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数学分析-数项级数

数项级数

一、数项级数的敛散性质

1.1 求和

这是最基础的运算,但是却常常被忽略。因为其实这一章的问题是两步,第一步是判断级数是否收敛,由此演化出各种判别方法,出题一般也围绕这个方面进行设置;第二步是指出级数收敛到哪里,这个不是每个级数都有答案,但是如果直接解决了第二步,那么第一步就显得十分显然,但是就很少被我利用。

关于求和的方法,我会在基本功这篇笔记中进行讨论,就不在此赘述了。

1.2 线性性质

这一部分常常因为过于显然而被忽略,但是其实线性性质有很多看似跟他没啥关系,但追根溯源,却是线性性质的应用,比如其在处理比较抽象的数项级数的时候有很大作用,这类题目一般给了一些已知的抽象的收敛级数,然后让证明未知的抽象级数,比如

已知 $nx_n$ 和 $\sum n(x_n-x_{n+1})$ 都收敛,让证明 $\sum x_n$ 收敛,其实就是把 $\sum x_n$ 用前面两个来表示。还有均值不等式放缩的题目。

1.3 其他性质

1.3.1 柯西乘积

对于矩形乘积,只要两个级数收敛,那么两者的乘积就收敛,但对于柯西乘积,只有两个级数都满足绝对收敛时,才能保证柯西乘积收敛。

1.3.2 结合律

级数收敛,则对级数的项添加括号,而不改变顺序,得到的新级数依然收敛,且具有相同的收敛和。

若一个加了括号的级数,括号里的每一项符号一致,且收敛,则去掉括号后依旧收敛。

1.3.3 交换律(更序问题)

若级数绝对收敛,则任意调整级数各项的顺序,则新级数会收敛到原来的和。

若级数条件收敛,则任意调整级数各项的顺序,则新级数可以收敛到任意的一个值。


二、正项级数的判别法

2.1 比较判别法

这个就是利用p-级数的收敛性来进行判断,那么看出数项的阶数,就是最为重要的事情了,我在基本功中会详细论证其中的方法。

2.2 积分判别法

就是利用由1到无穷的一个无穷积分来代替级数判断,但是积分的功能有限,对于阶乘n的n次方的结构的处理不占优势,所以用的很少。

2.3根值判别法和比值判别法

两者都会把问题转换成求极限的问题,求极限也是基本功的一部分,我会在里面详细叙述。

2.4 Raabe判别法

若 $\exist r>1, n>N,st\ \ n(\frac{a_n}{a_{n+1}}-1)>=r$,则级数收敛。

可以看到并且证明这种判别法是层出不穷的,所以大概记住几个就可以了。

2.5 柯西收敛原理

大概这个一般是用来证明发散的,在证明发散的过程中,还是设计到了求和问题,但是柯西收敛原理求和不是一般的求和,他是一种放缩求和,首先p的选择一般都是n的倍数,然后放缩一般都简单粗暴。我会在基本功这一章讨论这一风格。


三、一般项级数的判别法

3.1 分部求和

可以看出跟分部积分公式还是挺像的。


四、直观感受

数项级数最重要的性质就是收敛,分为绝对收敛条件收敛,之所以有这两个区别,是因为绝对收敛的条件更强,更有用。

当我们有了绝对收敛以后,最重要的就是柯西乘积更序问题两个重要应用,为什么重要?是因为级数的本质也是在描述客观现象,更换顺序和相乘恰好是两种自然现象相互作用的方式,比如说在后面的生成函数问题。

为了获得绝对收敛,我们才演化出了判别法。