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=1un数项级数无穷和S=\displaystyle\sum_{n=1}^\infty u_n

无穷多个有理数相加的和的情况都有可能无穷多个有理数相加的和的情况都有可能

收敛    limnSn=n=1unS收敛\iff\displaystyle\lim_{n\rightarrow\infty}S_n=\sum_{n=1}^\infty u_n\rightarrow S

证明级数收敛性的方法

  • 定义
  • 单调收敛准则
  • 柯西收敛准则

几何级数/等比级数n=1aqn1=Sn几何级数/等比级数\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}aq^{n-1}=S_n

  • q<1: Sna1q|q|<1:\ S_n\rightarrow\displaystyle\frac{a}{1-q}
  • q1: Snq\ge 1:\ S_n\rightarrow\infty
  • q<1: Sn不存在q<-1:\ S_n不存在

p级数n=11npp-级数\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^p}

引入f(x)=1xp(x>0),n=11(n+1)p=1+n=21np引入f(x)=\displaystyle\frac{1}{x^p}(x>0),有\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{(n+1)^p}=-1+\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{n^p}

  1. 性质1: 如果un=A,vn=B,则对于α,β,(αun+βvn)=αA+βB如果\sum u_n=A,\sum v_n=B, 则对于\forall\alpha,\beta,\sum(\alpha u_n+\beta v_n)=\alpha A+\beta B

  2. 性质2: 改变,去掉,增加级数的有限项,不影响级数的收敛性

  3. 性质3: 若级数收敛,则加法的结合律成立

  4. 性质4: un收敛limnun=0\sum u_n收敛\Rightarrow\displaystyle\lim_{n\rightarrow\infty}u_n=0

 

正项级数的收敛性

正项级数: un0正项级数:\ u_n\ge 0

  1. 上界收敛法

  2. 比较判别法
    un,vn正项级数, unCvn(C>0)设\sum u_n,\sum v_n正项级数,\ u_n\le Cv_n(C>0)

    1. vn收敛un收敛\sum v_n收敛\Rightarrow\sum u_n收敛
    2. un发散vn发散\sum u_n发散\Rightarrow\sum v_n发散
      n>eee2,lnlnlnn>nn>e^{e^{e^2}},\ln \ln \ln n>n
  3. 比较判别法的极限形式
    设正项级数un,vn,limn+unvn=l设正项级数\sum u_n,\sum v_n,\displaystyle\lim_{n\rightarrow+\infty}\frac{u_n}{v_n}=l

    1. 0<l<+,同时收敛或发散0<l<+\infty,同时收敛或发散
    2. l=0,vn收敛un收敛l=0,\sum v_n收敛\Rightarrow\sum u_n收敛
    3. l=+,vn发散un发散l=+\infty,\sum v_n发散\Rightarrow\sum u_n发散

    结论:lnnnp结论:\sum\displaystyle\frac{\ln n}{n^p}
    1. p>1,收敛p> 1,收敛
    2. p1,发散p\le 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

  4. 自力更生法/比值判别法
    正项级数un,limun+1un=γ(or+)正项级数\sum u_n,\lim\displaystyle\frac{u_{n+1}}{u_n}=\gamma(or +\infty)

    1. γ<1,收敛\gamma<1,收敛
    2. γ>1,发散\gamma>1,发散
    3. γ=1,[undefined]\gamma=1,[undefined]
  5. 根值判别法
    正项级数un,limunn=γ(or+)正项级数\sum u_n,\lim\displaystyle\sqrt[n]{u_n}=\gamma(or +\infty)

    1. γ<1,收敛\gamma<1,收敛
    2. γ>1,发散\gamma>1,发散
    3. γ=1,[undefined]\gamma=1,[undefined]
  6. ~积分判别法~
    f(x)[1,+]上递减的非负连续函数,un=f(n)un1+f(x)敛散性相同f(x)在[1,+\infty]上递减的非负连续函数,u_n=f(n)\Rightarrow\displaystyle\sum u_n与\int_1^{+\infty}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)n1un为交错级数如果u_n>0,那么\sum(-1)^{n-1}u_n为交错级数

莱布尼茨定理

如果(1)n1un:如果\sum(-1)^{n-1}u_n:

(1)u1u2u3;(1)u_1\ge u_2\ge u_3\ge …;

(2)limun=0,(2)\lim u_n=0,

那么(1)n1un收敛,Su1那么\sum(-1)^{n-1}u_n收敛, S\le u_1

推论:误差/余项Rn=SSnun+1推论: 误差/余项|R_n|=|S-S_n|\le u_{n+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收敛如果\{a_n\}单调且\lim a_n=0,\sum b_n部分有界,那么\sum a_nb_n收敛

Abel判别法

如果{an}单调有界,bn收敛,那么anbn收敛如果\{a_n\}单调有界,\sum b_n收敛,那么\sum a_nb_n收敛

 

绝对收敛

如果un收敛,那么un收敛如果\sum|u_n|收敛,那么\sum u_n收敛

un:设\sum u_n:

  • 如果un收敛,那么un绝对收敛如果\sum|u_n|收敛,那么\sum u_n绝对收敛
  • 如果un发散,un收敛,那么un条件收敛如果\sum|u_n|发散,\sum u_n收敛,那么\sum u_n条件收敛

 

幂级数的收敛性和运算

幂级数n=0+anxn=a0+a1x+a2x2+...+anxn+...幂级数\sum_{n=0}^{+\infty}a_nx^n = a_0 + a_1x + a_2x^2+...+ a_nx^n + ...

Abel 定理

  • 若 anxnx=x0收敛,则对x:x>x0,anxn发散;若\ \sum a_nx^n在x=x_0收敛,则对\forall x:|x|\gt x_0,\sum a_nx^n发散;
  • 若 anxnx=x0收敛,则对x:x<x0,anxn绝对收敛若\ \sum a_nx^n在x=x_0收敛,则对\forall x:|x|\lt x_0,\sum a_nx^n绝对收敛
  1. 收敛半径:R收敛半径:R
  2. 收敛区间:(R,R)收敛区间:(-R,R)
  3. x=±R可能收敛也可能发散在x=\pm R 可能收敛也可能发散

 

柯西-阿达马定理

级数anxn,limanan+1=R,lim1an=R,R为收敛半径级数\sum a_nx^n,若\lim\displaystyle\frac{|a_n|}{|a_{n+1}|}=R,或\lim\frac{1}{\sqrt{|a_n|}}=R,则R为收敛半径

tip xx0<R绝对收敛收敛半径RR;附加上条件xx0>R发散收敛半径R=R|x-x_0|\lt R^\star 绝对收敛\Rightarrow 收敛半径 R\ge R^\star;附加上条件|x-x_0|>R^\star 发散\Rightarrow 收敛半径R=R^\star

 

引理

若幂级数anxn收敛半径为R若幂级数\sum a_nx^n收敛半径为R

  1. 级数在收敛域上的和S(x)是连续函数级数在收敛域上的和S(x)是连续函数
  2. 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)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)a_0 = S (0)

an=S(n)(0)n!a_n = \displaystyle\frac{S^{(n)}(0)}{n!}

 

幂级数的运算法则

设幂级数anxn,bnxn收敛半径分别是Ra,Rb设幂级数\sum a_nx^n,\sum b_nx^n收敛半径分别是R_a,R_b

  1. anxn±bnxn:R\sum a_nx^n\pm\sum b_nx^n:R
  2. (anxn)(bnxn):R(\sum a_nx^n)\cdot(\sum b_nx^n):R

其中R=min{Ra,Rb}其中R=\mathrm{min}\lbrace R_a,R_b\rbrace

tip 和函数的定义域就是收敛域
 

求和函数常用方法

  1. 幂级数的线性运算
  2. 变量代换
  3. 求导再积分
  4. 积分再求导

 

函数展成幂级数

泰勒级数

limxn+1(n+1)!lim([x]+1)n+1(n+1)!=0\lim\displaystyle\frac{|x|^{n+1}}{(n+1)!}\le\lim\frac{([x]+1)^{n+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

  1. 计算 f(n)(x0)f^{(n)}(x_0)
  2. 写出对应的泰勒级数 f(n)(x0)n!\displaystyle\sum\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!},求出收敛区间 xx0<R|x-x_0|<R
  3. 验证 limRn(x)=limf(n+1)(ξ)(n+1)!(xx0)n+1=0\displaystyle\lim R_n(x)=\lim\frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1}=0 ,其中 ξ(x0,x),xx0<R\xi\in(x_0,x),|x-x_0|<R
  4. 验证收敛端点

n=0xn=11x,x<1\displaystyle\sum_{n=0}^\infty x^n=\frac{1}{1-x},|x|<1

其他展开方法

间接求

arctanx=n=0+(1)nx2n+12n+1,x[1,1]\arctan x=\displaystyle\sum_{n=0}^{+\infty}(-1)^n\frac{x^{2n+1}}{2n+1},x\in[-1,1]

11+x=1+n=1(1)n(2n1)!!(2n)!!xn\displaystyle\frac{1}{\sqrt{1+x}}=1+\sum_{n=1}^\infty (-1)^n\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}x^n

12n<(2n1)!!(2n)!!<1n\displaystyle\frac{1}{2\sqrt{n}}<\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}<\frac{1}{\sqrt{n}}

 

傅里叶展开

傅立叶级数

1,sinmπlx,cosnπlx,...;x(l,l),m,n={1,2,}为正交系1,\sin\displaystyle\frac{m\pi}{l}x,\cos\displaystyle\frac{n\pi}{l}x,...;x\in(-l,l),m,n=\lbrace 1,2,…\rbrace 为正交系

f(x)=(?)a02+n=1(ancosnπlx+bnsinnπlx)f(x)=(?)\displaystyle\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty(a_n\cos\frac{n\pi}{l}x+b_n\sin\frac{n\pi}{l}x)

  • an=1lllf(x)cosnπlxdxa_n=\displaystyle\frac{1}{l}\int_{-l}^lf(x)\cos\frac{n\pi}{l}x\mathrm{d}x

  • bn=1lllf(x)sinnπlxdxb_n=\displaystyle\frac{1}{l}\int_{-l}^lf(x)\sin\frac{n\pi}{l}x\mathrm{d}x

f(x)为傅立叶级数;an,bn为傅立叶系数f(x)为傅立叶级数;a_n,b_n为傅立叶系数

f(x)a02+n=1(ancosnπlx+bnsinnπlx)\Rightarrow f(x)\sim\displaystyle\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty(a_n\cos\frac{n\pi}{l}x+b_n\sin\frac{n\pi}{l}x)

狄利克雷定理(重点)

f(x)周期为2l,[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

a02+n=1(ancosnπlx+bnsinnπlx)=f(x+0)+f(x0)2,xR\displaystyle\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty(a_n\cos\frac{n\pi}{l}x+b_n\sin\frac{n\pi}{l}x)=\frac{f(x+0)+f(x-0)}{2},x\in\Bbb{R}

f(x)x处连续,则收敛于f(x)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][-l,l]

  1. f(x),x[l,l]f(x),x\in[-l,l] 延拓 F(x),xR,T=2l\Rightarrow F(x),x\in\Bbb{R},T=2l
  2. F(x)F(x) 傅立叶展开,在区间 (l,l)(-l,l) 上,f(x)F(x)f(x)\equiv F(x)
  3. 对于 x=±lx=\pm l 处,利用狄利克雷定理算出 f(x)=f(x0)+f(x+0)2f(x)=\displaystyle\frac{f(x-0)+f(x+0)}{2} (左端点右极限和右端点左极限的平均值)

f(x)f(x) 是偶函数,bn=0b_n=0
f(x)f(x) 是奇函数,an=0a_n=0

推广:区间 [a,b][a,b]

T=ba,l=ba2T=b-a,l=\displaystyle\frac{b-a}{2}

不需要坐标平移, 直接把 llba2\displaystyle\frac{b-a}{2} 代换

 

帕塞瓦尔等式

f(x)f(x) 可积且平方可积,左式的级数收敛

a022+n=1(an2+bn2)=1lllf2(x)dx\displaystyle\frac{a_0^2}{2}+\sum_{n=1}^\infty(a_n^2+b_n^2)=\frac{1}{l}\int_{-l}^lf^2(x)\mathrm{d}x

 

区间 [0,l][0,l]

[0,l][0,l] 奇偶延拓 [l,l]\Rightarrow[-l,l]\Rightarrow…

  1. f(x),x[0,l]f(x),x\in[0,l] 奇偶延拓 F(x),xR,T=2l\Rightarrow F(x),x\in\Bbb{R},T=2l
  2. F(x)F(x) 傅立叶展开,在区间 (l,l)(-l,l) 上,f(x)F(x),x(0,l)f(x)\equiv F(x),x\in(0,l)
  3. 根据延拓的奇/偶性,消去 an/bn0a_n/b_n\equiv0
  • 奇延拓 x=0,f(x)0x=0,f(x)\to0
  • 偶延拓 x=0,f(x)f(x+0);x=l,f(x)f(x0)x=0,f(x)\to f(x+0);x=l,f(x)\to f(x-0)