考研高等数学公式总结(三)

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无穷级数收敛性判断

定义

∑ n = 1 ∞ u n = u 1 + u 2 + . . . + u n + . . . 叫 无 穷 级 数 S n = u 1 + u 2 + . . . + u n 叫 级 数 的 前 n 项 和 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛    ⟺    lim ⁡ n → + ∞ S n 存 在 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 → lim ⁡ n → ∞ u n lim ⁡ n → ∞ u n 存 在 = 0 ( 必 要 条 件 ) ∑ n = 1 ∞ ( u n + 1 − u n ) 收 敛    ⟺    lim ⁡ n → ∞ u n lim ⁡ n → ∞ u n 存 在 \begin{aligned} & \sum_{n=1}^{\infty}u_n=u_1+u_2+...+u_n+...叫无穷级数\\ & S_n=u_1+u_2+...+u_n叫级数的前n项和\\ & \sum_{n=1}^{\infty}u_n收敛 \iff \lim_{n\rightarrow +\infty}S_n存在\\ & \sum_{n=1}^{\infty}u_n收敛 \rightarrow \lim_{n\rightarrow\infty}u_n\lim_{n\rightarrow\infty}u_n 存在=0(必要条件)\\ & \sum_{n=1}^{\infty}(u_{n+1}-u_n)收敛 \iff \lim_{n\rightarrow\infty}u_n\lim_{n\rightarrow\infty}u_n 存在 \end{aligned} n=1un=u1+u2+...+un+...Sn=u1+u2+...+unnn=1unn+limSnn=1unnlimunnlimun=0()n=1(un+1un)nlimunnlimun

正项级数

名称 具体
收敛原则 ∑ n = 1 ∞ u n \sum_{n=1}^{\infty}u_n n=1un收敛 ⇔ \Leftrightarrow 部分和 S n {S_n} Sn有界
比较判别法 大的收敛 ⇒ \Rightarrow 小的收敛,小的发散 ⇒ \Rightarrow 大的发散
比较判别法的极限形式 $\lim_{n\rightarrow \infty}\cfrac{u_n}{v_n}=A= \begin{cases} 0 & v_n收敛\Rightarrow u_n也收敛\ +\infty& v_n发散\Rightarrow u_n也发散 \ C& v_n与u_n有相同的敛散性 \end{cases} \$
比值判别法 $\lim_{n\rightarrow \infty}\cfrac{u_{n+1}}{u_n}=\rho= \begin{cases} \rho<1 & 收敛\ \rho>1& 发散 \\rho=1& 失效\ \end{cases} \$
根植判别法 $\lim_{n\rightarrow \infty}\sqrt[n]{u_n}=\rho= \begin{cases} \rho<1 & 收敛\ \rho>1& 发散 \\rho=1& 失效 \ \end{cases} \$
积分判别法 若存在 [ a , + ∞ ] [a,+\infty] [a,+]单调减少非负连续函数 f ( x ) f(x) f(x),使得 u n = f ( n ) u_n=f(n) un=f(n),则级数 ∑ n = a ∞ u n \sum_{n=a}^{\infty}u_n n=aun与反常积分 ∫ a + ∞ f ( x ) d x \int_a^{+\infty}f(x)dx a+f(x)dx的收敛性相同

交错级数 ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 u n , u n > 0 \sum_{n=1}^\infty(-1)^{n-1}u_n,u_n>0 n=1(1)n1un,un>0

∣ u n ∣ 单 调 不 增 且 lim ⁡ n → ∞ u n = 0 → 级 数 收 敛 ( 不 满 足 方 法 失 效 , 可 尝 试 拆 项 ) (莱布尼茨判别法) |u_n|单调不增且\lim_{n \rightarrow \infty}u_n=0\rightarrow 级数收敛(不满足方法失效,可尝试拆项) \tag{莱布尼茨判别法} unnlimun=0()()

任意项级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum_{n=1}^{\infty}u_n n=1un

∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ 收 敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n 绝 对 收 敛 ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ 发 散 , ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n 条 件 收 敛 \begin{aligned} & \sum_{n=1}^{\infty}|u_n|收敛 \Rightarrow \sum_{n=1}^{\infty}u_n绝对收敛\\ & \sum_{n=1}^{\infty}|u_n|发散,\sum_{n=1}^{\infty}u_n收敛 \Rightarrow \sum_{n=1}^{\infty}u_n条件收敛\\ \end{aligned} n=1unn=1unn=1un,n=1unn=1un

常用级数收敛性

等 比 级 数 ∑ n = 1 ∞ a q n − 1 { = a 1 − q , ∣ q ∣ < 1 发 散 , ∣ q ∣ ⩾ 1 p 级 数 ∑ n = 1 ∞ 1 n p { 收 敛 , p > 1 发 散 , p ⩽ 1 广 义 p 级 数 ∑ n = 1 ∞ 1 n ( ln ⁡ n ) p { 收 敛 , p > 1 发 散 , p ⩽ 1 交 错 p 级 数 ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 1 n p { 绝 对 收 敛 , p > 1 条 件 收 敛 , 0 < p ⩽ 1 \begin{aligned} &等比级数\sum_{n=1}^{\infty}aq^{n-1} \begin{cases} =\cfrac a{1-q},&|q|<1\\ 发散,& |q|\geqslant1 \end{cases} &p级数\sum_{n=1}^{\infty}\cfrac{1}{n^p} \begin{cases} 收敛,&p>1\\ 发散,& p\leqslant1 \end{cases}\\ &广义p级数\sum_{n=1}^{\infty}\cfrac{1}{n(\ln n)^p} \begin{cases} 收敛,&p>1\\ 发散,& p\leqslant1 \end{cases} &交错p级数\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\cfrac{1}{n^p} \begin{cases} 绝对收敛,&p>1\\ 条件收敛,& 0n=1aqn1=1qa,,q<1q1广pn=1n(lnn)p1{,,p>1p1pn=1np1{,,p>1p1pn=1(1)n1np1{,,p>10<p1

常用结论

1. 若 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , 则 ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ 不 定 ( 反 例 : ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n 1 n 收 敛 , 但 ∑ n = 1 ∞ 1 n 发 散 ) 2. 设 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , 则 { u n ⩾ 0 时 , ∑ n = 1 ∞ u n 2 收 敛 ( lim ⁡ n → ∞ u n = 0 , 从 某 项 起 , u n < 1 , u n 2 < u n ) u n 任 意 时 , ∑ n = 1 ∞ u n 2 不 定 ( 反 例 : ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n 1 n 收 敛 , 但 ∑ n = 1 ∞ 1 n 发 散 ) 3. 设 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , 则 { u n ⩾ 0 时 , ∑ n = 1 ∞ u n u n + 1 收 敛 ( u n ⋅ u n + 1 ⩽ u n 2 + u n + 1 2 2 ) u n 任 意 时 , ∑ n = 1 ∞ u n u n + 1 不 定 ( 反 例 : u n = ( − 1 ) n 1 n , u n u n + 1 = ( − 1 ) n 1 n ( − 1 ) n + 1 1 n + 1 = − 1 n ( n + 1 ) , 级 数 发 散 ) 4. 设 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , 则 ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n u n 不 定 ( 反 例 : ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n 1 n 收 敛 , 但 ∑ n = 1 ∞ 1 n 发 散 ) 5. 设 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , 则 ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n u n n 不 定 ( 反 例 : ∑ n = 2 ∞ ( − 1 ) n 1 ln ⁡ n 收 敛 , 但 ∑ n = 2 ∞ 1 n ln ⁡ n 发 散 ) 6. 设 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , 则 { u n ⩾ 0 时 , ∑ n = 1 ∞ u 2 n , ∑ n = 1 ∞ u 2 n − 1 均 收 敛 u n 任 意 时 , ∑ n = 1 ∞ u 2 n , ∑ n = 1 ∞ u 2 n − 1 不 定 ( 反 例 : 1 − 1 2 + 1 3 − 1 4 + 1 5 − 1 6 + ⋯ = ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 1 n 收 敛 , 但 是 其 奇 数 项 和 与 偶 数 项 和 都 发 散 ) 7. 设 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , 则 ∑ n = 1 ∞ ( u 2 n − 1 + u 2 n ) 收 敛 . ( 收 敛 级 数 任 意 加 括 号 所 得 的 新 级 数 仍 收 敛 , 且 和 不 变 , 但 反 过 来 推 要 增 加 lim ⁡ n → ∞ = 0 的 条 件 , 即 ∑ n = 1 ∞ ( u 2 n − 1 + u 2 n ) 收 敛 且 lim ⁡ n → ∞ = 0 , 则 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , 因 S 2 n = ( u 1 + u 2 ) + ( u 3 + u 4 ) + ⋯ + ( u 2 n − 1 + u 2 n ) , lim ⁡ n → ∞ S 2 n = S 存 在 , S 2 n + 1 = S 2 n + u 2 n + 1 , lim ⁡ n → ∞ S 2 n + 1 = S + lim ⁡ n → ∞ u 2 n + 1 = S , 即 可 得 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 ) 8. 设 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , 则 ∑ n = 1 ∞ ( u 2 n − 1 − u 2 n ) 不 定 ( 反 例 : ( u 1 + u 2 ) + ( u 3 + u 4 ) + ( u 5 + u 6 ) + ⋯ = 1 − 1 2 + 1 3 − 1 4 + 1 5 − 1 6 + ⋯ 收 敛 , 但 1 + 1 2 + 1 3 + 1 4 + 1 5 + 1 6 + ⋯ 发 散 ) 9. 设 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , 则 { ∑ n = 1 ∞ ( u n + u n + 1 ) 收 敛 , ∑ n = 1 ∞ u n + ∑ n = 1 ∞ u n + 1 收 敛 ∑ n = 1 ∞ ( u n − u n + 1 ) 收 敛 , ∑ n = 1 ∞ u n − ∑ n = 1 ∞ u n + 1 收 敛 10. 若 ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ 收 敛 , 则 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 ; 若 ∑ n = 1 ∞ u n 发 散 , 则 ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ 发 散 11. 若 ∑ n = 1 ∞ u n 2 收 敛 , 则 ∑ n = 1 ∞ u n n 绝 对 收 敛 ( ∣ u n n ∣ ⩽ 1 2 ( u n 2 + 1 n 2 ) ) 12. 设 a , b , c 为 非 零 常 数 , 且 a u n + b v n + c w n = 0 , 则 在 ∑ n = 1 ∞ u n , ∑ n = 1 ∞ v n , ∑ n = 1 ∞ w n 中 只 要 有 两 个 级 数 是 收 敛 的 , 另 一 个 必 收 敛 13. 若 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , ∑ n = 1 ∞ v n 收 敛 , 则 ∑ n = 1 ∞ ( u n ± v n ) 收 敛 14. 若 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , ∑ n = 1 ∞ v n 发 散 , 则 ∑ n = 1 ∞ ( u n ± v n ) 发 散 15. 若 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , ∑ n = 1 ∞ v n 发 散 , 则 { u n ⩾ 0 , v n ⩾ 0 时 , ∑ n = 1 ∞ ( u n + v n ) 发 散 u n , v n 任 意 时 , ∑ n = 1 ∞ ( u n ± v n ) 不 定 16. 若 ∑ n = 1 ∞ u n 收 敛 , ∑ n = 1 ∞ v n 收 敛 , 则 { u n ⩾ 0 , v n ⩾ 0 时 , ∑ n = 1 ∞ u n v n 收 敛 ( u n ⋅ v n ⩽ u n 2 + v n 2 2 ) u n 任 意 , v n ⩾ 0 时 , ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ ⋅ v n 收 敛 ( lim ⁡ n → ∞ ∣ u n ∣ ⋅ v n v n = lim ⁡ n → ∞ ∣ u n ∣ = 0 ) u n 任 意 , v n 任 意 时 , ∑ n = 1 ∞ u n v n 不 定 \begin{aligned} 1.&若\sum_{n=1}^{\infty}u_n收敛,则\sum_{n=1}^{\infty}|u_n|不定(反例:\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n\cfrac1n收敛,但\sum_{n=1}^{\infty}\cfrac1n发散)\\ 2.&设\sum_{n=1}^{\infty}u_n收敛,则 \begin{cases} u_n\geqslant0时,\sum_{n=1}^{\infty}u_n^2收敛(\lim_{n\rightarrow \infty}u_n=0,从某项起,u_n<1,u_n^21.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.n=1un,n=1un(:n=1(1)nn1,n=1n1)n=1un,un0,n=1un2(limnun=0,,un<1,un2<un)un,n=1un2(:n=1(1)nn 1,n=1n1)n=1un,un0,n=1unun+1(unun+12un2+un+12)un,n=1unun+1(:un=(1)nn 1,unun+1=(1)nn 1(1)n+1n+1 1=n(n+1) 1,)n=1un,n=1(1)nun(:n=1(1)nn1,n=1n1)n=1un,n=1(1)nnun(:n=2(1)nlnn1,n=2nlnn1)n=1un,un0,n=1u2n,n=1u2n1un,n=1u2n,n=1u2n1(:121+3141+5161+=n=1(1)n1n1)n=1un,n=1(u2n1+u2n).(,,nlim=0,n=1(u2n1+u2n)nlim=0,n=1un,S2n=(u1+u2)+(u3+u4)++(u2n1+u2n),nlimS2n=S,S2n+1=S2n+u2n+1,nlimS2n+1=S+nlimu2n+1=S,n=1unn=1un,n=1(u2n1u2n)((u1+u2)+(u3+u4)+(u5+u6)+=121+3141+5161+1+21+31+41+51+61+)n=1un,{n=1(un+un+1),n=1un+n=1un+1n=1(unun+1),n=1unn=1un+1n=1un,n=1un;n=1un,n=1unn=1un2,n=1nun(nun21(un2+n21))a,b,c,aun+bvn+cwn=0,n=1un,n=1vn,n=1wn,n=1un,n=1vn,n=1(un±vn)n=1un,n=1vn,n=1(un±vn)n=1un,n=1vn,{un0,vn0,n=1(un+vn)un,vn,n=1(un±vn)n=1un,n=1vn,un0,vn0,n=1unvn(unvn2un2+vn2)un,vn0,n=1unvn(limnvnunvn=limnun=0)un,vn,n=1unvn

傅里叶级数

f ( x ) ∼ S ( x ) = a 0 2 + ∑ n = 1 ∞ ( a n cos ⁡ n π l x + b n sin ⁡ n π l x ) a n = 1 l ∫ − l l f ( x ) cos ⁡ n π l x d x b n = 1 l ∫ − l l f ( x ) sin ⁡ n π l x d x \begin{aligned} f(x)\sim S(x)=&\cfrac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}(a_n\cos \cfrac{n\pi}{l}x+b_n \sin \cfrac{n\pi}{l}x) \\ &a_n=\cfrac{1}{l}\int_{-l}^{l}f(x)\cos\cfrac{n\pi}{l}xdx \\ &b_n=\cfrac{1}{l}\int_{-l}^{l}f(x)\sin\cfrac{n\pi}{l}xdx \\ \end{aligned} f(x)S(x)=2a0+n=1(ancoslnπx+bnsinlnπx)an=l1llf(x)coslnπxdxbn=l1llf(x)sinlnπxdx

S ( x ) = { f ( x ) x 为 连 续 点 f ( x − ) + f ( x + ) 2 x 为 间 断 点 f ( − l + ) + f ( l − ) 2 x = ± l (狄利克雷收敛定理) S(x)= \begin{cases} f(x) & x为连续点\\ \cfrac{f(x^-)+f(x^+)}{2}& x为间断点 \\ \cfrac{f(-l ^+)+f(l ^-)}{2}& x=\pm l \end{cases} \tag{狄利克雷收敛定理} S(x)=f(x)2f(x)+f(x+)2f(l+)+f(l)xxx=±l()

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