D11_3冪級數(shù)-阿貝爾定理【教學(xué)類別】

第三節(jié)一、函數(shù)項級數(shù)的概念一、函數(shù)項級數(shù)的概念 二、冪級數(shù)及其收斂性二、冪級數(shù)及其收斂性 三、冪級數(shù)的運算三、冪級數(shù)的運算 冪級數(shù) 機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 第十一章 一、一、函數(shù)項級數(shù)的概念函數(shù)項級數(shù)的概念設(shè)121)()()()(nnnxuxuxuxu為定義在區(qū)間 I 上的函數(shù)項級數(shù)函數(shù)項級數(shù).對,I0 x若常數(shù)項級數(shù)10)(nnxu斂點斂點,所有收斂點的全體稱為其收斂域收斂域;若常數(shù)項級數(shù)10)(nnxu為定義在區(qū)間 I 上的函數(shù),稱收斂,發(fā)散,所有0 x稱為其收收 0 x稱為其發(fā)散點發(fā)散點,),2,1()(nxun發(fā)散點的全體稱為其發(fā)散域發(fā)散域.機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束,)(xS為級數(shù)的和函數(shù)和函數(shù),并寫成)()(1xuxSnn若用)(xSn)()(1xuxSnkkn令余項)()()(xSxSxrnn則在收斂域上有,)()(limxSxSnn0)(limxrnn表示函數(shù)項級數(shù)前 n 項的和,即在收斂域上,函數(shù)項級數(shù)的和是 x 的函數(shù) 稱它機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 例如例如,等比級數(shù)它的收斂域是,)1,1(,11,(），及nnnxxxx201xxnn110它的發(fā)散域是或?qū)懽?1x又如又如,級數(shù),)0(02xnxxnnn,)(limxunn級數(shù)發(fā)散;所以級數(shù)的收斂域僅為.1x,)1,1(時當(dāng)x有和函數(shù),1時收斂當(dāng)x,10時但當(dāng) x機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 二、冪級數(shù)及其收斂性二、冪級數(shù)及其收斂性 形如00)(nnnxxa202010)()(xxaxxaa的函數(shù)項級數(shù)稱為冪級數(shù)冪級數(shù),其中數(shù)列),1,0(nan下面著重討論00 x0nnnxannxaxaxaa2210例如,冪級數(shù)1,110 xxxnn為冪級數(shù)的系數(shù)系數(shù).即是此種情形.的情形,即nnxxa)(0稱 機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 ox發(fā) 散發(fā) 散收 斂收斂 發(fā)散定理定理 1.(Abel定理定理)若冪級數(shù)0nnnxa,0點收斂在xx 則對滿足不等式0 xx 的一切 x 冪級數(shù)都絕對收斂.反之,若當(dāng)0 xx 0 xx 的一切 x,該冪級數(shù)也發(fā)散.時該冪級數(shù)發(fā)散,則對滿足不等式證證:設(shè)00nnnxa,0lim0nnnxa收斂,則必有),2,1(0nMxann于是存在常數(shù) M 0,使阿貝爾 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 當(dāng) 時,0 xx 00nnxxM收斂,0nnnxa故原冪級數(shù)絕對收斂.也收斂,反之,若當(dāng)0 xx 時該冪級數(shù)發(fā)散,下面用反證法證之.假設(shè)有一點1x01xx0 x滿足不等式0 xx 所以若當(dāng)0 xx 滿足且使級數(shù)收斂,面的證明可知,級數(shù)在點故假設(shè)不真.的 x,原冪級數(shù)也發(fā)散.時冪級數(shù)發(fā)散,則對一切則由前也應(yīng)收斂,與所設(shè)矛盾,nnnnnnxxxaxa00nnnxxxa00nxxM0證畢機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 冪級數(shù)在(,+)收斂;由Abel 定理可以看出,0nnnxa中心的區(qū)間.用R 表示冪級數(shù)收斂與發(fā)散的分界點,的收斂域是以原點為則R=0 時,冪級數(shù)僅在 x=0 收斂;R=時,0 R冪級數(shù)在(R,R)收斂;(R,R)加上收斂的端點稱為收斂域收斂域.R 稱為收斂半徑收斂半徑，在R,R 可能收斂也可能發(fā)散.Rx外發(fā)散;在(R,R)稱為收斂區(qū)間收斂區(qū)間.ox發(fā) 散發(fā) 散收 斂收斂 發(fā)散機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 xaaxaxannnnnnnn111limlim定理定理2.若0nnnxa的系數(shù)滿足,lim1nnnaa;1R;R.0R證證:1)若 0,則根據(jù)比值審斂法可知:當(dāng),1x原級數(shù)收斂;當(dāng),1x原級數(shù)發(fā)散.x即1x時,1)當(dāng) 0 時,2)當(dāng) 0 時,3)當(dāng) 時,即時,則 1x機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 2)若,0則根據(jù)比值審斂法可知,;R絕對收斂,3)若,則對除 x=0 以外的一切 x 原級發(fā)散,.0R對任意 x 原級數(shù)因此因此 0nnnxa的收斂半徑為說明說明:據(jù)此定理1limnnnaaR因此級數(shù)的收斂半徑.1R機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 對端點 x=1,1limnnnaaRnxxxxnn 132)1(32的收斂半徑及收斂域.解解:11nn11對端點 x=1,級數(shù)為交錯級數(shù),1)1(11nnn收斂;級數(shù)為,11nn發(fā)散.1,1(故收斂域為例例1 1.求冪級數(shù) limn 機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 例例2.求下列冪級數(shù)的收斂域:.!)2(;!1)1(00nnnnxnxn解解:(1)limlim1nnnnaaR!1n)1(limnn所以收斂域為.),(2)limlim1nnnnaaR!n!)1(n11limnn0所以級數(shù)僅在 x=0 處收斂.規(guī)定:0!=1!)1(1n機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 例例3.nnxnn202)!(!)2(求冪級數(shù)的收斂半徑.解解:級數(shù)缺少奇次冪項,不能直接應(yīng)用定理2,比值審斂法求收斂半徑.lim)()(lim1nnnnxuxu2!)1(!)1(2nn2!2nn22)1()22()12(limxnnnn24x142x當(dāng)時級數(shù)收斂時級數(shù)發(fā)散 故收斂半徑為.21R21x即142x當(dāng)21x即)1(2nxnx2故直接由機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 例例4.12)1(nnnnx求冪級數(shù)的收斂域.解解:令,1 xt級數(shù)變?yōu)閚nntn121nnnnaaRlimlim1nn21)1(211nnnnnnn2)1(2lim12當(dāng) t=2 時,級數(shù)為,11nn此級數(shù)發(fā)散;當(dāng) t=2 時,級數(shù)為,)1(1nnn此級數(shù)條件收斂;因此級數(shù)的收斂域為,22t故原級數(shù)的收斂域為,212x即.31x機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 三、冪級數(shù)的運算三、冪級數(shù)的運算定理定理3.設(shè)冪級數(shù)nnnxa0nnnxb0及的收斂半徑分別為,21RR令nnnxa0)(0為常數(shù)nnnxa1Rx,min21RRR nnnnnnxbxa00,)(0nnnnxbaRx,0nnnxcRx 則有:nnnnnnxbxa00其中knnkknbac0以上結(jié)論可用部分和的極限證明.機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 說明說明:兩個冪級數(shù)相除所得冪級數(shù)的收斂半徑可能比原來兩個冪級數(shù)的收斂半徑小得多.例如,設(shè) nnnxa0nnnxb0),2,1,0,1(0naan,3,2,0,1,110nbbbn它們的收斂半徑均為,R但是nnnxa0nxxx21其收斂半徑只是.1R1x1nnnxb0 x11機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 定理定理4 若冪級數(shù)nnnxa0的收斂半徑,0R)(xS數(shù)(證明見第六節(jié))nnnxaxS0)(,11nnnxan),(RRxxxaxxSnxnnxdd)(000,110nnnxna),(RRx則其和函在收斂域上連續(xù),且在收斂區(qū)間內(nèi)可逐項求導(dǎo)與逐項求積分,運算前后收斂半徑相同:注注:逐項積分時,運算前后端點處的斂散性不變.機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 解解:由例2可知級數(shù)的收斂半徑 R+.例例5.0!nnnx求冪級數(shù)0!)(nnnxxS)(x則11!)1()(nnnxxS0!kkkx)(xS)(x故有0)(xSexxeCxS)(,)(1)0(xexSS 得由故得.!0 xnnenx的和函數(shù).因此得設(shè)機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 例例6.1nnxn求冪級數(shù)的和函數(shù)解解:易求出冪級數(shù)的收斂半徑為 1,x1 時級數(shù)發(fā),)1,1(時故當(dāng)x1)(nnxnxS1)(nnxxxxx12)1(xx.)(xS11nnxnx1nnxx散,機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 例例7.求級數(shù)01nnnx的和函數(shù).)(xS解解:易求出冪級數(shù)的收斂半徑為 1,時級數(shù)且1x01)(nnnxxS xnnxxx00d1xxxx0d111)1ln(1xx)10(x1x及收斂,有時則當(dāng),0 x0111nnnxxxnnxxx00d1機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束)1,0()0,1x)(xS,)1ln(1xx因此由和函數(shù)的連續(xù)性得:)(xS而)0(S,1)1(lnlim0 xxx,)1ln(1xx,10 x,1)10(x1x及機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 例例8.2)1(122的和求數(shù)項級數(shù)nnn解解:設(shè),1)(22nnnxxS則,)1,1(x2112nnnxx21121nnnxx)0(x12nnnxx321nnnxxnnxnnxS111121)(2機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 1nnnx 101dnxnxx而xxxnnd011 xxx01d)1ln(x42)1ln(21)(2xxxxxS故222)1(1nnn)0(x1212)(nnnxxxxS)2(212xxx21S2ln4385)0(x機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 內(nèi)容小結(jié)內(nèi)容小結(jié)1.求冪級數(shù)收斂域的方法1)對標(biāo)準(zhǔn)型冪級數(shù)先求收斂半徑,再討論端點的收斂性.2)對非標(biāo)準(zhǔn)型冪級數(shù)(缺項或通項為復(fù)合式)求收斂半徑時直接用比值法或根值法,2.冪級數(shù)的性質(zhì)1)兩個冪級數(shù)在公共收斂區(qū)間內(nèi)可進行加、減與)0(0nnnnaxa也可通過換元化為標(biāo)準(zhǔn)型再求.乘法運算.機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 2)在收斂區(qū)間內(nèi)冪級數(shù)的和函數(shù)連續(xù);3)冪級數(shù)在收斂區(qū)間內(nèi)可逐項求導(dǎo)和求積分.思考與練習(xí)思考與練習(xí) 1.已知nnnxa00 xx 在處條件收斂,問該級數(shù)收斂半徑是多少?答答:根據(jù)Abel 定理可知,級數(shù)在0 xx 收斂,0 xx 時發(fā)散.故收斂半徑為.0 xR 機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 2.在冪級數(shù)nnnnx02)1(2中,nnaa1nn)1(2)1(2211n 為奇數(shù),23n 為偶數(shù),61能否確定它的收斂半徑不存在?答答:不能.因為nnnxu)(lim2)1(2limxnnn2x當(dāng)2x時級數(shù)收斂,2x時級數(shù)發(fā)散,.2R說明說明:可以證明比值判別法成立根值判別法成立機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 P215 1 (1),(3),(5),(7),(8)2 (1),(3)P257 7 (1),(4)8 (1),(3)作業(yè)第四節(jié) 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 阿貝爾阿貝爾(1802 1829)挪威數(shù)學(xué)家,近代數(shù)學(xué)發(fā)展的先驅(qū)者.他在22歲時就解決了用根式解5 次方程的不可能性問題,他還研究了更廣的一 并稱之為阿貝爾群.在級數(shù)研究中,他得 到了一些判斂準(zhǔn)則及冪級數(shù)求和定理.論的奠基人之一,他的一系列工作為橢圓函數(shù)研究開拓了道路.數(shù)學(xué)家們工作150年.類代數(shù)方程,他是橢圓函數(shù)C.埃爾米特曾說:阿貝爾留下的思想可供 后人發(fā)現(xiàn)這是一類交換群,備用題備用題 求極限,)(lim221nanaan其中.1a解解:令nnanaaS221nkkak1作冪級數(shù),1nnxn設(shè)其和為,)(xS易知其收斂半徑為 1,則1)(nnxnxS11nnxnx1nnxxxxx12)1(xxnnSlim)(1aS2)1(aa機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束