diff --git a/Chapter 2 极限/部分和判别法.md b/Chapter 2 极限/部分和判别法.md new file mode 100644 index 0000000..8602b82 --- /dev/null +++ b/Chapter 2 极限/部分和判别法.md @@ -0,0 +1,404 @@ + +## **原理** + +对于级数 $\sum_{n=1}^{\infty}u_n$,构造其部分和数列 $S_n=u_1+u_2+\dots+u_n$。若极限 $\lim\limits_{n\to\infty}S_n=S$(S 为有限常数),则级数收敛,且和为 S;若该极限不存在(或为无穷大),则级数发散。 + +## **适用情况** + +适用于部分和可通过公式化简求和的级数,典型类型包括: + +1.等比级数:$\sum_{n=1}^{\infty}aq^{n-1}(a\neq0)$,部分和 $S_n=\frac{a(1-q^n)}{1-q}$; + +2.裂项相消型级数:如 $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n(n+1)}$,通项可拆为 $\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}$,部分和可逐项抵消化简; + +3. 少数可通过错位相减、分组求和的特殊级数。 + +## **优势** + +1. 本质性强:直接基于级数收敛的定义,判定结果准确,还能同时求出级数的和,这是比值、比较判别法等无法做到的。 + +2. 无形式限制:不像比值判别法依赖通项的阶乘、指数结构,只要部分和能化简,任何类型级数都适用。 + +## **劣势** + +1. 适用范围极窄:绝大多数级数的部分和无法用初等函数化简(如调和级数 $\sum\frac{1}{n}$、$\sum\frac{n}{2^n}$虽能判定敛散性,但部分和无简单表达式)。 + +2. 计算难度高:裂项、错位相减等求和技巧性强,对复杂通项不易找到化简方法。 + +3. 效率低:对比判别法,求部分和的步骤通常更繁琐,不适用于快速判定敛散性。 + +## **例子** + +**例1** + +判定级数 $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{2}{(2n-1)(2n+1)}$的敛散性,若收敛求其和 + +解析 + +1.  裂项变形 + +   $\frac{2}{(2n-1)(2n+1)}=\frac{1}{2n-1}-\frac{1}{2n+1}$ + +2.  求部分和 + +   $S_n=\sum_{k=1}^{n}\left(\frac{1}{2k-1}-\frac{1}{2k+1}\right) = \left(1-\frac{1}{3}\right)+\left(\frac{1}{3}-\frac{1}{5}\right)+\dots+\left(\frac{1}{2n-1}-\frac{1}{2n+1}\right) = 1-\frac{1}{2n+1}$ + +3.  取极限 + +   $\lim_{n \to \infty}S_n=\lim_{n \to \infty}\left(1-\frac{1}{2n+1}\right)=1$ + +4.  结论:该级数 **收敛**,和为 \( 1 \) + +**例2** + +判断级数 + + $\sin \frac{\pi}{6} + \sin \frac{2\pi}{6} + \cdots + \sin \frac{n\pi}{6} + \cdots$ + +的敛散性 + +解析: + +1. 已知公式 + +由积化和差公式: + +$2\sin A \sin B = \cos(A-B) - \cos(A+B)$ + +令  $A = k\theta$, $B = \frac{\theta}{2}$ ,则: + +$2\sin(k\theta) \sin\left( \frac{\theta}{2} \right) = \cos\left( k\theta - \frac{\theta}{2} \right) - \cos\left( k\theta + \frac{\theta}{2} \right)$ + +$= \cos\left( (k - \tfrac12)\theta \right) - \cos\left( (k + \tfrac12)\theta \right)$ + +因此: + +$\boxed{\sin(k\theta) = \frac{\cos\left( (k - \tfrac12)\theta \right) - \cos\left( (k + \tfrac12)\theta \right)}{ 2\sin\frac{\theta}{2} }}$ + +这是一个裂项公式,因为对 k 求和时,中间项会消去。 + +2. 应用到本题 + +题中级数为: + +$\sum_{k=1}^{\infty} \sin\left( \frac{k\pi}{6} \right)$ + +这里  $\theta = \frac{\pi}{6}$ , $\sin\frac{\theta}{2}$ = $\sin\frac{\pi}{12} \neq 0$。 + +利用上面裂项公式,记 + +$a_k = \sin\left( \frac{k\pi}{6} \right)$ + +$= \frac{\cos\left( \frac{(k - \frac12)\pi}{6} \right) - \cos\left( \frac{(k + \frac12)\pi}{6} \right)}{2\sin\frac{\pi}{12}}$ + +即 + +$a_k = \frac{1}{2\sin\frac{\pi}{12}} \left[ \cos\left( \frac{(2k-1)\pi}{12} \right) - \cos\left( \frac{(2k+1)\pi}{12} \right) \right]$ + +3. 求部分和 $S_n$ + +$S_n = \sum_{k=1}^n a_k$ + +$= \frac{1}{2\sin\frac{\pi}{12}} \sum_{k=1}^n \left[ \cos\frac{(2k-1)\pi}{12} - \cos\frac{(2k+1)\pi}{12} \right]$ + +记 $C_m = \cos\frac{(2m-1)\pi}{12}$,则: + +$\sum_{k=1}^n \left[ C_k - C_{k+1} \right]$ + +这是一个裂项和: + +$\sum_{k=1}^n (C_k - C_{k+1}) = C_1 - C_{n+1}$ + +其中 + +$C_1 = \cos\frac{(2\cdot 1 - 1)\pi}{12} = \cos\frac{\pi}{12}$ + +$C_{n+1} = \cos\frac{(2(n+1)-1)\pi}{12} = \cos\frac{(2n+1)\pi}{12}$ + +因此: + +$S_n = \frac{1}{2\sin\frac{\pi}{12}} \left[ \cos\frac{\pi}{12} - \cos\frac{(2n+1)\pi}{12} \right]$ + +4. 分析极限 + +当 $n \to \infty$ 时, $\frac{(2n+1)\pi}{12} \mod 2\pi$  在 $[0, 2\pi)$ 内不趋于一个固定值,而是周期性地取多个不同值。 + +事实上,$\cos\frac{(2n+1)\pi}{12}$ 的值在 $n$ 增加时振荡,不会趋于一个常数。 + +因此: + +$\lim_{n\to\infty} S_n \quad \text{不存在。}$ + +**习题1** + +级数 + +$\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2n+1}{n^2(n+1)^2}$ + +\]   + +的和为 + +A. 0 + +B. 1 + +C. 2 + +D. 不存在(发散) + +解: + +观察 + +$\frac{2n+1}{n^2(n+1)^2} = \frac{(n+1)^2 - n^2}{n^2(n+1)^2} = \frac{1}{n^2} - \frac{1}{(n+1)^2}$ + +部分和: + +$S_N = \sum_{n=1}^N \left[ \frac{1}{n^2} - \frac{1}{(n+1)^2} \right] = 1 - \frac{1}{(N+1)^2} \to 1$ + +收敛到 1。 + +答案:B + +**习题2** + +级数 + +$\sum_{n=1}^{\infty} \left( \sqrt{n+2} - 2\sqrt{n+1} + \sqrt{n} \right)$ + +\]   + +的敛散性是 + +A. 收敛到 0 + +B. 收敛到 $1 - \sqrt{2}$ + +C. 收敛到 $\sqrt{2} - 2$ + +D. 发散 + +解: + +观察通项: + +设 $a_n = \sqrt{n}$,则 + +$a_{n+2} - 2a_{n+1} + a_n = (a_{n+2} - a_{n+1}) - (a_{n+1} - a_n)$ + +\]   + +记 $b_n = a_{n+1} - a_n = \sqrt{n+1} - \sqrt{n}$,则 + +原通项 = $b_{n+1} - b_n$。 + +部分和: + +$S_N = \sum_{n=1}^N (b_{n+1} - b_n) = b_{N+1} - b_1$ + +\]   + +$b_{N+1} = \sqrt{N+2} - \sqrt{N+1}, \quad b_1 = \sqrt{2} - 1$ + +\]   + +因此 + +$S_N = (\sqrt{N+2} - \sqrt{N+1}) - (\sqrt{2} - 1)$ + +\]   + +当 $N \to \infty,\sqrt{N+2} - \sqrt{N+1} \to 0$,所以 + +\$lim_{N\to\infty} S_N = 1 - \sqrt{2}$ + +\]   + +收敛到 $1 - \sqrt{2}$。 + +答案:B + +**级数运算性质判别法** + +**原理** + +1. 线性运算性质的应用 + +设$\sum u_n、\sum v_n$ 为已知敛散性的级数,k 为非零常数: + +- 若 $\sum u_n$ 收敛,则 $\sum ku_n$ 收敛;若 $\sum u_n$ 发散,则 $\sum ku_n$ 发散。 + +- 若 $\sum u_n$ 和 $\sum v_n$ 都收敛,则 $\sum(u_n\pm v_n)$ 收敛。 + +- 若 $\sum u_n$ 收敛、$\sum v_n$ 发散,则 $\sum(u_n\pm v_n)$ 发散。 + +注:若两者都发散,$\sum(u_n\pm v_n)$ 敛散性不确定。 + +2. 添减/改变有限项性质的应用 + +对任意级数,增加、去掉或改变有限项,不改变其敛散性。 + +例:$\sum_{n=3}^{\infty}\frac{1}{2^n}$ 收敛,因为它是收敛等比级数 $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{2^n}$ 去掉前2项得到的。 + +3. 正项级数重组性质的应用 + +若正项级数 $\sum u_n$ 收敛,任意重排其项得到的新级数仍收敛,且和不变。 + +**适用情况** + +1. 待判定级数可拆分为两个或多个已知敛散性的级数的线性组合(如 $\sum (u_n\pm v_n)、\sum ku_n)$。 + +2. 级数仅增减、改变有限项,或对正项级数进行项的重组。 + +3. 已知级数多为基础类型(等比级数、$p$-级数、调和级数等),便于直接套用性质。 + +**优势** + +1. 快捷高效:无需计算极限或构造不等式,直接利用已知结论推导,步骤简洁。 + +2. 既适用于正项级数,也适用于任意项级数(如交错级数)。 + +**劣势** + +1. 依赖性强:必须依赖已知敛散性的“参考级数”,若无法拆分或无合适参考级数,则无法使用。 + +2. 有局限性:对于 $\sum u_n$ 和 $\sum v_n$ 均发散的情况,$\sum (u_n\pm v_n)$ 的敛散性无法直接判定,性质失效。 + +**例子** + +**例1** + +判断级数 + +$\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{n+2}{n+1} \cdot \frac{1}{\sqrt{n}}$ + +的敛散性。 + +解析: + +原级数: + +$S = \sum_{n=1}^\infty (-1)^n \frac{n+2}{n+1} \cdot \frac{1}{\sqrt{n}}.$ + +将 $\frac{n+2}{n+1}$ 写成: + +$\frac{n+2}{n+1} = 1 + \frac{1}{n+1}.$ + +于是通项: + +$(-1)^n \frac{1}{\sqrt{n}} \cdot \left( 1 + \frac{1}{n+1} \right)$ + +$= (-1)^n \frac{1}{\sqrt{n}} \;+\; (-1)^n \frac{1}{\sqrt{n} \,(n+1)}.$ + +记 + +$u_n = (-1)^n \frac{1}{\sqrt{n}}, \quad v_n = (-1)^n \frac{1}{\sqrt{n} \, (n+1)}.$ + +则原级数: + +$S = \sum_{n=1}^\infty u_n \;+\; \sum_{n=1}^\infty v_n.$ + +第一项:$\sum_{n=1}^\infty u_n = \sum_{n=1}^\infty (-1)^n \frac{1}{\sqrt{n}}$。 + +· 这是交错 $p$-级数, $p = \frac12 < 1$,不绝对收敛; + +· 由莱布尼茨判别法($1/\sqrt{n} 单调递减趋于 0$)⇒ 条件收敛。 + +第二项:$\sum_{n=1}^\infty v_n$,比较 $v_n$ 的绝对值: + +$|v_n| = \frac{1}{\sqrt{n} \,(n+1)} \sim \frac{1}{n^{3/2}} \quad (n\to\infty).$ + +因为 $p = 3/2 > 1$,所以 $\sum |v_n|$ 收敛 ⇒ $\sum v_n$ 绝对收敛。 + +利用级数运算性质: + +已知 + +· 若两个级数 $\sum A_n 和 \sum B_n$ 都收敛,则 $\sum (A_n + B_n)$ 收敛(收敛级数的和收敛)。 + +· 若 $\sum A_n$ 条件收敛,$\sum B_n$ 绝对收敛,则 $\sum (A_n + B_n)$条件收敛(因为加一个绝对收敛级数不改变条件收敛的性质)。 + +这里: + +$S = \underbrace{\sum_{n=1}^\infty (-1)^n \frac{1}{\sqrt{n}}}_{\text{条件收敛}} \;+\; \underbrace{\sum_{n=1}^\infty (-1)^n \frac{1}{\sqrt{n}(n+1)}}_{\text{绝对收敛}}.$ + +因此 $S$ 是 条件收敛的级数 + +**例2** + +讨论级数$\sum_{n=2}^{\infty} \frac{(-1)^n}{\sqrt{n} + (-1)^n}$的敛散性 + +解析:先对通项有理化变形,再拆分为两个级数的和,结合级数运算性质判断 + +步骤1 通项有理化与变形 + +对通项分母有理化: +$$ + +\begin{align*} + +u_n &= \frac{(-1)^n}{\sqrt{n} + (-1)^n} \\ + +&= \frac{(-1)^n \left[\sqrt{n} - (-1)^n\right]}{\left[\sqrt{n} + (-1)^n\right]\left[\sqrt{n} - (-1)^n\right]} \\ + +&= \frac{(-1)^n \sqrt{n} - 1}{n - 1} \\ + +&= \frac{(-1)^n \sqrt{n}}{n - 1} - \frac{1}{n - 1} + +\end{align*} +$$ + +$\frac{(-1)^n \sqrt{n}}{n - 1}$用莱布尼兹判别法判断收敛 + +$\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n - 1}:令 k=n-1,级数变为 \sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{k}$(调和级数),**发散**。 + +根据级数运算性质:**收敛级数 + 收敛级数 - 发散级数 = 发散级数**。 + +因此,级数$\sum_{n=2}^{\infty} \frac{(-1)^n}{\sqrt{n} + (-1)^n}$**发散**。 + +**习题1** + +已知级数 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 收敛,$\sum_{n=1}^{\infty} b_n$ 发散,则以下说法正确的是( ) + +A. $\sum_{n=1}^{\infty} (a_n + b_n)$ 必收敛 + +B. $\sum_{n=1}^{\infty} (a_n + b_n)$ 必发散 + +C. $\sum_{n=1}^{\infty} (a_n b_n)$ 必发散 + +D. $\sum_{n=1}^{\infty} (a_n^2)$ 必收敛 + +解析: + +设 $s_n = a_1+\dots+a_n$ 收敛,$t_n = b_1+\dots+b_n$ 发散。 + +则 $a_n+b_n$ 的前 $n$ 项和 = $s_n + t_n$,收敛+发散 = 发散,故 B 正确。 + +反例:A 错。C:取 $a_n=\frac{(-1)^n}{\sqrt{n}}$(条件收敛),$b_n=(-1)^n$(发散),则 $a_n b_n = \frac{1}{\sqrt{n}}$ 发散,但这是特例,不是“必”发散,若 $a_n=\frac{1}{n^2}, b_n=n$,则 $a_n b_n = \frac{1}{n}$ 发散;若 $a_n=\frac{1}{n^2}, b_n=(-1)^n n$,则 $a_n b_n = \frac{(-1)^n}{n}$ 收敛(条件收敛)。所以 C 不对。D:反例 $a_n = \frac{(-1)^n}{\sqrt{n}}$ 收敛(条件收敛),但 $a_n^2 = \frac{1}{n}$ 发散。 + +答案:B + +**习题2** + +级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \left( \frac{\sin n}{n^2} + \frac{(-1)^n}{n} \right)$ 的收敛性是: + +A. 绝对收敛 + +B. 条件收敛 + +C. 发散 + +D. 可能收敛可能发散 + +解析 + +拆成两个: + +1. $\sum \frac{\sin n}{n^2}:因 |\frac{\sin n}{n^2}| \le \frac{1}{n^2}$,绝对收敛。 + +2. $\sum \frac{(-1)^n}{n}$ 是交错调和级数,条件收敛。 + +   条件收敛 + 绝对收敛 = 条件收敛。 + +答案:B \ No newline at end of file