与常数项级数不同,函数项级数表示为
n=1∑∞un(x)=u1(x)+u2(x)+...+un(x)+...
其中函数列定义在 I 上,就称此为定义在 I 上的函数项无穷级数,简称函数项级数
每当给定参数 x,就会使其变为常数项级数,并且既可以发散也可以收敛,如果收敛,那么就称此时的点 x0 为函数项级数的收敛点,函数项级数的收敛点的全体称为收敛域,如果发散则为发散点,发散点的全体称为发散域
在收敛域上的点,级数有和,且这一和是x的函数,称为函数项级数的和函数 s(x)
类似于常数项级数地,我们将函数项级数的前n项和记作 sn(x),就有
n→∞limsn(x)=s(x)
我们再记 rn=s(x)−sn(x) 为函数项级数的余项,其只在收敛域上有意义,并且
n→∞limrn(x)=0
幂级数#
通项形如 un(x)=anxn 的称为幂级数,对于这样的级数我们有
阿贝尔定理,即,如果级数 ∑n=1∞anxn 在 x=x0 时收敛,那么一切符合 ∣x∣<∣x0∣ 的x都可以使得幂级数绝对收敛,如果在 x=x0 时发散,那么一切符合 ∣x∣>∣x0∣ 的x都可以使得幂级数发散
于是我们推论出,如果 ∑n=1∞anxn 不仅仅是在 x=0 一个点收敛,也不是在整个数轴上收敛,此时一定有一个 R>0,使得 ∣x∣<R 时,幂级数绝对收敛,∣x∣>R 时,幂级数发散,∣x∣=R 时,则需另作判断,这里 R 成为幂级数的收敛半径
我们再结合比值审敛法,如果
n→+∞lim∣anan+1∣=ρ那么幂级数的收敛半径就是
R=⎩⎨⎧ρ1,ρ=0+∞,ρ=00,ρ=+∞在收敛域内,幂级数有一些性质
在收敛域内,其部分和 Sn(x) 为收敛域上的连续函数,并且对于任意在收敛域内的 x 有
∫0xn=1∑∞antndt=n=1∑∞∫0xantndt=n=1∑∞n+1anxn+1其和 S(x) 在收敛域上的开区间内可导,且
s′(x)=(n=1∑∞anxn)′=n=1∑∞(anxn)′=n=1∑∞nanxn−1由于导完我们发现留下的依然是幂级数,我们就可以知道 S(x) 在这一区间内有任意阶导数
不难发现,幂级数积分了是幂级数,求导了还是幂级数,再由级数的可和性 (有相同收敛性的) 可以知道幂级数相加减还是幂级数,由其柯西乘积知道,两个幂级数的和相乘就会变成另一个幂级数的和,依然是幂级数,可以说幂级数拥有很好的性质
通过这个积分,我们可以通过将一些级数的求导转化为等比数列,再积分得到和的解析表达来求和,例如
要求n=1∑∞n(−1)n−1的和令s(x)=n=1∑∞n(−1)n−1xn那么s′(x)=n=1∑∞(−1)n−1xn−1于是s(x)=ln(1+x)+C,于是s(x)=ln(1+x)x=1即为所求情况,s=ln2=1+x1(q=−x)s(0)=0,C=0
要求解 s(x),对于通项形如 n1xn 的式子,常常可以逐项求导,导数写为等比数列的无限求和,再积分即可;对于形如 (n+1)xn 的式子,常常可以逐项积分,积分写为等比数列的无限求和,再求导即可
s(x)成立是有范围的!一定要注意我们求出的s(x)只在收敛域内有效,因此要标注这个范围!
三角级数#
通项形如 un(x)=ancosnx+bnsinnx 的称为三角级数
函数展开为幂级数#
函数 f(x) 能泰勒展开的充分必要条件就是其在泰勒公式中的余项在 n→∞ 时为0
f(x)=n=0∑∞n!f(n)(x0)(x−x0)n泰勒级数就是使用多项式函数来近似超越函数,例如
f(x)=ex=n=0∑∞n!f(n)(0)(x−0)n=n=0∑∞n!1xn,x∈Rsin(x)=n=0∑∞(2n+1)!(−1)nx2n+1,x∈Rcos(x)=n=0∑∞(2n)!(−1)nx2n,x∈R并且可以间接展开,例如
ex2=ey=n=0∑∞n!1yn=n=0∑∞n!1x2n还有
(1+x)m=n=0∑∞n!m(m−1)(m−2)...(m−n+1)xn,x∈(−1,1)这就是二项式的广义展开式,当 α 为整数,实际上就是二项式定理
特别地,当 m=−1 时,m(m−1)...(m−n+1)=−1×−2×...×−n=n!(−1)n,于是
1+x1=n=0∑∞(−1)nxn,x∈(−1,1)如果上式的 x 变为 −x,形式将更为优雅
1−x1=n=0∑∞xn,x∈(−1,1)这几个式子就是我们求解级数时可能是用的代数变换的基础,例如
ln(1+x)=∫0x1+x1dx=n=0∑∞n+1(−1)nxn+1=n=1∑∞n(−1)n−1xn并且由于 x=1 时,右侧级数收敛,x=−1时候,右侧级数为负项级数且与 n1 同阶,因此发散,所以
ln(1+x)=n=1∑∞n(−1)n−1xnx∈(−1,1]还有
1+x21=n=0∑∞(−1)nx2n
注意,这些展开全都有范围,一定要带上范围