数项级数

如果给定一个定义在区间 I 上的一个函数列
\mu_1(x), \mu_2(x), \mu_3(x), \cdots, \mu_n(x), \cdots
则由这函数列构成的表达式
\mu_1(x) + \mu_2(x) + \mu_3(x) + \cdots + \mu_n(x) + \cdots
称为定义在区间 I 上的(函数项)无穷级数,简称(函数项)级数。

在收敛域上,函数项级数的和是 x 的函数 s(x),称 s(x) 为函数项级数的和函数,并写成
s(x) = \mu_1(x) + \mu_2(x) + \mu_3(x) + \cdots + \mu_n(x) + \cdots

2.2 幂级数及其收敛性

各项都是幂函数的函数项级数称为幂级数,它的形式是
\sum_{n=0}^{\infty }a_nx^n = a_0 + a_1x + a_2x^2 + \cdots + a_nx^n + \cdots
其中常数 a_0, a_1, a_2, \cdots, a_n, \cdots 叫做幂级数的系数。

定理 1     如果幂级数 \sum_{n=0}^{\infty }a_nx^nx = x_0(x_0 \neq 0) 时收敛,则适合不等式 |x| < |x_0| 的一切 x 使这幂级数绝对收敛。反之,如果级数 \sum_{n=0}^{\infty }a_nx^nx = x_0 时发散,则适合不等式 |x| > |x_0| 的一切 x 使这幂级数发散。

推论     如果幂级数 \sum_{n=0}^{\infty }a_nx^n 不是仅在 x = 0 一点收敛,也不是在整个数轴上都收敛,则必有一个确定的 R 存在,使得
|x| < R 时,幂级数绝对收敛;
|x| > R 时,幂级数发散;
|x| = \pm R 时,幂级数可能收敛也可能发散。
正数 R 通常叫做幂级数的收敛半径,开区间 (-R, R) 叫做幂级数的收敛区间。

定理 2     如果
\lim_{n\rightarrow \infty }|\frac{a_{n+1}}{a_n}| = \rho
其中 a_na_{n+1} 是幂级数 \sum_{n=0}^{\infty }a_nx^n 相邻两项的系数,则这幂级数的收敛半径
R = \left\{\begin{matrix} \frac{1}{\rho },\quad \rho \neq 0\\ +\infty ,\quad \rho = 0\\ 0, \quad \rho = +\infty \end{matrix}\right.

2.3 幂级数和函数性质

性质 1     幂级数 \sum_{n=0}^{\infty }a_nx^n 的和函数 s(x) 在其收敛域 I 上连续。

性质 2     幂级数 \sum_{n=0}^{\infty }a_nx^n 的和函数 s(x) 在其收敛域 I 上可积,并有逐项积分公式
\int_{0}^{x} s(x)dx = \int_{0}^{x}[\sum_{n=0}^{\infty }a_nx^n]dx = \sum_{n=0}^{\infty }\int_{0}^{x}a_nx^ndx = \sum_{n=0}^{\infty }\frac{a_n}{n+1}x^{n+1}\quad (x \in I)
逐项积分后所得到的幂级数和原级数有相同的收敛半径。

性质 3     幂级数 \sum_{n=0}^{\infty }a_nx^n 的和函数 s(x) 在其收敛区间 (-R, R) 上可导,并有逐项求导公式
s'(x) = (\sum_{n=0}^{\infty }a_nx^n)' = \sum_{n=0}^{\infty }(a_nx^n)' = \sum_{n=0}^{\infty }na_nx^{n-1}\,\,(|x| < R)
逐项求导后所得到的幂级数和原级数有相同的收敛半径。

2.3 函数展开成幂级数

假设函数 f(x) 在点 x_0 的领域 U(x_0) 内能展开成幂级数,即有
f(x) = a_0 + a_1(x-x_0) + a_2(x-x_0)^2 + \cdots + a_n(x-x_0)^n + \cdots,x\in U(x_0) \tag{1}
根据和函数的性质可知, f(x)U(x_0) 内具有任意阶导数,且
f^{(n)}(x) = n!a_n + (n+1)!a_{n+1}(x-x_0) + \frac{(n+2)!}{2!}(x-x_0)^2 + \cdots,
由此可得 f^{(n)}(x_0) = n!a_n
于是 a_n = \frac{1}{n!}f^{(n)}(x_0)\quad (n = 0, 1, 2, \cdots) \tag{2}
这就说明,如果函数 f(x) 有幂级数展开式 (1),那么该幂级数的系数 a_n 由公式 (2) 确定,即该幂级数必为
f(x_0) + f'(x_0)(x-x_0) + \cdots + \frac{1}{n!}f^{(n)}(x_0)(x-x_0)^n + \cdots \\=\sum_{n=0}^{\infty } \frac{1}{n!}f^{(n)}(x_0)(x-x_0)^n \tag{3}
而展开式必为
f(x) = \sum_{n=0}^{\infty } \frac{1}{n!}f^{(n)}(x_0)(x-x_0)^n,\quad x \in U(x_0) \tag{4}
幂级数 (3) 叫做函数 f(x) 在点 x_0 处的泰勒级数,展开式 (4) 叫做函数 f(x) 在点 x_0 处的泰勒展开式。

定理     设函数 f(x) 在点 x_0 的领域 U(x_0) 内具有各阶导数,则 f(x) 在该领域内能展开成泰勒级数的充分必要条件是在该邻域内 f(x) 的泰勒公式中的余项 R_n(x)n\rightarrow \infty 的极限为零,即
\lim_{n\rightarrow \infty }R_n(x) = 0, x \in U(x_0)

x_0 = 0 时,在 (3) 式中,取 x_0=0,得
f(0) + f'(0)x + \cdots + \frac{1}{n!}f^{(n)}(0)x^n + \cdots = \sum_{n=0}^{\infty }\frac{1}{n!}f^{(n)}(0)x^n \tag{5}
级数 (5) 称为函数 f(x) 的麦克劳林级数,如果 f(x) 能在 (-r, r) 内展开成 x 的幂级数,则有
f(x) = \sum_{n=0}^{\infty }\frac{1}{n!}f^{(n)}(0)x^n \tag{6}
(6) 式称为函数 f(x) 的麦克劳林展开式。

常用的幂级数展开式
e^x = \sum_{n=0}^{\infty }\frac{1}{n!}x^n\quad(-\infty <x<+\infty ) \tag{7}
sin\,x = \sum_{k=0}^{\infty }\frac{(-1)^k}{(2k+1)!}x^{2k+1}\quad(-\infty <x<+\infty ) \tag{8}
\frac{1}{1+x} = \sum_{n=0}^{\infty }(-1)^nx^{n}\quad(-1 <x<1 ) \tag{9}
(9) 式两边从 0x 积分,可得
ln(1+x) = \sum_{n=0}^{\infty }\frac{(-1)^n}{n+1}x^{n+1} = \sum_{n=1}^{\infty }\frac{(-1)^{n-1}}{n+1}x^{n}\quad(-1 <x\leqslant 1 ) \tag{10}
(8) 式两边求导,即得
cos\,x = \sum_{n=0}^{\infty }\frac{(-1)^k}{(2k)!}x^{2k}\quad(-\infty <x<+\infty ) \tag{11}
(7) 式中 x 换成 xlna,可得
a^x = e^{xlna} = \sum_{n=0}^{\infty }\frac{(lna)^n}{n!}x^{n}\quad(-\infty <x<+\infty ) \tag{12}
(9) 式中 x 换成 x^2,可得
\frac{1}{1+x^2} = \sum_{n=0}^{\infty }(-1)^nx^{2n}\quad(-1 <x<1 ) \tag{13}
对上式从0x 积分,可得
arc tan\,x= \sum_{n=0}^{\infty }\frac{(-1)^n}{2n+1}x^{2n+1}\quad(-1\leqslant x\leqslant 1)\tag{14}

二项展开式
(1+x)^m = 1 + mx + \frac{m(m-1)}{2!}x^2 + \cdots +\frac{m(m-1)\cdots (m-n+1)}{n!}x^n + \cdots, (-1 <x<1 )

3. 傅里叶级数

3.1 定义

f(x) 是周期为 2\pi 的周期函数,且能开展称三角级数
f(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty }(a_n\,cos\,nx + b_n\,sin\,nx) \tag{1}
其中
\left\{\begin{matrix} a_n = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)cos\,nx dx\quad (n=0, 1, 2,\cdots)\\ b_n = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)sin\,nx dx\quad (n=1, 2, 3, \cdots) \end{matrix}\right. \tag{2}
如果 (1) 中的积分都存在,这时他们定出的系数 a_0, a_1, b_1, \cdots 叫做函数 f(x) 的傅里叶系数,将这些系数代入 (1) 式右端,所得的三角级数
f(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty }(a_n\,cos\,nx + b_n\,sin\,nx)
做函数 f(x) 的傅里叶级数。

f(x) 为奇函数时,f(x)cos\,nx 是奇函数,f(x)sin\,nx 是偶函数,故
\left\{\begin{matrix} a_n = 0\quad (n=0, 1, 2,\cdots)\\ b_n = \frac{2}{\pi}\int_{0}^{\pi}f(x)sin\,nx dx\quad (n=1, 2, 3, \cdots) \end{matrix}\right. \tag{3}
即奇函数的傅里叶级数是只含有正弦项的正弦级数 \sum_{n=1}^{\infty }b_n\,sin\,nx \tag{4}

f(x) 为偶函数时,f(x)cos\,nx 是偶函数,f(x)sin\,nx 是奇函数,故
\left\{\begin{matrix} a_n = \frac{2}{\pi}\int_{0}^{\pi}f(x)cos\,nx dx\quad (n=0, 1, 2,\cdots)\\ b_n = 0\quad (n=1, 2, 3, \cdots) \end{matrix}\right. \tag{5}
即偶函数的傅里叶级数是只含有余弦项的余弦级数 \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty }a_n\,cos\,nx \tag{6}

定理(收敛定理,狄利克雷充分条件)     设 f(x) 是周期为 2\pi 的周期函数,如果它满足
(1) 在一个周期内连续或只有有限个第一类间断点,
(2) 在一个周期内至多只有有限个极值点,
f(x) 的傅里叶级数收敛,并且
(1) 当 xf(x) 的连续点时,级数收敛于 f(x)
(2) 当 xf(x) 的间断点时,级数收敛于 \frac{1}{2}[f(x^-) + f(x^+)]

3.2 一般周期的傅里叶级数

定理     设周期为 2l 的周期函数 f(x) 满足收敛定理的条件,则它的傅里叶级数展开式为
f(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty }(a_n\,cos\,\frac{n \pi x}{l} + b_n\,sin\,\frac{n \pi x}{l}) \quad (x \in C) \tag{7}
其中
\left\{\begin{matrix} a_n = \frac{1}{l}\int_{-l}^{l}f(x)cos\,\frac{n \pi x}{l} dx\quad (n=0, 1, 2,\cdots)\\ b_n = \frac{1}{l}\int_{-l}^{l}f(x)sin\,\frac{n \pi x}{l} dx\quad (n=1, 2, 3, \cdots) \end{matrix}\right. \tag{8}
C = \{ x|f(x) = \frac{1}{2}[f(x^-) + f(x^+)]\}

f(x) 为奇函数时
f(x) = \sum_{n=1}^{\infty }b_n\,sin\,\frac{n \pi x}{l} \quad (x \in C) \tag{9}
其中
b_n = \frac{2}{l}\int_{0}^{l}f(x)sin\,\frac{n \pi x}{l} dx\quad (n=1, 2, 3, \cdots) \tag{10}

f(x) 为偶函数时
f(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty }a_n\,cos\,\frac{n \pi x}{l} \quad (x \in C) \tag{11}
其中
a_n = \frac{2}{l}\int_{0}^{l}f(x)cos\,\frac{n \pi x}{l} dx\quad (n=0, 1, 2,\cdots) \tag{12}

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