级数的作用

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1.级数理论的意义部分。

级数是研究函数的重要工具,级数是产生新函数的重要方法,同时又是对已知函数表示、逼近的有效方法,在近似计算中发挥着重要作用。我们在建立定积分概念的同时,引入变上限积分定义出了一类新函数,使我们认识到除了初等函数之外的函数类;有了级数理论后,使我们的眼界进一步开阔了,认识到了更广泛的非初等函数类型。

级数理论的功能并不仅仅在于引进非初等函数,更重要的是给出了研究这些函数的有效方法,而且即使是初等函数,给出了它们的级数形式,有时会更便于研究它们的性质。我们知道,泰劳公式是用有限项的多项式近似表示函数,它对于研究函数的局部逼近和整体逼近有着重要意义,在此基础上和一定的条件下,我们可以用无穷多项的多项式来准确地表示一个函数,这就是幂级数。利用函数的幂级数展开式,对研究函数的性质和计算都有着非常重要的作用。 当然,能表示成幂级数的函数必须具备任意阶可微的条件,这对于有些性质较差的函数(如分段函数),我们就不能展开成幂级数,此时付立叶级数却能满足这样的函数的展开。

级数理论的基础仍然是极限,级数是一个无限求和的过程,它与有限求和有着根本的不同,即参与了极限运算,把极限及其运算性质移植到级数中去,就形成了级数的一些独特性质。级数理论的第一个重要概念是收敛性。此外,级数的运算、函数项级数的一致收敛性、一致收敛级数的分析性质、函数的幂级数展开、函数的付立叶级数展开都是级数理论的基本内容。

2.数列与数项级数的关系

数列逐项累加起来的式子称为级数。或者说,数列逐项累加的极限形式称为级数。若定义级数的前n项部分和为Sn,则逐项累加的极限S如果存在,则称级数收敛,否则称为发散。数项级数的敛散性是用部分和数列的敛散性来定义的。所以数列极限的理论移植过来,就可以建立数项级数的一般理论。由于级数是在有限项相加的基础上施行的极限运算,从而确切地定义了无限项相加,形成了这种特殊的形式,所以它有着比数列极限更独特的性质和意义。

3.函数项级数一致收敛的作用

如果我们把有限个函数相加称为有限和,那么函数项级数就可称为无限和,在有限和的情形下,连续函数的和函数仍然连续,但在无限和的情形下,连续函数的和函数却不一定连续。类似的,在有限和的情形下,逐项积分与逐项微分是成立的,但在无限和的情形下,却不一定成立。为保证以上运算,在无限和的情形下成立,仅有收敛是不够的,因此引进了函数项级数的一致收敛性的理论。函数项级数在一致收敛的条件下,可实现函数项级数和函数的连续、逐项积分与逐项微分。

4.傅立叶级数研究的基本问题

最早的三角级数展开是由于解偏微分方程的需要,在18世纪由法国的工程师兼学者Fourier在其名著 热的解析理论 中予以详细讨论的。实际上,三角级数展开不仅在实用中有重大意义,而且对于现代数学的发展,都深具影响。

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