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一般项级数

发布者: castelu | 发布时间: 2017-11-8 22:25| 查看数: 1626| 评论数: 0|帖子模式

  关于一般数项级数的收敛性判别问题要比正项级数复杂,只讨论某些特殊类型的级数的收敛性问题。
  若级数的各项符号正负相同,即
$$u_1-u_2+u_3-u_4+\cdots+(-1)^{n+1}u_n+\cdots(u_n>0,n=1,2,\cdots),$$
  则称为交错级数

定理1(Leibniz判别法) 若交错级数满足下述两个条件:
(i)数列${u_n}$单调递减;
(ii)$\lim\limits_{n \rightarrow \infty}u_n=0$,
  则交错级数收敛。

推论 若交错级数满足Leibniz判别法的条件,则收敛交错级数的余项估计式为
$$|R_n| \le u_{n+1}。$$

  若级数
$$u_1+u_2+\cdots+u_n+\cdots$$
  各项绝对值所组成的级数
$$|u_1|+|u_2|+\cdots+|u_n|+\cdots$$
  收敛,则称原级数为绝对收敛。

定理2 绝对收敛的级数一定收敛。

  若级数收敛,但级数不绝对收敛,则称级数为条件收敛。
  全体收敛的级数可分为绝对收敛级数与条件收敛级数两大类。
  下面讨论绝对收敛级数的两个重要性质:

1、级数的重排
  我们把正整数列${1,2,\cdots,n,\cdots}$到它自身的一一映射$f:n \to k(n)$称为正整数列的重排,相应地对于数列${u_n}$按映射$F:u_n \to u_{k(n)}$所得到的数列${u_{k(n)}}$称为原级数的重排。相应于此,我们也称级数$\sum\limits_{n=1}^{\infty} u_{k(n)}$写作
$$v_1+v_2+\cdots+v_n+\cdots。$$

定理3 设级数绝对收敛,且其和等于$S$,则任意重排后所得到的级数也绝对收敛亦有相同的和数。

  注意:由条件收敛级数重排后所得到的新级数,即使收敛,也不一定收敛于原来的和数。而且条件收敛级数适当重排后,可得到发散级数,或收敛于任何事先指定的数。

2、级数的乘积
  由级数的性质知道,若$\sum\limits u_n$为收敛级数,$a$为常数,则
$$a \sum\limits u_n=\sum\limits au_n,$$
  由此立刻可以推广到收敛级数$\sum\limits_{i=1}^{\infty} u_n$与有限项和的乘积,即
$$(a_1+a_2+\cdots+a_m)\sum\limits_{i=1}^{\infty} u_n=\sum\limits_{i=1}^{\infty} \sum\limits_{k=1}^m a_ku_n。$$
  现在讨论在什么条件下能把它推广到无穷级数之间的乘积上去?
  设有收敛级数
$$\sum\limits u_n=u_1+u_2+\cdots+u_n+\cdots=A,$$
$$\sum\limits v_n=v_1+v_2+\cdots+v_n+\cdots=B。$$
  把级数$\sum\limits u_n$与$\sum\limits v_n$中每一项所有可能的乘积列成下表:
$$ \left( {\begin{array}{*{20}{c}} u_1v_1&u_1v_2&u_1v_3&\cdots&u_1v_n&\cdots\\ u_2v_1&u_2v_2&u_2v_3&\cdots&u_2v_n&\cdots\\ u_3v_1&u_3v_2&u_3v_3&\cdots&u_3v_n&\cdots\\ \cdots&\cdots&\cdots&\cdots&\cdots&\cdots\\ u_nv_1&u_nv_2&u_nv_3&\cdots&u_nv_n&\cdots\\ \cdots&\cdots&\cdots&\cdots&\cdots&\cdots \end{array}} \right) $$
  这些乘积$u_iv_j$可以按各种方法排成不同的级数,常用的有按正方形顺序或按对角线顺序依次相加,于是分别有
$$u_1v_1+u_1v_2+u_2v_2+u_2v_1+u_1v_3+u_2v_3+u_3v_3+u_3v_2+u_3v_1+\cdots$$
  和
$$u_1v_1+u_1v_2+u_2v_1+u_1v_3+u_2v_2+u_3v_1+\cdots。$$

定理4(Cauchy定理) 若级数
$$\sum\limits u_n=u_1+u_2+\cdots+u_n+\cdots=A,$$
$$\sum\limits v_n=v_1+v_2+\cdots+v_n+\cdots=B。$$
  都绝对收敛,则对所有乘积$u_iv_j$按任意顺序排列所得到的级数$\sum\limits w_n$也绝对收敛,且其和等于$AB$。

  本段介绍两个判别一般项级数收敛性的方法,先引进一个公式:

引理(分部求和公式,也称Abel变换) 设$\epsilon_i$,$v_i$($i=1,2,\cdots,n$)为两组实数,若令
$$\sigma_k=v_1+v_2+\cdots+v_k(k=1,2,\cdots,n),$$
  则有如下分部求和公式成立:
$$\sum\limits_{i=1}^n \epsilon_iv_i=(\epsilon_1-\epsilon_2)\sigma_1+(\epsilon_2-\epsilon_3)\sigma_2+\cdots+(\epsilon_{n-1}-\epsilon_n)\sigma_{n-1}+\epsilon_n \sigma_n。$$

推论(Abel引理) 若
(i)$\epsilon_1$,$\epsilon_2$,$\cdots$,$\epsilon_n$是单调数组;
(ii)对任一正整数$k$($1 \le k \le n$)有$|\sigma_k| \le A$(这里$\sigma_k=v_1+\cdots+v_k$),则记$\epsilon=\max\limits_{k}{|\epsilon_k|}$时,
$$|\sum\limits_{k=1}^n \epsilon_kv_k| \le 3\epsilon A。$$

  现在讨论级数
$$\sum\limits a_nb_n=a_1b_1+a_2b_2+\cdots+a_nb_n+\cdots$$
  收敛性的判别法

定理5(Abel判别法) 若${a_n}$为单调有界数列,且级数$\sum\limits b_n$收敛,则级数$\sum\limits a_nb_n$收敛。

定理6(Dirichlet判别法) 若数列${a_n}$单调递减,且$\lim\limits_{n \rightarrow \infty}a_n=0$,又级数$\sum\limits b_n$的部分和数列有界,则级数$\sum\limits a_nb_n$收敛。

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