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高等数学
第八章 无穷级数
交错级数的及其审敛性
最后
更新:
2025-04-22 22:03
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交错级数的及其审敛性
## 交错级数的及其审敛性 上节我们讨论了关于正项级数收敛性的判别法,本节我们要进一步讨论关 于一般常数项级数收敛性的判别法,这里所胃 "一般常数项级数" 是指级数的 各项可以是正数、负数或零. 先来讨论一种特殊的级数一一交错级数,然后再讨论一般常数项级数. ### 交错级数 设 $u_n>0(n=1,2, \cdots)$ ,级数 $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n u_n$ 或 $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1} u_n$ 称为交错级数. 所谓交错级数是这样的级数,它的各项是正、负交错的,其具体形式如下: $$ u_1-u_2+u_3-u_4+\cdots+(-1)^{n-1} u_n+\cdots $$ 或 $-u_1+u_2-u_3+u_4-\cdots+(-1)^n u_n+\cdots$ 其中 $u_1, u_2, u_3, u_4 \cdots, u_n, \cdots$ 均为正数. 由常数项级数的性质可知,(1) 和 (2) 式的敛散性相同,故我们只需讨 论首项为正的交错级数 $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} u_n$ 的性质. ## 定理 6 (莱布尼兹定理) 如果交错级数 $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} u_n$ 满足条件: (1) $u_n \geq u_{n+1}(n=1,2, \cdots)$ ; (2) $\lim _{n \rightarrow \infty} u_n=0$ , 则交错级数收玫,且收玫和 $s \leq u_1$. 证 先证 $\lim _{n \rightarrow \infty} s_{2 n}$ 存在. 将(1)式的前 $2 n$ 项的部分和 $s_{2 n}$ 写成如下两种形式 $$ \begin{aligned} & s_{2 n}=\left(u_1-u_2\right)+\left(u_3-u_4\right)+\cdots+\left(u_{2 n-1}-u_{2 n}\right) \\ & s_{2 n}=u_1-\left(u_2-u_3\right)-\left(u_4-u_5\right)-\cdots-\left(u_{2 n-2}-u_{2 n-1}\right)-u_{2 n} \end{aligned} $$ 由条件(1) $u_n \geq u_{n+1}(n=1,2, \cdots)$ 可知所有括号内的差均非负,第一个表达式表 明: 数列 $s_{2 n}$ 是单调增加的;而第二个表达式表明: $s_{2 n}<u_1$ , 数列 $s_{2 n}$ 有上界. 由单调有界数列必有极限准则,当 $n$ 无限增大时, $s_{2 n}$ 趋向于某值 $s$ ,并且 $s \leq u_1$. 即 $\lim _{n \rightarrow \infty} s_{2 n}=s \leq u_1$ 再证 $\lim _{n \rightarrow \infty} s_{2 n+1}=s$. 因 $s_{2 n+1}=s_{2 n}+u_{2 n+1}$ 由条件(2) $\lim _{n \rightarrow \infty} u_{2 n+1}=0$ 可知, $$ \lim _{n \rightarrow \infty} s_{2 n+1}=\lim _{n \rightarrow \infty} s_{2 n}+\lim _{n \rightarrow \infty} u_{2 n+1}=s+0=s $$ 由于级数的偶数项之和与奇数项之和都趋向于同一极限,故级数(1)的部分 和当 $n \rightarrow \infty$ 时具有极限 $s$. 这就证明了级数(1)收玫于 $s$ ,且 $s \leq u_1$. `例`试证明交错级数 $$ \sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} \frac{1}{n}=1-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\cdots+(-1)^{n-1} \frac{1}{n}+\cdots $$ 是收敛的. 证 $u_n=\frac{1}{n}<\frac{1}{n+1}=u_{n+1}$ ' 且 $\lim _{n \rightarrow \infty} u_n=\lim _{n \rightarrow \infty} \frac{1}{n}=0$. 故此交错级数收玫,并且和 $s<1$. `例`判定交错级数 $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} \frac{1}{n \cdot 4^n}$ 的敛散性. 解 设 $u_n=\frac{1}{n \cdot 4^n}$ ,则 $u_n=\frac{1}{n \cdot 4^n}>\frac{1}{(n+1) \cdot 4^{n+1}}=u_{n+1}$ , 且 $\lim _{n \rightarrow \infty} u_n=\lim _{n \rightarrow \infty} \frac{1}{n \cdot 4^n}=0$ ,所以级数收敛. `例` 级数 $\sum_{n=2}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{\ln n}$ 收敛. 证 因级数 $\sum_{n=2}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{\ln n}$ 是交错级数,并且 $\frac{1}{\ln n}$ 随 $n$ 增大而递减地趋于零, 因 此级数 $\sum_{n=2}^{\infty} \frac{(-1)^n}{\ln n}$ 收敛,从而级数 $\sum_{n=2}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{\ln n}=-\sum_{n=2}^{\infty} \frac{(-1)^n}{\ln n}$ 是收敛的. ## 小故事 从 $ \sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} \frac{1}{n}=1-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\cdots+(-1)^{n-1} \frac{1}{n}+\cdots $说起 详见 [交错调和级数](https://kb.kmath.cn/kbase/detail.aspx?id=1845)
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