正項級數

正項級數

正項級數,是一種數學用語。在級數理論中,正項級數是非常重要的一種,對一般級數的研究有時可以通過對正項級數的研究來獲得結果,就像非負函式廣義積分和一般廣義積分的關係一樣。所謂正項級數是這樣一類級數:級數的每一項都是非負的。正項級數收斂性的判別方法主要包括:利用部分和數列判別法、比較原則、比式判別法、根式判別法、積分判別法以及拉貝判別法等。

定義

若數項級數各項的符號都相同,則稱它為同號級數。對於同號級數,只需研究各項都是由正數組成的級數,稱它為正項級數。如果級數的各項都是負數,則它乘以-1後就得到一個正項級數,它們具有相同的斂散性。

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

換句話說,若 ,則稱 級數正項級數

收斂性判別

部分和數列判別法

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

正項級數的部分和數列 是單調增加的數列即: , 收斂的充要條件是有界,因此有:

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

正項級數 收斂的充要條件是:它的部分和數列 有界,即存在某正數 ,對於一切正整數 有 。

比較原則

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

設 和 是兩個正項級數,如果存在某正數 ,使得對一切 都有 ,則有:

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

(1)若級數 收斂,則級數 也收斂;

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

(2)若級數發散,則級數也發散。

比式判別法(達朗貝爾判別法)

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

設 為正項級數,且存在某正常數 及常數 。

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

(1)若對一切 ,成立不等式 ,則級數 收斂;

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

(2)若對一切 ,成立不等式 ,則級數 發散。

比式判別法的極限形式:

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

設 為正項級數,且 ,則有:

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

(1)當 時,級數 收斂;

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

(2)當 或 時,級數 發散。

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

注意:若 ,這時用比式判別法不能對級數的斂散性做出判別,因為它可能是收斂的,也可能是發散的,例如級數 和 ,他們的比式極限都是 ,但 是收斂的, 卻是發散的。

根式判別法(柯西判別法)

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

設 為正項級數,且存在某正常數 及正常數 。

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

(1)若對一切 ,成立不等式 ,則級數 收斂;

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

(2)若對一切 ,成立不等式 ,則級數 發散;

柯西判別法的極限形式:

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

為正項級數,且,則:
(1)當時,級數收斂;
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

(2)當 ,級數 發散。

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

注意:若 ,這時用根式判別法不能對級數的斂散性做出判別,因為它可能是收斂的,也可能是發散的,例如級數 和 ,他們的比式極限都是 ,但 是收斂的, 卻是發散的。

積分判別法

積分判別法是利用非負函式的單調性和積分性質,並以反常積分為比較對象來判斷正項級數的斂散性。

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

設 為 上非負減函式,那么正項級數 與反常積分 同時收斂或同時發散。

典例

p級數

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

討論 級數 的收斂性,其中常數 。

解:分兩種情況討論,

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

(1)當 , 級數的各項大於等於調和級數 的對應項,即 ,由於調和級數發散,因此根據比較判別法可知,此時 級數發散。

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

(2)當 時,記 級數的部分和為: .

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

當 時,取 ,則有 ,所以有:

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

從而

正項級數 正項級數

即有 。

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

這表明當時, 級數的部分和有界。因此,當時,級數收斂。

例2

正項級數 正項級數

討論正項級數的斂散性。

解:

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

(1)當時,對一切都有,因此級數發散。

正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數
正項級數 正項級數

(2)當時,對一切都有,而為收斂的等比數列,因此級數收斂。

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