级数敛散性总结.doc
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摘 要
级数理论是数学分析的重要组成部分，研究级数对于深入探讨数学分析问题有着深远的意义。
级数理论中最重要的问题和学者研究最多的问题则是关于级数收敛与发散的问题。
级数的收敛与发散性质更是级数存在当中的最基本的立足点。
基于级数发散和收敛的问题，本文对级数进行了比较详细和系统的介绍，并在级数收敛性方面进行了较为详细的概括，包括级数的分类和收敛性的总结和应用。
本文第一个部分首先对常见的级数：
常数项级数、正项级数、交错级数、函数项级数、幂级数、傅立叶级数，进行了大概的介绍，并从常见级数的定义、常见级数的分类、级数收敛发散的充要条件和对应级数常用的收敛判别方法进行详细的分析概括。
本文的第二个部分针对具体的级数收敛方法，从方法的定义和方法的具体例子应用两个方面对其进行较为全面的介绍和分析，其中包括：
判别级数发散与收敛的简单方法、比较判别法、比值判别法、高斯判别法、达朗贝尔判别法、对数判别法、积分判别法、拉贝判别法、柯西判别法。
最后，本文第三部分通过整理级数散敛性判断的方法，对本文进行一个综合的概括，主要从基于级数类型的方法和基于通项特征的方法两个方面总结了解答收敛性问题的分析思路和如何更快的寻找有效的方法。
关键词：
级数敛散性方法
Abstract
Progressiontheoryisanimportantpartofthemathematicalanalysis.Thestudyofseriesisofprofoundsignificanceforfurtherdiscussingmathematicalanalysisproblems.Seriesconvergenceanddivergenceproblemisthemostimportantquestioninprogressiontheorythatmanyresearchersresearchon.Fortheanalysis,seriesconvergenceandseriesdivergenceisofthebasicfootholdexistinginmathematicalanalysis.
Firstly,basedontheseriesconvergenceandseriesdivergence,thisthesisgivesadetailedandsystematicalintroductiontoseries,andamoredetailedsummaryofseriesconvergence,includingtheclassificationofseries,applicationofconvergence.Firstly,thispaperhasageneralintroductiontocommonseries,includingconstantseries,seriesofpositiveterm,staggeredseries,serieswithfunctionterms,powerseries,fourierseries.Besides,thepaperhasdetailedanalysisandsummaryofthedefinitionofcommonseries,theclassificationofcommonseries,andthesufficientandnecessaryconditionsfortheconvergenceseries,togetherwiththecommonlyusedidentificationmethodsofcorrespondingseries.
Andthenthesecondpartofthisarticlehasacomprehensiveintroductionandanalysisofthemethod’sdefinitionandspecificexamplesapplicationofthemethod,including:
simplemethoddistinguishingthedivergenceofaseries,comparativemethod,ratiomethod,Gaussmethod,D'Alembertdiscriminantmethod,Logarithmicmethod,integralmethod,Rabemethod,andCauchymethod.
Finally,thethirdpartofthispapermadeacomprehensivesummarythroughsortingoutidentifyingmethodsofseriesconvergenceanddivergence.Basedonthetypesofseriesandthemethodsofgeneraltermcharacteristics,thispapersummarizedtheanalysismentalityandeffectivewaysofsolutionstoconvergenceproblem.
Keywords:
SeriesConvergenceMathod
第一章引言
级数理论是数学分析的重要组成部分，与极限理论有密切的联系，它与另一个分支微积分学一起作为基础知识和工具出现在其余各分支中。
级数是研究函数的一个重要工具，在理论上和实际应用中都处于重要地位，这是因为一方面能借助级数表示许多常用的非初等函数，微分方程的解就常用级数表示；另一方面又可将函数表为级数，从而借助级数去研究函数，例如用幂级数研究非初等函数，以及进行近似计算等。
II
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级数敛散性总结
第二章级数基本概念
2.1级数的定义
其定义如下：
设，记所有无限项加起来的和为
而则称为级数。
注：
数项级数或无穷级数也常简称级数。
2.2级数的分类
级数的种类繁多，并没有很详细的分类标准，本文考虑从通项的内容来看，主要分成两大类：
数项级数和函数项级数。
数项级数：
通项没有含有函数的的级数。
等比级数：
（又称几何级数）形如
其中，称为等比级数。
调和级数：
形如
称为等比级数。
正项级数：
若数项级数的各项的符号都相同，则称为同号级数。
对于同号级数，只须研究各项都是由正数组成的级数——称为正项级数。
交错级数:
若级数的各项符号正负相间，即：
称为交错级数。
2
第二章级数基本概念
一般项级数：
没有以上特点的数项级数。
函数项级数：
如果级数的每一项依赖于一个连续变量，,在一个区上变化，这个级数就成为一个函数项级数，简称函数级数，记为。
幂级数：
有幂级数列所产生的函数项级数，即形如
的级数成为幂级数。
傅立叶级数：
一般地说，若是以为周期且在上可积的函数，以的傅立叶系数的三角级数
称为的傅立叶级数，其中
称为傅立叶系数。
泰勒级数：
设函数在点的某一邻域内具有直到阶导数，则形如
称为泰勒级数。
Laurent级数：
如果函数在环形域解析，则可以展开为
其中
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称为Laurent系数，是环形域内包围在其内部的任意简单封闭曲线。
称
是在环形域的Laurent级数。
2.3级数收敛发散的充要条件
一般收敛：
级数的收敛问题是级数理论的基本问题。
从级数的收敛概念可知，级数的敛散性是借助于其部分和数列的敛散性来定义的。
因此可从数列收敛的柯西准则得出级数收敛的柯西准则（宋国柱，2004）：
收敛等价于任意给定正数，必有自然数，当，对一切自然数，有
即充分靠后的任意一段和的绝对值可任意小。
绝对收敛：
设是实数列，如果级数收敛，则级数收敛；
条件收敛：
如果级数收敛，但级数发散，则说级数条件收敛；
一致收敛：
设函数项级数在区域D中收敛于函数，若，，使得当时，对一切同时成立，则说在D一致收敛于。
4
第二章级数基本概念
2.4常见级数对应的收敛定理
2.4.1常数项级数
1.当存在，则收敛；
2.Cauchy准则：
级数收敛的充分和必要条件是，,使得当时，对一切自然数p成立。
3.无穷级数：
收敛的必要条件：
若级数收敛，则
2．4.2正项级数
1.正项级数收敛的充分条件是它的部分序列和有上界；
2.比较判别法：
设，则
（1）若收敛，则也收敛；
（2）若发散，则也发散；
3.比值判别法：
设和是两个正项级数，且
（1）若，则级数和同时收敛或同时发散；
（2）若，级数收敛，则也收敛；
（3）若，级数发散，则也发散。
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4.Cauchy判别法（根值判别法）：
设是正项级数，
（1）则当时，级数收敛；
（2）则当时，级数发散；
（3）则当时，级数可能收敛也可能发散。
5.对数判别法：
若对任意的，当时有，则收敛；若有，则发散。
6.积分判别法：
设是上非负下降函数，则收敛。
2.4.3交错级数
1.Leibniz判别法：
设，且，则交错级数
收敛且余和的绝对值
2.Cauchy定理：
若级数和都绝对收敛，其和分别为和，则它们的乘积
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第二章级数基本概念
也是绝对收敛，且和为。
2.4.4函数项级数
1.Cauchy准则：
函数项级数在D一致收敛于的充分且必要条件是：
，，使得当时，对一切及一切自然数P同时成立。
2.weierstass判别法：
设在集合G上，且收敛，则在G上一致收敛。
2.4.5幂级数
1.Abel定理：
若在收敛，则当时，级数绝对收敛，若在处发散，则当时，级数发散。
（1）幂级数在其收敛圆是内闭一致收敛的。
（2）比值法：
若，则幂级数的收敛半径，这里，当时，，当时，。
（3）根值法：
，则级数的收敛半径
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2.4.6傅立叶级数
1.狄尼判别法：
设连续或者至多有第一类间断点，记
若存在，使存在，则
2.Lipschitz判别法设在点满足Lipa条件，即对充分小的有（为常数，），则
3.狄里希莱-约当判别法若在上囿变，则在点
4.弗耶定理设是周期为的连续函数，为傅立叶级数的部分和，，则在上一致收敛于。
5.威尔斯托拉斯逼近定理设，周期为，则存在三角多项式列一致收敛于。
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第三章级数敛散性判别法
第三章级数敛散性判别法
3.1判别级数发散的简单方法
（注：
面对一道通项有规律的判定收敛性的题时，最初的想法应该从定义下手）
定义：
如果级数的部分和数列有极限，则收敛，反之发散。
例题l判别级数的散敛性。
解：
因为
故级数的部分和
，
又因为
所以，原级数收敛。
例题2判别级数的散敛性
解：
因为
所以级数收敛。
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例题3判别级数是否收敛。
解：
因为
所以级数发散。
3.2比较判别法
3.2.1定理及其极限形式
为了考查一个正项级数的散敛性，常用另一个已知是收敛的或者已知是发散的正项级数来与之作比较（可见比较判别法只用于正项级数）。
在此先引入几个常用来做比较的级数：
几何级数、调和级数、P级数。
等比级数：
（几何级数）判别法：
级数叫做等比级数，下面讨论该级数的散敛性。
解：
（1）如果，则部分和
当时，由于，所以，因此级数收敛，其和为；
当时，由于，所以，因此级数级数发散。
（2）如果，则有
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第三章级数敛散性判别法
当时，，从而，所以级数发散；
当时，，所以有，从而不存在，所以级数发散；
由上可知:
当时，等比级数收敛；而当，等比级数发散。
调和级数：
级数称为调和级数，试讨论该级数的散敛性。
解：
令，由拉格朗日中值定理可知，存在。
使得
即
所以有
将上面所有式子的两端分别相加得
其中为调和级数的部分和
因为
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所以,调和级数发散。
.
P级数：
级数称为P级数,试讨论该级数的散敛性.
解:
（1）当时,这时级数的各项都不小于把调和级数的对应项,即
由前面可知调和级数发散,由比较判别法可知该级数发散.
（2）当时,把P级数写成
而是一个等比级数,且,其公比,于是级数收敛,由比较判别法可知,P级数收敛.
综上所述,当时,P级数收敛;当时,P级数发散.
在介绍几个常用来比较的级数后,接着介绍比较判别法
比较判别法定义：
设和是正项级数，则
（1）如果收敛，并且存在和，使得，那么级数也收敛；
（2）如果发散，并且存在和，使得，那么
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第三章级数敛散性判别法
级数也发散。
证明：
（1）对于，因为有上界，所以也有上界。
（2）反证法：
对于，如果级数收敛，那么根据上面的结论，级数也应该收敛，但这与题设所矛盾。
所以是发散级数。
例题1设，试判断级数的散敛性。
解：
由题意得
因为级数收敛，所以级数也收敛。
例题2试判断级数的散敛性。
解：
容易知道
，
因为级数发散，所以级数发散
推论：
设和是正项级数，并且设极限存在，则有：
（1）如果级数收敛，，那么级数也收敛，
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（2）如果级数发散，，那么级数也发散。
证明：
（1）对于取定的，存在，使得只要，就有，也就是
（2）对于取定的，存在，使得只要，就有
，也就是
例题3设，试判断级数的散敛性。
解：
容易知道
因为级数收敛，所以级数收敛。
例题4试判断级数的散敛性。
解：
容易知道
因为级数发散，所以级数发散。
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第三章级数敛散性判别法
3.2.2比值判别法
运用比较判别法来解决级数散敛性问题是一种广泛应用的方法，但前提是需要找到一个能用来做比较的级数，要找到一个合适的级数并不容易，所以很多时候就要用到以下的比值判别法：
设有正项级数，如果，则
（1）当时，级数收敛；
（2）当时，级数发散；
（3）当时，级数可能收敛也可能发散。
例题5试判别级数的散敛性。
解：
因为
故根据比值判别法可知，原级数收敛。
例题6试判别级数的散敛性。
解：
因为
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因此，比值判别法失效，但，而级数是收敛的，可以根据比较判别法可知，原级数也收敛。
3.2.3活用比较判别法
当所求级数的通项中出现关于的有理式时，比较对象常常选择P级数或者调和级数。
例题7试判别级数的散敛性。
解：
因为
又由于收敛，则由比较判别法可知，级数也收敛。
例题8试判别级数的散敛性。
解：
因为
，
又由于收敛，则根据比较判别法可知，原级数也收敛。
例题9试判别级数的散敛性。
解：
因为
又有级数发散，根据比较判别法可知，原级数也是发散的。
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第三章级数敛散性判别法
例题10试判别级数的散敛性。
解：
考虑到当时，，则
而是公比的收敛级数，故根据比较判别法可知，原级数收敛。
例题11试判别级数的散敛性。
解：
由于
而是收敛的级数，所以原级数收敛。
3.3柯西判别法
柯西根式判别法（普通形式）设级数是正项级数，
（1）如果存在和，使得，那么级数收敛。
（2）如果对无穷个有，那么级数发散。
柯西根式判别法（极限形式）设是正项级数。
并设存在极限，则有
（1）如果，那么级数收敛，
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（2）如果，那么级数发散。
证明：
（1）对于取定的，存在，使得。
（2）对于取定的，存在，使得。
例题1判别级数的散敛性。
解：
由于
根据柯西判别法可知，级数收敛。
例题2试判断级数的散敛性。
解：
由于
根据柯西判别法可知，级数发散。
3.4达朗贝尔判别法
达朗贝尔判别法（普通形式）设是严格的正项级数。
（1）如果存在和使得，那么级数收敛。
（2）如果存在使得，那么级数收敛。
达朗贝尔判别法（极限形式）设是严格的正项级数。
并存在极限
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第三章级数敛散性判别法
则有
（1）如果，那么级数收敛。
（2）如果，那么级数发散。
证明：
（1）对于取定的，存在，使得只要，就有.
（2）对于取定的，存在，使得只要，就有.
推论设和都是严格的正项级数。
（1）如果级数收敛，并且存在，使得，那么级数也收敛。
（2）如果级数发散，并且存在，使得，那么级数也发散。
例题1试判别级数的散敛性。
解：
由于
由达朗贝尔定理可知，级数收敛。
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例题2试判别级数的散敛性。
解：
由于
由达朗贝尔定理可知，级数发散。
3.5对数判别法
对数判别法（普通形式）设是严格的正项级数。
若从某一项起有，则有级数收敛；若从某一项起，，则有级数发散。
对数判别法（极限形式）设是严格的正项级数。
设，则当时，级数收敛；当时，级数发散；当时，级数有可能收敛也有可能发散。
例题1试判别级数的散敛性。
解：
因为当时，有，所以
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第三章级数敛散性判别法
但由于发散，因此级数发散。
例题2试判别级数的散敛性。
解：
由题可知，
因为
所以
但是
，
则有级数收敛，从而级数收敛。
例题3试讨论级数的散敛性。
解：
由题可知，级数的通项为
则有
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由对数判别法可知，原级数发散。
3.6积分判别法
柯西积分判别法：
设函数在单调下降并且非负，则级数与广义积分同为收敛或同为发散。
证明：
依题意得，为上的非负减函数，对于任意的正数，在上可积，从而有，依次相加可得，若此积分收敛，则上式的左边，对于任何的整数，有，于是级数收敛。
反之，若级数为收敛级数，则上式的右边，对于任意正整数有，因为是非负减函数，故对任意的正数，都有，根据上式得收敛。
同理可证级数和积分是同时发散的。
例题1试判别级数的散敛性。
解：
将级数换成积分形式，由于
即收敛，根据积分判别法可知，也收敛。
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第三章级数敛散性判别法
例题2试判别级数的散敛性
解：
将级数转化成积分的形式，由于
，
即发散，根据积分判别法可知，级数发散。
3.7拉贝判别法
拉贝判别法（普通形式）设是严格的正项级数。
（1）如果存在和，使得，那么级数收敛。
（2）如果存在，使得，那么级数发散。
证明：
（1）由题可得，取一实数，满足，则级数收敛，另，则对于充分大的有，所以，级数也收敛。
（2）由题意得，，因为级数发散，所以级数也发散。
拉贝判别法（极限形式）设是严格的正项级数，并且以下的极限存在，
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（1）如果，那么级数收敛。
（2）如果，那么级数发散。
例题1：
试讨论级数，当是的收敛性。
解：
当时，
，
容易根据拉贝判别法可知，级数发散。
当时，
，
容易根据拉贝判别法可知，级数发散。
当时，
，
容易根据拉贝判别法可知，级数收敛。
从上面我们可以看出,有些比值判别法不能判别的可用拉贝判别法可以判别,但是用拉贝判别法也同样要受到比较因子的精确度的限制。
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第三章级数敛散性判别法
3.8高斯判别法
设是严格的正项级数，并设有
，
则有
（1）如果，那么级数收敛；如果，那么级数发散。
（2）如果，，那么级数收敛；如果，，那么级数发散。
（3）如果，，，那么级数收敛；如果，，，那么级数发散。
推论：
设是严格的正项级数，并设有
，
则有
（1）如果，那么级数收敛；如果，那么级数发散。
（2）如果，，那么级数收敛；如果，，那么级数发散。
例题1设，试判别级数
的散敛性。
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解：
令，则
由此可得
但由于
所以当时，，级数发散；当是，显然有，故级数发散；当时，有
故，所以
例题2设，试讨论级数的散敛性。
解：
因为
故当是，级数收敛；当时，级数发散。
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第四章级数敛散性比较及应用
第四章级数敛散性比较及应用
4.1基于级数类型的方法总结
对于级数的敛散性判断，当一个级数是具体属于某一种级数，则可以考虑利用该种级数对应的收敛判别法来进行判别其散敛性。
而常见的几种级数和对应的判别法如下表：
表1判别总结表
级数类型
散敛性判别法
正项级数
比较判别法、根值判别法、比值判别法、
对数判别法、拉贝判别法、高斯判别法
任意项级数
柯西判别法、绝对收敛判别法、Abel判别法
交错收敛判别法、Dirichlet判别法
函数项级数
M判别法、Abel判别法、Dirichlet判别法、
狄尼判别法、一致收敛判别法
幂级数
Abel定理、比值法、根值法
傅立叶级数
狄尼判别法、Lipschitz判别法、弗耶定理
狄里希来-约当判别法、威尔斯托拉斯逼近定理
4.1.1对常数项级数
若给出的级数是常数项级数，一般可以利用以下的流程来进行判断：
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级数敛散性总结
已给级数
发散
是否交错级数
莱布尼茨判别法
任意项级数判别法
是任意项级数
比较判别法的极限形式可行？
否？
是正项级数否？
比值判别法可行？
比值判别法
其他方法
收敛或发散
否
是
否
否
是
否
否
否
是
是
是
图1判别流程图
对于求级数的散敛性，首先要研究出其通项。
但是当级数可化为含参数的一般式、通项为等差或等比式或通项为含二项以上根式的四则运算且通项极限无法求出时，可以选用正项级数的充要条件进行判断。
下面通过具体的例子说明：
例题1试判别级数的散敛性
分析：
容易知道
（1）首先判断是否为，因为，所以有
（2）然后判断是否为正项级数，由于，故原级数为为正项级数
（3）因为
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第四章级数敛散性比较及应用
因此，比值判别法失效。
（4）现在考虑比较判别法，由于，而级数是收敛的，可以根据比较判别法可知，原级数也收敛。
4.1.2对幂级数
若给出的级数是幂级数，一般可以利用以下的方法
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