一、数项级数

1、性质

  • ∑n=1∞un收敛⇔lim⁡n→∞Sn存在\sum\limits_{n=1}^\infty u_n收敛 \Leftrightarrow \lim\limits_{n\to\infty}S_n存在(充要条件)
  • ∑n=1∞un收敛⇒lim⁡n→∞un=0\sum\limits_{n=1}^\infty u_n收敛 \Rightarrow \lim\limits_{n\to\infty}u_n=0(必要条件)
  • 收敛,可以不看前有限项,因为前有限项是常数

2、正项级数(每一项都是正数)

  • Sn有界⇔∑n=1∞unS_n有界 \Leftrightarrow \sum\limits_{n=1}^\infty u_n

  • 比较判别法:对于n≥M时,有un≤vn对于n \geq M时,有u_n \leq v_n,

    • ∑n=1∞vn收敛⇒∑n=1∞un收敛\sum\limits_{n=1}^\infty v_n 收敛 \Rightarrow \sum\limits_{n=1}^\infty u_n收敛
    • ∑n=1∞un发散⇒∑n=1∞vn发散\sum\limits_{n=1}^\infty u_n 发散 \Rightarrow \sum\limits_{n=1}^\infty v_n 发散
  • 极限比较判别法:a=lim⁡n→∞unvna = \lim\limits_{n \to \infty} \frac{u_n}{v_n}

    • a=0a = 0:un≤vnu_n \leq v_n(剩下的看上一点)
    • a=∞a = \infty:un≥vnu_n \geq v_n(剩下的看上一点)
    • a=A≠0a = A\neq 0:un,vn同敛散u_n,v_n同敛散

    那么,如何选取另一个来比较呢?

    • 等比级数:∑n=1∞aqn−1{=a1−q,∣q∣<1发散,∣q∣≥1\sum\limits_{n=1}^\infty aq^{n-1} \begin{cases} = \frac{a}{1-q},& \left| q \right| < 1 \\ 发散, & \left| q \right| \geq 1 \end{cases}
    • p级数:∑n=1∞1np{收敛,p>1发散,p≤1\sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p} \begin{cases} 收敛, & p>1\\发散,&p\leq1 \end{cases}
    • 广义p级数:∑n=2∞1n(ln⁡n)p{收敛,p>1发散,p≤1\sum\limits_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n(\ln n)^p} \begin{cases}收敛,& p>1\\发散,& p\leq1\end{cases}
    • 交错p级数:∑n=1∞(−1)n−11np{绝对收敛,p>1条件收敛,0<p≤1\sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}\frac{1}{n^p} \begin{cases}绝对收敛,& p > 1 \\ 条件收敛,& 0<p\leq1 \end{cases}

    下面开始,都是跟自己比较:

  • 比值判别法(达朗贝尔)

    lim⁡n→∞un+1un=ρ{<1,收敛>1,发散=1,失效\lim\limits_{n \to \infty}\frac{u^{n+1}}{u^n} = \rho \begin{cases} <1,&收敛\\>1,&发散\\=1,&失效 \end{cases}

  • 根值判别法(柯西)

    lim⁡n→∞unn=ρ{<1,收敛>1,发散=1,失效\lim\limits_{n\to\infty}\sqrt[n]{u_n} = \rho \begin{cases} <1,&收敛\\>1,&发散\\=1,&失效 \end{cases}

  • 积分判别法(柯西)

    f(x)≥0,连续,x∈[1,+∞],un=f(n)f(x)\geq 0,连续,x\in\left[1,+\infty \right], u_n = f(n)

    ∑n=1∞un与∫1+∞f(x)dx敛散性相同\sum\limits_{n=1}^\infty u_n 与 \int_1^{+\infty}f(x)dx敛散性相同

    • 给出反常积分的判敛,与 自己 比较(要求积分区域只有一个瑕点)

      • 口诀:大的大、小的小、才收敛

        大(积分区间是∞\infty)的大(p>1p>1)

        小(积分区间是有限)的小(0<p<10<p<1)

      • 数学表述

        ∫ab1(x−a)pdx{收敛,p<1发散,p≥1\int_a^b \frac{1}{(x-a)^p}dx\begin{cases}收敛,& p<1\\ 发散,&p\geq1 \end{cases}

        ∫a+∞1xpdx{收敛,p>1发散,p≤1\int_a^{+\infty} \frac{1}{x^p} dx \begin{cases}收敛,&p>1\\ 发散,&p\leq 1 \end{cases}

    • 给出反常积分,与 别人 比较(要求积分区域只有一个瑕点)

      • 大的收,小的收;小的散,大的散;同收同散是常数。

        大的收敛 ⇒\Rightarrow 小的收敛

        小的发散 ⇒\Rightarrow 大的发散

        还有可能是两个同敛散

      • 数学表述

        lim⁡x→瑕点f(x)g(x)=A\lim\limits_{x\rightarrow 瑕点} \frac{f(x)}{g(x)} = A

        A=0A=0 :上面的小,下面的大

        A=∞A=\infty:上面的大,下面的小

        A≠0A\neq0:上下同敛散

交错级数

∑n=1∞(−1)n−1un,un>0\sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}u_n, u_n>0

  • 莱布尼茨判别法:{lim⁡n→∞un=0,un≥un+1(un单调不增)⇒级数收敛\begin{cases} \lim\limits_{n\to\infty}u_n=0,\\ u_n\geq u_{n+1}(u_n单调不增) \end{cases} \Rightarrow 级数收敛

任意级数

∑n=1∞un,un无符号限制\sum\limits_{n=1}^\infty u_n , u_n无符号限制

  • ∑n=1∞∣un∣收敛⇒∑n=1∞un绝对收敛\sum\limits_{n=1}^\infty \left| u_n \right|收敛\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_n 绝对收敛
  • ∑n=1∞∣un∣发散,∑n=1∞un收敛⇒∑n=1∞un条件收敛\sum\limits_{n=1}^\infty \left| u_n \right|发散,\sum\limits_{n=1}^\infty u_n收敛 \Rightarrow \sum\limits_{n=1}^\infty u_n 条件收敛

二、幂级数

1、性质

幂级数定义

∑n=1∞un(x)=∑n=1∞an(x−x0)n=a0+a1(x−x0)1+a2(x−x0)2+...+an(x−xn)n+...\sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x) = \sum\limits_{n=1}^\infty a_n(x-x_0)^n = a_0 + a_1(x-x_0)^1 + a_2(x-x_0)^2 + ... + a_n(x-x_n)^n + ...

收敛域与收敛点

若x∈Ix\in I,有∑n=1∞un(x0)\sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x_0)收敛,则x0x_0为其收敛点;如果发散,就称为发散点。

收敛点的集合称为收敛域

收敛半径,收敛区间和收敛域

  • 收敛半径:RR
  • 收敛区间:−R<(x−x0)<R⇒x0−R<x<x0+R-R<(x-x_0) < R \Rightarrow x_0-R < x < x_0 + R
  • 收敛域:考虑端点是否能够取得

2、具体问题

记录一个知识点,级数缺项:有的项其系数为0(如奇数项级数或者偶数项级)。

  • 不缺项幂级数∑n=0∞an(x−x0)n\sum\limits_{n=0}^\infty a_n(x-x_0)^n:

    lim⁡n→∞∣an+1an∣=ρ\lim\limits_{n\to\infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \rho

    ρ=1ρ;ρ=0,R=+∞;ρ=+∞,R=0\rho = \frac{1}{\rho};\quad\rho = 0,R= +\infty;\quad \rho=+\infty,R = 0

  • 缺项幂级数(比如只有奇数项或者偶数项,直接用这个方法即可):

    • 令 lim⁡n→∞∣un+1(x)un(x)∣(或lim⁡n→∞∣un(x)∣n)<1\lim\limits_{n\to\infty} \left|\frac{u_{n+1}(x)}{u_n(x)}\right|(或\lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{\left| u_n(x) \right|}) < 1,求出收敛区间x∈(a,b)x\in(a,b)
    • 具体讨论端点a,ba,b的值,确定收敛域

3、抽象问题

假如没有告诉你的级数的具体形式,而是给你抽象的,那就用这个方法。

  • 阿贝尔定理,对于级数∑n=0∞an(x−x0)n\sum\limits_{n=0}^{\infty} a_n(x-x_0)^n,设收敛半径为RR,在点x1x_1处有

    • 收敛,∣x1−x0∣≤R|x_1-x_0|\leq R
    • 发散,∣x1−x0∣≥R|x_1-x_0|\geq R
    • 条件收敛,R=∣x1−x0∣R = |x_1-x_0|,这一条非常重要,另外两条不能确定R,这条可以
  • 收敛半径不变化

    • 对级数提出或乘以(x−x0)k(x-x_0)^k,或者平移。收敛半径不变化
    • 求导,收敛半径不变,收敛域可能缩小
    • 积分,收敛半径不变,收敛域可能扩大

4、常用公式

至于如何求届收敛域呢?首先就是第2点中的缺项幂级数,然后就是根据定义域来。双重确定。

下面记住几个基本公式,并且推导出其扩展公式,推导的时候,抓住收敛半径不变,确定端点(用定义域)的进而确定收敛域范围。还有的情况,求导之后收敛于会变小,积分之后收敛域会变大,如ln⁡(1+x)\ln(1+x)系。

  • ln⁡(1+x)=∑n=1∞(−1)n−1⋅xnn,x∈(−1,1]\ln(1+x) = \sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}\cdot\frac{x^n}{n},\quad x\in(-1,1]

    • ln⁡(1−x)=−∑n=1∞xnn,x∈[−1,1)\ln(1-x) = -\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{x^n}{n},\quad x\in[-1,1)
    • 11+x=∑n=0∞(−1)n⋅xn,x∈(−1,1)\frac{1}{1+x} = \sum\limits_{n=0}^\infty (-1)^{n}\cdot x^n,\quad x\in(-1,1)
    • 11−x=∑n=0∞xn,x∈(−1,1)\frac{1}{1-x} = \sum\limits_{n=0}^\infty x^n,\quad x\in(-1,1),重点
  • arctan⁡x=∑n=0∞(−1)n⋅x2n+12n+1,x∈[−1,1]\arctan x = \sum\limits_{n=0}^\infty (-1)^n \cdot\frac{x^{2n+1}}{2n+1},\quad x\in[-1,1]

  • ex=∑n=0∞xnn!,x∈(−∞,+∞)e^x = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!},\quad x\in(-\infty, +\infty)

    e−x=∑n=0∞(−1)nxnn!,x∈(−∞,+∞)e^{-x} = \sum\limits_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^n}{n!},\quad x\in(-\infty, +\infty)

    ex+e−x2=∑n=0∞x2n(2n)!,x∈(−∞,+∞)\frac{e^x+e^{-x}}{2} = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^{2n}}{(2n)!},\quad x\in(-\infty, +\infty)

    ex−e−x2=∑n=0∞x2n+1(2n+1)!,x∈(−∞,+∞)\frac{e^x-e^{-x}}{2} = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!},\quad x\in(-\infty, +\infty)

  • sin⁡x=∑n=0∞(−1)n⋅x2n+1(2n+1)!,x∈(−∞,+∞)\sin x = \sum\limits_{n=0}^\infty (-1)^n\cdot \frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!},\quad x\in(-\infty,+\infty)

    cos⁡x=∑n=0∞(−1)n⋅x2n(2n)!,x∈(−∞,+∞)\cos x = \sum\limits_{n=0}^\infty (-1)^n\cdot \frac{x^{2n}}{(2n)!},\quad x\in(-\infty,+\infty)

三、傅里叶级数

1、迪利克雷收敛定律

f(x)f(x)的傅里叶级数在[−l,l][-l,l]上处处收敛,其和函数为S(x)S(x)

S(x)={f(x),x为连续点f(x−0)+f(x+0)2,x为间断点f(−l+0)+f(l−0)2,x=±lS(x) = \begin{cases} f(x),&x为连续点\\ \frac{f(x-0)+f(x+0)}{2},&x为间断点\\\frac{f(-l+0)+f(l-0)}{2},&x=\pm l \end{cases}

2、傅里叶公式

设周期为2l2l

f(x)∼a02+∑n=1∞(ancos⁡nπxl+bnsin⁡nπxl)f(x)\sim \frac{a_0}{2} + \sum\limits_{n=1}^\infty \left( a_n\cos \frac{n\pi x}{l} + b_n \sin \frac{n\pi x}{l} \right)

{a0=1l∫−llf(x)dxan=1l∫−llf(x)cos⁡nπxldx,n=1,2,...bn=1l∫−llf(x)sin⁡nπxldx,n=0,1,...\begin{cases}a_0 = \frac{1}{l}\int_{-l}^l f(x) dx \\ a_n = \frac{1}{l}\int_{-l}^l f(x) \cos \frac{n\pi x}{l} dx,&n=1,2,... \\ b_n = \frac{1}{l}\int_{-l}^l f(x) \sin \frac{n\pi x}{l} dx,&n=0,1,... \end{cases}

  • 如果f(x)f(x)为奇函数,展开式为正弦函数,只有bb
  • 如果f(x)f(x)为偶函数,展开式为余弦函数,只有aa

如果只要[0,l][0,l]有定义

做奇延拓或者偶延拓,即定义另一边的函数,用原函数来定义。

四、补充知识

如何处理n起点变化

  • 口诀:底变大,后变小

    ∑n=0∞f(n)=∑n=1∞f(n−1)\sum\limits_{n=0}^{\infty}f(n) = \sum\limits_{n=1}^{\infty}f(n-1) :也就是说,求和 ∑\sum 符号底部的起点变大了,后面表达式中的所有n都变成n-1了