微积分好难
基本信息
授课教师: bwh
上课教材: 《微积分》(sdk版)
常见积分公式
第 11 章 级数
级数的基本概念
数项级数无穷和S=n=1∑∞un
无穷多个有理数相加的和的情况都有可能
收敛⟺n→∞limSn=n=1∑∞un→S
证明级数收敛性的方法
几何级数/等比级数n=1∑∞aqn−1=Sn
- ∣q∣<1: Sn→1−qa
- q≥1: Sn→∞
- q<−1: Sn不存在
p−级数n=1∑∞np1
引入f(x)=xp1(x>0),有n=1∑∞(n+1)p1=−1+n=2∑∞np1
-
性质1: 如果∑un=A,∑vn=B,则对于∀α,β,∑(αun+βvn)=αA+βB
-
性质2: 改变,去掉,增加级数的有限项,不影响级数的收敛性
-
性质3: 若级数收敛,则加法的结合律成立
-
性质4: ∑un收敛⇒n→∞limun=0
正项级数的收敛性
正项级数: un≥0
-
上界收敛法
-
比较判别法
设∑un,∑vn正项级数, un≤Cvn(C>0)
- ∑vn收敛⇒∑un收敛
- ∑un发散⇒∑vn发散
n>eee2,lnlnlnn>n
-
比较判别法的极限形式
设正项级数∑un,∑vn,n→+∞limvnun=l
- 0<l<+∞,同时收敛或发散
- l=0,∑vn收敛⇒∑un收敛
- l=+∞,∑vn发散⇒∑un发散
结论:∑nplnn
1. p>1,收敛
2. p≤1,发散
估算上下限,收敛或发散看上或下限
等价量替换不够用,我们用带Peano余项的Taylor公式
-
自力更生法/比值判别法
正项级数∑un,limunun+1=γ(or+∞)
- γ<1,收敛
- γ>1,发散
- γ=1,[undefined]
-
根值判别法
正项级数∑un,limnun=γ(or+∞)
- γ<1,收敛
- γ>1,发散
- γ=1,[undefined]
-
~积分判别法~
f(x)在[1,+∞]上递减的非负连续函数,un=f(n)⇒∑un与∫1+∞f(x)敛散性相同
一般级数收敛性
交错级数
如果un>0,那么∑(−1)n−1un为交错级数
莱布尼茨定理
如果∑(−1)n−1un:
(1)u1≥u2≥u3≥…;
(2)limun=0,
那么∑(−1)n−1un收敛,S≤u1
推论:误差/余项∣Rn∣=∣S−Sn∣≤un+1
tips 先连续化,再求导
Dirichlet判别法
如果{an}单调且liman=0,∑bn部分有界,那么∑anbn收敛
Abel判别法
如果{an}单调有界,∑bn收敛,那么∑anbn收敛
绝对收敛
如果∑∣un∣收敛,那么∑un收敛
设∑un:
- 如果∑∣un∣收敛,那么∑un绝对收敛
- 如果∑∣un∣发散,∑un收敛,那么∑un条件收敛
幂级数的收敛性和运算
幂级数∑n=0+∞anxn=a0+a1x+a2x2+...+anxn+...
Abel 定理
- 若 ∑anxn在x=x0收敛,则对∀x:∣x∣>x0,∑anxn发散;
- 若 ∑anxn在x=x0收敛,则对∀x:∣x∣<x0,∑anxn绝对收敛
- 收敛半径:R
- 收敛区间:(−R,R)
- 在x=±R可能收敛也可能发散
柯西-阿达马定理
级数∑anxn,若lim∣an+1∣∣an∣=R,或lim∣an∣1=R,则R为收敛半径
tip ∣x−x0∣<R⋆绝对收敛⇒收敛半径R≥R⋆;附加上条件∣x−x0∣>R⋆发散⇒收敛半径R=R⋆
引理
若幂级数∑anxn收敛半径为R
- 级数在收敛域上的和S(x)是连续函数
- 幂级数在(−R,R)上可导/可积,且导函数或奇函数会继承收敛半径R,不一定继承收敛域(端点可能失去继承)
唯一性定理
a0=S(0)
an=n!S(n)(0)
幂级数的运算法则
设幂级数∑anxn,∑bnxn收敛半径分别是Ra,Rb
- ∑anxn±∑bnxn:R
- (∑anxn)⋅(∑bnxn):R
其中R=min{Ra,Rb}
tip 和函数的定义域就是收敛域
求和函数常用方法
- 幂级数的线性运算
- 变量代换
- 求导再积分
- 积分再求导
函数展成幂级数
泰勒级数
lim(n+1)!∣x∣n+1≤lim(n+1)!([x]+1)n+1=0
若泰勒展开的拉格朗日余项趋向于 0, 则原函数等于泰勒级数
基本初等函数的幂级数展开
展开步骤
- 计算 f(n)(x0)
- 写出对应的泰勒级数 ∑n!f(n)(x0),求出收敛区间 ∣x−x0∣<R
- 验证 limRn(x)=lim(n+1)!f(n+1)(ξ)(x−x0)n+1=0 ,其中 ξ∈(x0,x),∣x−x0∣<R
- 验证收敛端点
n=0∑∞xn=1−x1,∣x∣<1
其他展开方法
间接求
arctanx=n=0∑+∞(−1)n2n+1x2n+1,x∈[−1,1]
1+x1=1+n=1∑∞(−1)n(2n)!!(2n−1)!!xn
2n1<(2n)!!(2n−1)!!<n1
傅里叶展开
傅立叶级数
1,sinlmπx,coslnπx,...;x∈(−l,l),m,n={1,2,…}为正交系
f(x)=(?)2a0+n=1∑∞(ancoslnπx+bnsinlnπx)
-
an=l1∫−llf(x)coslnπxdx
-
bn=l1∫−llf(x)sinlnπxdx
f(x)为傅立叶级数;an,bn为傅立叶系数
⇒f(x)∼2a0+n=1∑∞(ancoslnπx+bnsinlnπx)
狄利克雷定理(重点)
f(x)周期为2l,在[−l,l]上逐段光滑/连续或只有有限个第一类间断点和极值点,则傅立叶级数收敛
2a0+n=1∑∞(ancoslnπx+bnsinlnπx)=2f(x+0)+f(x−0),x∈R
若f(x)在x处连续,则收敛于f(x)
- f(x)是奇函数,傅立叶级数是正弦级数
- f(x)是偶函数,傅立叶级数是余弦级数
有限区间上的傅立叶展开
区间 [−l,l] 上
- f(x),x∈[−l,l] 延拓 ⇒F(x),x∈R,T=2l
- 对 F(x) 傅立叶展开,在区间 (−l,l) 上,f(x)≡F(x)
- 对于 x=±l 处,利用狄利克雷定理算出 f(x)=2f(x−0)+f(x+0) (左端点右极限和右端点左极限的平均值)
若 f(x) 是偶函数,bn=0
若 f(x) 是奇函数,an=0
推广:区间 [a,b] 上
T=b−a,l=2b−a
不需要坐标平移, 直接把 l 用 2b−a 代换
帕塞瓦尔等式
若 f(x) 可积且平方可积,左式的级数收敛
2a02+n=1∑∞(an2+bn2)=l1∫−llf2(x)dx
区间 [0,l] 上
[0,l] 奇偶延拓 ⇒[−l,l]⇒…
- f(x),x∈[0,l] 奇偶延拓 ⇒F(x),x∈R,T=2l
- 对 F(x) 傅立叶展开,在区间 (−l,l) 上,f(x)≡F(x),x∈(0,l)
- 根据延拓的奇/偶性,消去 an/bn≡0
- 奇延拓 x=0,f(x)→0
- 偶延拓 x=0,f(x)→f(x+0);x=l,f(x)→f(x−0)