交錯級數

交錯級數

交錯級數是正項和負項交替出現的級數,形式滿足a1-a2+a3-a4+.......+(-1)^(n+1)an+......,或者-a1+a2-a3+a4-.......+(-1)^(n)an,其中an>0。在交錯級數中,常用萊布尼茨判別法來判斷級數的收斂性,即若交錯級數各項的絕對值單調遞減且極限是零,則該級數收斂;此外,由萊布尼茨判別法可得到交錯級數的餘項估計。最典型的交錯級數是交錯調和級數。

定義

若級數的各項符號正負相間,即形如

交錯級數 交錯級數

的級數叫做交錯級數。

換句話說:交錯級數是正項和負項交替出現的級數。

注意:上式中-1的次數也可以為n,即奇數項為負,偶數項為正。

收斂性判別

萊布尼茨判別法

定理內容

交錯級數 交錯級數

如果交錯級數 滿足以下兩個條件:

交錯級數 交錯級數

(1)數列單調遞減;

交錯級數 交錯級數

(2) ;

交錯級數 交錯級數

那么該交錯級數收斂,且其和滿足。

證明過程

交錯級數 交錯級數

考慮交錯級數的部分和數列,它的奇數項和偶數項分別為:

交錯級數 交錯級數
交錯級數 交錯級數
交錯級數 交錯級數

∵單調遞減

∴上述二式中括弧內的每一項均為非負數

交錯級數 交錯級數
交錯級數 交錯級數

∴單調遞減,單調遞增。

交錯級數 交錯級數
交錯級數 交錯級數

∵,且

交錯級數 交錯級數

∴是一個閉區間套

交錯級數 交錯級數

由閉區間套定理,存在唯一實數,並且

交錯級數 交錯級數
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交錯級數 交錯級數
交錯級數 交錯級數

故數列收斂,即級數收斂。

適用範圍

交錯級數 交錯級數

注意,萊布尼茨定理所給出的條件(1)是充分非必要條件,即對非單調遞減的數列{u},交錯級數既可能收斂,也可能發散。

換句話說,萊布尼茨定理僅僅給出了判斷交錯級數收斂的充分條件,卻沒有給出判斷交錯級數發散的條件;同時,如果交錯級數滿足該定理的條件,也無法判斷級數是絕對收斂還是條件收斂。

推論(餘項估計)

交錯級數 交錯級數
交錯級數 交錯級數

如果交錯級數滿足萊布尼茨判別法的兩個條件,則該級數的餘項估計式為:。

典例

例1(交錯調和級數)

交錯級數 交錯級數
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交錯級數 交錯級數
交錯級數 交錯級數

知,易得數列單調遞減,且,即該數列滿足萊布尼茨判別法,故交錯調和級數是收斂的。

例2

交錯級數 交錯級數

判定級數的斂散性。

解:已知該級數是交錯的,我們試圖驗證它滿足萊布尼茨判別法的條件(1)和(2)。

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數列遞減並不顯然。但是,如果我們考慮與它相應的函式,我們發現。當時,,因此在上遞減,這表明當時,,且,該不等式可直接驗證,故條件(1)滿足。

交錯級數 交錯級數
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條件(2)由洛必達法則易證:,故有,條件(2)滿足。

因此,由萊布尼茨判別法可得,該級數是收斂的。

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