无穷级数

卷种提示:本章为仅数一内容,数学二不考无穷级数。卷种(数一/数二)确认前按数一超集组织;若最终确认为数二,本章整体可跳过。

考点定位

  • 大纲位置:高等数学无穷级数部分(常称"级数"一章,数一专属)
  • 常见题型:常数项级数敛散性判别(选择/小题,含条件收敛与绝对收敛的辨析)、幂级数收敛半径与收敛域、幂级数求和函数(解答题常客)、函数展开为幂级数、傅里叶级数系数与收敛定理(含间断点处的和)
  • 考查频率:中高。求和函数与敛散性判别几乎每年出现;傅里叶级数隔年一考
  • 前置知识:函数、极限与连续(数列极限)、一元函数微分学(泰勒公式思想)、一元函数积分学(逐项积分要用)
  • 定位:级数是"程序化判别"章节——判别流程图背熟、五个常用展开式与四个基本和函数焊死,考场上就是流水线作业

核心讲解

常数项级数的概念与性质

定义:给定数列 u1,u2,…,un,…u_1, u_2, \dots, u_n, \dots,称 ∑n=1∞un=u1+u2+⋯\sum\limits_{n=1}^\infty u_n = u_1 + u_2 + \cdots 为(常数项)无穷级数,unu_n 为通项。部分和数列 Sn=u1+⋯+unS_n = u_1 + \cdots + u_n。若 lim⁡n→∞Sn=S\lim\limits_{n\to\infty} S_n = S 存在,称级数收敛于 SS;否则发散。按定义,级数收敛 ⟺ 部分和数列收敛,级数问题本质是数列极限问题。

基本性质:

  1. 线性:∑un=S\sum u_n = S、∑vn=T\sum v_n = T 收敛 ⟹ ∑(αun+βvn)=αS+βT\sum(\alpha u_n + \beta v_n) = \alpha S + \beta T 收敛。注意:一个收敛加一个发散必发散;两个发散相加可能收敛(un+(−un)u_n + (-u_n))
  2. 增删有限项不改变敛散性(和会变)
  3. 收敛级数任意加括号仍收敛且和不变;反之不真(加括号后收敛推不出原级数收敛,如 (1−1)+(1−1)+⋯(1-1)+(1-1)+\cdots 收敛但 1−1+1−1+⋯1-1+1-1+\cdots 发散)
  4. 收敛必要条件:∑un\sum u_n 收敛 ⇒lim⁡n→∞un=0\Rightarrow \lim\limits_{n\to\infty} u_n = 0。逆否命题用于快速判发散:通项不趋于 0 必发散(如 ∑n\sum n、∑nn+1\sum \dfrac{n}{n+1})。但通项趋于 0 不保证收敛(调和级数 ∑1n\sum \dfrac1n 发散)

三个基准级数(比较判别法的"参照系",必须烂熟):

级数敛散性
等比级数 ∑n=0∞qn\sum\limits_{n=0}^\infty q^n∥q∥<1\|q\| < 1 收敛于 11−q\dfrac{1}{1-q};∥q∥≥1\|q\| \ge 1 发散
pp-级数 ∑n=1∞1np\sum\limits_{n=1}^\infty \dfrac{1}{n^p}p>1p > 1 收敛;p≤1p \le 1 发散(p=1p = 1 即调和级数)
广义 pp-级数 ∑n=2∞1n(ln⁡n)p\sum\limits_{n=2}^\infty \dfrac{1}{n(\ln n)^p}p>1p > 1 收敛;p≤1p \le 1 发散(由积分判别法,见下)

积分判别法(数一大纲要求):设 ff 在 [1,+∞)[1, +\infty) 上非负、单减,则 ∑n=1∞f(n)\sum\limits_{n=1}^\infty f(n) 与 ∫1+∞f(x) dx\int_1^{+\infty} f(x)\,dx 同敛散。例如 ∑1nln⁡n\sum \dfrac{1}{n\ln n} 与 ∫2+∞dxxln⁡x=ln⁡ln⁡x∣2+∞=+∞\int_2^{+\infty}\dfrac{dx}{x\ln x} = \ln\ln x\Big|_2^{+\infty} = +\infty 同发散。

正项级数判别法

un≥0u_n \ge 0 时,部分和 SnS_n 单调递增,故敛散 ⟺ SnS_n 有界——这是正项级数一切判别法的共同根源。

比较判别法:0≤un≤vn0 \le u_n \le v_n(从某项起即可)。若 ∑vn\sum v_n 收敛则 ∑un\sum u_n 收敛;若 ∑un\sum u_n 发散则 ∑vn\sum v_n 发散。

比较判别法极限形式(实操主力):un,vn>0u_n, v_n > 0,lim⁡n→∞unvn=l\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{u_n}{v_n} = l:

  • 0<l<+∞0 < l < +\infty:两者同敛散(等价无穷小代换的合法性来源:un∼vnu_n \sim v_n 时可互相替换判敛散)
  • l=0l = 0:大的收敛 ⇒ 小的收敛(vnv_n 收敛则 unu_n 收敛)
  • l=+∞l = +\infty:小的发散 ⇒ 大的发散

实操:把 unu_n 用等价无穷小化简(如 sin⁡1n∼1n\sin\dfrac{1}{n} \sim \dfrac1n、ln⁡(1+1n2)∼1n2\ln(1+\dfrac{1}{n^2}) \sim \dfrac{1}{n^2}、1−cos⁡1n∼12n21 - \cos\dfrac1n \sim \dfrac{1}{2n^2}),再与 pp-级数比对。

比值判别法(达朗贝尔):un>0u_n > 0,lim⁡n→∞un+1un=ρ\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{u_{n+1}}{u_n} = \rho。ρ<1\rho < 1 收敛;ρ>1\rho > 1(或 +∞+\infty)发散;ρ=1\rho = 1 失效(不能下结论)。适用信号:通项含 n!n!、nnn^n、cnc^n、连乘结构。

根值判别法(柯西):un≥0u_n \ge 0,lim⁡n→∞unn=ρ\lim\limits_{n\to\infty}\sqrt[n]{u_n} = \rho。ρ<1\rho < 1 收敛;ρ>1\rho > 1 发散;ρ=1\rho = 1 失效。适用信号:通项为 (表达式)n\big(\text{表达式}\big)^n 的 nn 次幂结构。

判别流程:

交错级数与莱布尼茨判别法

交错级数:∑n=1∞(−1)n−1un\sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} u_n,un>0u_n > 0。

莱布尼茨判别法:若 (1) unu_n 单调递减(un+1≤unu_{n+1} \le u_n),(2) lim⁡n→∞un=0\lim\limits_{n\to\infty} u_n = 0,则交错级数收敛,且余项满足 ∣rn∣=∣S−Sn∣≤un+1|r_n| = |S - S_n| \le u_{n+1}。

证明思路:S2n=(u1−u2)+⋯+(u2n−1−u2n)S_{2n} = (u_1 - u_2) + \cdots + (u_{2n-1} - u_{2n}),每括号非负且 S2nS_{2n} 有界(S2n≤u1S_{2n} \le u_1),故 S2nS_{2n} 收敛;S2n+1=S2n+u2n+1→S_{2n+1} = S_{2n} + u_{2n+1} \to 同一极限。余项估计即"下一项之前截断"。

注意:莱布尼茨条件是充分条件——不满足单调递减时级数仍可能收敛,需另找证据(常见于错误选项)。

绝对收敛与条件收敛

定义:∑un\sum u_n 任意项。若 ∑∣un∣\sum |u_n| 收敛,称绝对收敛;若 ∑un\sum u_n 收敛但 ∑∣un∣\sum|u_n| 发散,称条件收敛。

定理:绝对收敛 ⟹ 收敛。

证明思路:0≤un+∣un∣≤2∣un∣0 \le u_n + |u_n| \le 2|u_n|,由 ∑∣un∣\sum|u_n| 收敛及比较判别法,∑(un+∣un∣)\sum (u_n + |u_n|) 收敛,再由线性性质 ∑un=∑(un+∣un∣)−∑∣un∣\sum u_n = \sum(u_n + |u_n|) - \sum|u_n| 收敛。

判别任意项级数的标准流程:先看 ∑∣un∣\sum|u_n|——收敛则绝对收敛(完);发散再看是否交错且满足莱布尼茨——满足则条件收敛;否则可能发散。用比值/根值判别 ∑∣un∣\sum|u_n| 得 ρ>1\rho > 1 时可断言原级数发散(因为此时通项不趋于 0)。

经典例子:∑(−1)nnp\sum\dfrac{(-1)^n}{n^p} 在 p>1p > 1 绝对收敛,0<p≤10 < p \le 1 条件收敛,p≤0p \le 0 发散——三种形态一个式子全占,选择题最爱。

幂级数与收敛半径

幂级数:∑n=0∞anxn\sum\limits_{n=0}^\infty a_n x^n(或更一般 ∑an(x−x0)n\sum a_n (x - x_0)^n,令 t=x−x0t = x - x_0 化归)。

阿贝尔定理:若 ∑anxn\sum a_n x^n 在 x1≠0x_1 \ne 0 处收敛,则对一切 ∣x∣<∣x1∣|x| < |x_1| 的 xx 绝对收敛;若在 x2x_2 处发散,则对一切 ∣x∣>∣x2∣|x| > |x_2| 的 xx 发散。

证明思路(前半):在 x1x_1 收敛 ⇒ anx1n→0a_n x_1^n \to 0 ⇒ 有界 ∣anx1n∣≤M|a_n x_1^n| \le M;于是 ∣anxn∣=∣anx1n∣⋅∣xx1∣n≤Mqn|a_n x^n| = |a_n x_1^n|\cdot\left|\dfrac{x}{x_1}\right|^n \le M q^n(q=∣x/x1∣<1q = |x/x_1| < 1),等比级数收敛,比较判别法收尾。

推论:幂级数收敛域是以原点为中心的区间(可能开、闭、半开),中心到端点的距离 RR 为收敛半径,R∈[0,+∞]R \in [0, +\infty]。

收敛半径公式:若 lim⁡n→∞∣an+1an∣=ρ\lim\limits_{n\to\infty}\left|\dfrac{a_{n+1}}{a_n}\right| = \rho(或 lim⁡∣an∣n=ρ\lim \sqrt[n]{|a_n|} = \rho),则

R={1ρ,0<ρ<+∞+∞,ρ=00,ρ=+∞R = \begin{cases} \dfrac{1}{\rho}, & 0 < \rho < +\infty \\ +\infty, & \rho = 0 \\ 0, & \rho = +\infty \end{cases}

收敛域求法三步:求 RR → 写出收敛区间 (−R,R)(-R, R) → 端点 x=±Rx = \pm R 逐个数项级数单独判别(第三步是失分重灾区,缺一项收敛域就不完整)。缺项级数(如 ∑anx2n\sum a_n x^{2n}、x2n+1x^{2n+1})不能直接套公式,应把 xx 视作参数对整个通项用比值法:lim⁡n→∞∣un+1(x)un(x)∣<1\lim\limits_{n\to\infty}\left|\dfrac{u_{n+1}(x)}{u_n(x)}\right| < 1 解出 xx 范围。

和函数性质(设收敛半径 R>0R > 0,收敛域为 II):

  1. 和函数 S(x)S(x) 在收敛区间 (−R,R)(-R, R) 内连续;若端点也收敛,则在该端点单侧连续
  2. 逐项求导:S′(x)=∑n=1∞nanxn−1S'(x) = \sum\limits_{n=1}^\infty n a_n x^{n-1},收敛半径仍为 RR(收敛区间内任意点,端点可能变)
  3. 逐项积分:∫0xS(t) dt=∑n=0∞ann+1xn+1\displaystyle\int_0^x S(t)\,dt = \sum_{n=0}^\infty \frac{a_n}{n+1}x^{n+1},收敛半径仍为 RR

求导与积分不改变 RR,但可能改变端点敛散性——这一条是求和函数后确定定义域端点的依据。

幂级数求和函数:套路库

四个基本和函数(一切难题的地基):

11−x=∑n=0∞xn (∣x∣<1),ex=∑n=0∞xnn!,sin⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n+1(2n+1)!,cos⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n(2n)!\frac{1}{1-x} = \sum_{n=0}^\infty x^n\ (|x|<1),\qquad e^x = \sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!},\qquad \sin x = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!},\qquad \cos x = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n x^{2n}}{(2n)!}

派生和函数(由前两个经逐项积分/求导得到,考场上直接用):

ln⁡(1+x)=∑n=1∞(−1)n−1xnn (−1<x≤1),arctan⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n+12n+1 (∣x∣≤1)\ln(1+x) = \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} x^n}{n}\ (-1 < x \le 1),\qquad \arctan x = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n x^{2n+1}}{2n+1}\ (|x| \le 1)

操作模式(设要求和的级数为 S(x)S(x)):

通项特征操作原理
分母含 nn(如 xnn\dfrac{x^n}{n})先求导后积分:S′(x)=∑xn−1S'(x) = \sum x^{n-1} 凑等比,再 ∫0x\int_0^x求导消掉分母 nn
分子含 nn(如 nxnn x^n、n2xnn^2 x^n)先积分后求导:∫0xS\int_0^x S 凑 ln⁡(1−x)\ln(1-x) 类,再求导积分消掉分子 nn
通项含 1n(n+1)\dfrac{1}{n(n+1)}、1(2n)!\dfrac{1}{(2n)!}裂项 / 拼凑 exe^x、cos⁡x\cos x 已有展开恒等变形优先
求数值级数和 ∑an\sum a_n构造 S(x)=∑anxnS(x) = \sum a_n x^n,求出和函数后代入特殊点 x0x_0化数为形

两个常用合成结果(建议记住):

∑n=1∞nxn=x(1−x)2 (∣x∣<1),∑n=1∞n2xn=x(1+x)(1−x)3 (∣x∣<1)\sum_{n=1}^\infty n x^n = \frac{x}{(1-x)^2}\ (|x|<1),\qquad \sum_{n=1}^\infty n^2 x^n = \frac{x(1+x)}{(1-x)^3}\ (|x|<1)

(推导:由 ∑xn=x1−x\sum x^n = \dfrac{x}{1-x} 两边求导得 ∑nxn−1=1(1−x)2\sum n x^{n-1} = \dfrac{1}{(1-x)^2},乘 xx 即第一个;再求导乘 xx 得第二个。)

函数展开为幂级数

直接法(按泰勒级数定义验证余项趋于 0)基本不考;间接法(利用已知展开 + 逐项求导/积分 + 变量代换 + 四则运算)是唯一实战方式。常用展开式一览(含收敛域,端点必须带上):

函数展开式收敛域
11−x\dfrac{1}{1-x}∑n=0∞xn\sum\limits_{n=0}^\infty x^n(−1,1)(-1, 1)
11+x\dfrac{1}{1+x}∑n=0∞(−1)nxn\sum\limits_{n=0}^\infty (-1)^n x^n(−1,1)(-1, 1)
exe^x∑n=0∞xnn!\sum\limits_{n=0}^\infty \dfrac{x^n}{n!}(−∞,+∞)(-\infty, +\infty)
sin⁡x\sin x / cos⁡x\cos x∑(−1)nx2n+1(2n+1)!\sum \dfrac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!} / ∑(−1)nx2n(2n)!\sum \dfrac{(-1)^n x^{2n}}{(2n)!}(−∞,+∞)(-\infty, +\infty)
ln⁡(1+x)\ln(1+x)∑n=1∞(−1)n−1xnn\sum\limits_{n=1}^\infty \dfrac{(-1)^{n-1} x^n}{n}(−1,1](-1, 1]
(1+x)α(1+x)^\alpha1+αx+α(α−1)2!x2+⋯1 + \alpha x + \dfrac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2 + \cdots(−1,1)(-1,1)(端点视 α\alpha 而定)

傅里叶级数

周期 2π2\pi 的傅里叶级数:设 ff 以 2π2\pi 为周期且在 [−π,π][-\pi, \pi] 上可积,则

f(x)∼a02+∑n=1∞(ancos⁡nx+bnsin⁡nx)f(x) \sim \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^\infty\left(a_n\cos nx + b_n\sin nx\right)

an=1π∫−ππf(x)cos⁡nx dx (n≥0),bn=1π∫−ππf(x)sin⁡nx dx (n≥1)a_n = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(x)\cos nx\,dx\ (n \ge 0),\qquad b_n = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(x)\sin nx\,dx\ (n \ge 1)

正弦级数与余弦级数:ff 为奇函数 ⇒ 全部 an=0a_n = 0,只剩正弦项;ff 为偶函数 ⇒ 全部 bn=0b_n = 0,只剩余弦项。定义在 [0,π][0, \pi] 上的函数可作奇延拓得正弦级数、偶延拓得余弦级数。

周期 2l2l 的推广:a02+∑(ancos⁡nπxl+bnsin⁡nπxl)\dfrac{a_0}{2} + \sum\left(a_n\cos\dfrac{n\pi x}{l} + b_n\sin\dfrac{n\pi x}{l}\right),系数积分区间换成 [−l,l][-l, l]、被积函数中 nxnx 换成 nπxl\dfrac{n\pi x}{l}、前面系数换为 1l\dfrac{1}{l}。

狄利克雷收敛定理(考点核心,专考"间断点的和"):设 ff 周期 2π2\pi,在一个周期内分段单调、只有有限个第一类间断点(合称狄利克雷条件),则 ff 的傅里叶级数处处收敛,且其和函数

S(x)={f(x),x 为 f 的连续点f(x−0)+f(x+0)2,x 为间断点f(−π+0)+f(π−0)2,x=±π(端点衔接处)S(x) = \begin{cases} f(x), & x \text{ 为 } f \text{ 的连续点} \\[4pt] \dfrac{f(x-0) + f(x+0)}{2}, & x \text{ 为间断点} \\[4pt] \dfrac{f(-\pi+0)+f(\pi-0)}{2}, & x = \pm\pi \text{(端点衔接处)} \end{cases}

读题要点:题目问"傅里叶级数在 x=x0x = x_0 处收敛于多少",先查 x0x_0 是不是间断点——是的话答案是左右极限的平均值,不是 f(x0)f(x_0)。这是傅里叶部分第一大陷阱。

例题

例题 1(模拟题):判别法选择训练

判断下列级数的敛散性;若收敛,指明绝对收敛还是条件收敛。

(1) ∑n=1∞n!nn\sum\limits_{n=1}^\infty \dfrac{n!}{n^n};(2) ∑n=2∞1nln⁡n\sum\limits_{n=2}^\infty \dfrac{1}{n\ln n};(3) ∑n=1∞(−1)nln⁡nn\sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^n \dfrac{\ln n}{n}。

解析:

(1)通项含 n!n! 与 nnn^n,比值判别法:

lim⁡n→∞un+1un=lim⁡n→∞(n+1)!(n+1)n+1⋅nnn!=lim⁡n→∞(nn+1)n=1e<1\lim_{n\to\infty}\frac{u_{n+1}}{u_n} = \lim_{n\to\infty}\frac{(n+1)!}{(n+1)^{n+1}}\cdot\frac{n^n}{n!} = \lim_{n\to\infty}\left(\frac{n}{n+1}\right)^n = \frac{1}{e} < 1

故收敛(正项级数,即绝对收敛)。此处用了重要极限 (1−1n+1)n→e−1\left(1 - \dfrac{1}{n+1}\right)^n \to e^{-1}。

(2)1nln⁡n\dfrac{1}{n\ln n} 是广义 pp-级数 p=1p = 1 情形,发散。用积分判别法验证:∫2+∞dxxln⁡x=ln⁡ln⁡x∣2+∞=+∞\int_2^{+\infty}\dfrac{dx}{x\ln x} = \ln\ln x\Big|_2^{+\infty} = +\infty,发散。

(3)交错级数。un=ln⁡nn→0u_n = \dfrac{\ln n}{n} \to 0;单调性:令 g(x)=ln⁡xxg(x) = \dfrac{\ln x}{x},g′(x)=1−ln⁡xx2<0g'(x) = \dfrac{1 - \ln x}{x^2} < 0(x>ex > e),故 n≥3n \ge 3 起 unu_n 单调递减,莱布尼茨条件成立,收敛。再看绝对值:ln⁡nn>1n\dfrac{\ln n}{n} > \dfrac{1}{n}(n≥3n \ge 3),而 ∑1n\sum \dfrac1n 发散,故 ∑∣(−1)nln⁡nn∣\sum\left|\dfrac{(-1)^n\ln n}{n}\right| 发散。结论:条件收敛。

点评:三小题分别对应流程图的三条主干路:比值(n!n! 信号)、积分判别(ln⁡\ln 结构)、莱布尼茨 + 比较的组合拳。"条件收敛"结论必须两个方向都验:原级数收敛、绝对值级数发散。

例题 2(模拟题):收敛域完整求解

求幂级数 ∑n=1∞(x−1)nn⋅2n\sum\limits_{n=1}^\infty \dfrac{(x-1)^n}{n \cdot 2^n} 的收敛域。

解析:令 t=x−1t = x - 1 化为 ∑tnn⋅2n\sum \dfrac{t^n}{n\cdot 2^n}。

ρ=lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞n⋅2n(n+1)⋅2n+1=12  ⟹  R=2\rho = \lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| = \lim_{n\to\infty}\frac{n \cdot 2^n}{(n+1)\cdot 2^{n+1}} = \frac12 \implies R = 2

收敛区间 ∣t∣<2|t| < 2 即 −1<x<3-1 < x < 3。端点逐一代入:

  • x=3x = 3(t=2t = 2):∑1n\sum\dfrac{1}{n},调和级数,发散
  • x=−1x = -1(t=−2t = -2):∑(−1)nn\sum\dfrac{(-1)^n}{n},莱布尼茨型,收敛

收敛域为 [−1,3)\boxed{[-1, 3)}。

点评:中心平移后端点是 1±R1 \pm R;"收敛区间 + 端点讨论 = 收敛域",端点结论要写清"收敛/发散"并最终合并成区间。

例题 3(模拟题):先求导后积分求和函数

求 S(x)=∑n=1∞xnnS(x) = \sum\limits_{n=1}^\infty \dfrac{x^n}{n} 及其定义域,并求 ∑n=1∞(−1)n+1n\sum\limits_{n=1}^\infty \dfrac{(-1)^{n+1}}{n} 的和。

解析:通项分母含 nn,先求导消 nn:

S′(x)=∑n=1∞xn−1=11−x(∣x∣<1)S'(x) = \sum_{n=1}^\infty x^{n-1} = \frac{1}{1-x}\qquad (|x| < 1)

从 0 到 xx 逐项积分(S(0)=0S(0) = 0):

S(x)=∫0xdt1−t=−ln⁡(1−t)=−ln⁡(1−x)S(x) = \int_0^x \frac{dt}{1-t} = -\ln(1-t) = -\ln(1-x)

收敛半径 R=1R = 1;端点:x=−1x = -1 时 ∑(−1)nn\sum\dfrac{(-1)^n}{n} 收敛(莱布尼茨),x=1x = 1 时调和级数发散。故

S(x)=−ln⁡(1−x),x∈[−1,1)S(x) = -\ln(1-x),\qquad x \in [-1, 1)

数值级数:∑n=1∞(−1)n+1n=−S(−1)=−[−ln⁡2]=ln⁡2\sum\limits_{n=1}^\infty \dfrac{(-1)^{n+1}}{n} = -S(-1) = -[-\ln 2] = \ln 2。

点评:这是"先导后积"的模板题。两个规范性要点:逐项积分后要定端点(积分不改变 RR 但端点敛散可能改善——本题 x=−1x=-1 正是如此);求数值级数和的最后一步是"代特殊点"。

例题 4(模拟题):先积分后求导 + n2n^2 结构

求 ∑n=1∞n2(12)n−1\sum\limits_{n=1}^\infty n^2 \left(\dfrac{1}{2}\right)^{n-1} 的和。

解析:构造 S(x)=∑n=1∞n2xn−1S(x) = \sum\limits_{n=1}^\infty n^2 x^{n-1}(∣x∣<1|x|<1),目标为 S ⁣(12)S\!\left(\tfrac12\right)。由核心讲解中的合成结果 ∑n2xn=x(1+x)(1−x)3\sum n^2 x^n = \dfrac{x(1+x)}{(1-x)^3},两边除以 xx 即得 S(x)=1+x(1−x)3S(x) = \dfrac{1+x}{(1-x)^3}。完整推导:

∑n=0∞xn=11−x→求导∑n=1∞nxn−1=1(1−x)2→求导∑n=2∞n(n−1)xn−2=2(1−x)3\sum_{n=0}^\infty x^n = \frac{1}{1-x} \xrightarrow{\text{求导}} \sum_{n=1}^\infty n x^{n-1} = \frac{1}{(1-x)^2} \xrightarrow{\text{求导}} \sum_{n=2}^\infty n(n-1)x^{n-2} = \frac{2}{(1-x)^3}

而 n2=n(n−1)+nn^2 = n(n-1) + n,故

S(x)=∑n(n−1)xn−1+∑nxn−1=x⋅2(1−x)3+1(1−x)2=2x+(1−x)(1−x)3=1+x(1−x)3S(x) = \sum n(n-1)x^{n-1} + \sum n x^{n-1} = x\cdot\frac{2}{(1-x)^3} + \frac{1}{(1-x)^2} = \frac{2x + (1-x)}{(1-x)^3} = \frac{1+x}{(1-x)^3}

代入 x=12x = \dfrac12:S ⁣(12)=3/21/8=12S\!\left(\tfrac12\right) = \dfrac{3/2}{1/8} = 12。

点评:拆 n2=n(n−1)+nn^2 = n(n-1) + n 的技巧避免了"二次求导后项数错位";数值级数求和的通用路径——构造母函数、求出和函数、代点——一步都不能省。

例题 5(模拟题):间接法展开

将 f(x)=1x2−3x+2f(x) = \dfrac{1}{x^2 - 3x + 2} 展开为 xx 的幂级数,并写出收敛域。

解析:分母 x2−3x+2=(1−x)(2−x)x^2 - 3x + 2 = (1-x)(2-x),部分分式分解:

f(x)=1(1−x)(2−x)=11−x−12−xf(x) = \frac{1}{(1-x)(2-x)} = \frac{1}{1-x} - \frac{1}{2-x}

(验证:11−x−12−x=(2−x)−(1−x)(1−x)(2−x)=1(1−x)(2−x)\dfrac{1}{1-x} - \dfrac{1}{2-x} = \dfrac{(2-x)-(1-x)}{(1-x)(2-x)} = \dfrac{1}{(1-x)(2-x)},成立。)

分别展开:

11−x=∑n=0∞xn (∣x∣<1),12−x=12⋅11−x2=∑n=0∞xn2n+1 (∣x∣<2)\frac{1}{1-x} = \sum_{n=0}^\infty x^n\ (|x| < 1),\qquad \frac{1}{2-x} = \frac{1}{2}\cdot\frac{1}{1 - \frac{x}{2}} = \sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{2^{n+1}}\ \left(|x| < 2\right)

相减:

f(x)=∑n=0∞(1−12n+1)xn,∣x∣<1f(x) = \sum_{n=0}^\infty\left(1 - \frac{1}{2^{n+1}}\right)x^n,\qquad |x| < 1

收敛域取两展开的交集 (−1,1)(-1, 1)(在端点 x=±1x = \pm1 处原函数或级数至少一方不收敛:x→1x \to 1 时 f→∞f \to \infty)。

点评:有理函数一律"部分分式 + 几何级数";12−x\dfrac{1}{2-x} 的变形套路是提常数凑 11−u\dfrac{1}{1-u},u=x2u = \dfrac{x}{2},收敛条件 ∣u∣<1|u| < 1 决定收敛半径。

例题 6(模拟题):傅里叶级数与收敛定理

设 f(x)=x2f(x) = x^2(−π≤x≤π-\pi \le x \le \pi)延拓为以 2π2\pi 为周期的函数,求其傅里叶级数,并由此给出 ∑n=1∞1n2\sum\limits_{n=1}^\infty \dfrac{1}{n^2} 的和。

解析:x2x^2 为偶函数,bn=0b_n = 0,只剩余弦项:

a0=1π∫−ππx2dx=2π23a_0 = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} x^2 dx = \frac{2\pi^2}{3}

an=1π∫−ππx2cos⁡nx dx=2π∫0πx2cos⁡nx dxa_n = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} x^2\cos nx\,dx = \frac{2}{\pi}\int_0^\pi x^2\cos nx\,dx

分部积分两次:∫0πx2cos⁡nx dx=[x2sin⁡nxn]0π+2n∫0πxsin⁡nx dx=0+2n([−xcos⁡nxn]0π+1n∫0πcos⁡nx dx)=2n(−πcos⁡nπn+0)=2π(−1)nn2\displaystyle\int_0^\pi x^2\cos nx\,dx = \left[\frac{x^2\sin nx}{n}\right]_0^\pi + \frac{2}{n}\int_0^\pi x\sin nx\,dx = 0 + \frac{2}{n}\left(\left[-\frac{x\cos nx}{n}\right]_0^\pi + \frac{1}{n}\int_0^\pi\cos nx\,dx\right) = \frac{2}{n}\left(\frac{-\pi\cos n\pi}{n} + 0\right) = \frac{2\pi(-1)^n}{n^2}

故 an=4(−1)nn2a_n = \dfrac{4(-1)^n}{n^2}。ff 处处连续(周期延拓后 f(π)=f(−π)=π2f(\pi) = f(-\pi) = \pi^2,端点衔接无间断),狄利克雷定理保证级数处处收敛于 f(x)f(x):

x2=π23+4∑n=1∞(−1)nn2cos⁡nx,−π≤x≤πx^2 = \frac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n}{n^2}\cos nx,\qquad -\pi \le x \le \pi

代入 x=πx = \pi:cos⁡nπ=(−1)n\cos n\pi = (-1)^n,于是 π2=π23+4∑1n2\pi^2 = \dfrac{\pi^2}{3} + 4\sum\dfrac{1}{n^2},解得

∑n=1∞1n2=π26\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}

点评:本题三步全是考点——偶函数砍掉一半系数、分部积分(两次,边界项用 sin⁡nπ=0\sin n\pi = 0、cos⁡nπ=(−1)n\cos n\pi = (-1)^n)、收敛定理代特殊点"以级数算级数"。最后一步把 x=πx = \pi 处的收敛值写成等式,是巴塞尔问题的经典解法。

常见坑

  1. "通项趋于 0"当收敛用:必要条件只能用来判发散(逆否),调和级数是永恒的反例
  2. 比值/根值 ρ=1\rho = 1 时下结论:失效就是失效,必须换比较判别法;"失效"本身就是选择题选项
  3. 等价无穷小替换用在非正项级数:比较判别法极限形式只对正项级数合法;任意项级数先取绝对值化归正项,或先定绝对/条件收敛再谈替换
  4. 收敛域漏端点:求出 RR 只完成 2/3,两端点必须逐一代入做数项级数判别;含 ∣x∣<1|x|<1 型条件的展开式照抄时连端点开闭一起照抄
  5. 缺项级数硬套 RR 公式:∑x2n\sum x^{2n} 这类幂次跳跃的级数,an+1/ana_{n+1}/a_n 意义已变,必须对通项整体用 lim⁡∣un+1(x)un(x)∣<1\lim\left|\dfrac{u_{n+1}(x)}{u_n(x)}\right| < 1
  6. 逐项求导/积分后乱改收敛半径:RR 不变,但端点敛散可能变(求导易丢端点、积分易捡端点),和函数定义域要重新核对
  7. 莱布尼茨单调性不验证:un→0u_n \to 0 不等于单调递减,两条件缺一不可;且莱布尼茨是充分条件,"不单调 ⇒ 发散"是错误推理
  8. 傅里叶级数在间断点写成 f(x0)f(x_0):狄利克雷定理给出的是 f(x0−0)+f(x0+0)2\dfrac{f(x_0-0)+f(x_0+0)}{2};周期端点 x=±πx = \pm\pi 处是 f(−π+0)+f(π−0)2\dfrac{f(-\pi+0)+f(\pi-0)}{2}
  9. "∼\sim"与"=="混写:傅里叶级数写 f(x)∼⋯f(x) \sim \cdots(收敛性未证时)与收敛后写 == 要区分;展开题写 == 前应交代收敛域

自测

  1. 判断敛散性(含绝对/条件):∑n=1∞(−1)nn+1\sum\limits_{n=1}^\infty \dfrac{(-1)^n}{\sqrt{n} + 1}。
  2. 求 ∑n=1∞x2n−12n−1\sum\limits_{n=1}^\infty \dfrac{x^{2n-1}}{2n - 1} 的收敛域与和函数。
  3. 求 ∑n=1∞xnn⋅3n\sum\limits_{n=1}^\infty \dfrac{x^n}{n \cdot 3^n} 的收敛域。
  4. 写出 f(x)=arctan⁡xf(x) = \arctan x 的幂级数展开并说明收敛域。
  5. 设 f(x)={−1,−π<x≤01,0<x≤πf(x) = \begin{cases} -1, & -\pi < x \le 0 \\ 1, & 0 < x \le \pi\end{cases}(周期 2π2\pi 延拓),问其傅里叶级数在 x=0x = 0 与 x=πx = \pi 处各收敛于多少。

自测答案与简析

  1. 交错级数,un=1n+1u_n = \dfrac{1}{\sqrt n + 1} 单调递减趋于 0,莱布尼茨收敛;绝对值 1n+1>12n\dfrac{1}{\sqrt n + 1} > \dfrac{1}{2\sqrt n}(n≥1n \ge 1),而 ∑1n\sum\dfrac{1}{\sqrt n} 是 p=12p = \tfrac12 的 pp-级数发散,故条件收敛(考点:莱布尼茨 + 比较判别,p=12≤1p = \tfrac12 \le 1 发散)。
  2. 缺项级数,对通项用比值:lim⁡n→∞∣x2n+12n+1⋅2n−1x2n−1∣=x2\lim\limits_{n\to\infty}\left|\dfrac{x^{2n+1}}{2n+1}\cdot\dfrac{2n-1}{x^{2n-1}}\right| = x^2。x2<1x^2 < 1 即 ∣x∣<1|x| < 1 绝对收敛;x=±1x = \pm1 时为 ∑±12n−1\sum\dfrac{\pm1}{2n-1},发散(调和级数奇数项)。收敛域 (−1,1)(-1, 1)。和函数:S′(x)=∑x2n−2=11−x2S'(x) = \sum x^{2n-2} = \dfrac{1}{1-x^2},S(x)=∫0xdt1−t2=12ln⁡1+x1−xS(x) = \int_0^x \dfrac{dt}{1-t^2} = \dfrac12\ln\dfrac{1+x}{1-x}(考点:缺项级数整体比值 + 先导后积 + 部分分式积分)。
  3. ρ=lim⁡n3n(n+1)3n+1=13\rho = \lim \dfrac{n 3^n}{(n+1)3^{n+1}} = \dfrac13,R=3R = 3,收敛区间 (−3,3)(-3, 3)。端点 x=3x = 3:∑1n\sum\dfrac1n 发散;x=−3x = -3:∑(−1)nn\sum\dfrac{(-1)^n}{n} 收敛。收敛域 [−3,3)[-3, 3)(考点:收敛域三步)。
  4. arctan⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n+12n+1\arctan x = \sum\limits_{n=0}^\infty \dfrac{(-1)^n x^{2n+1}}{2n+1},收敛域 [−1,1][-1, 1]。来源:11+x2=∑(−1)nx2n\dfrac{1}{1+x^2} = \sum(-1)^n x^{2n}(∣x∣<1|x|<1)逐项积分,x=±1x = \pm1 处成为莱布尼茨型收敛(考点:间接展开 + 积分后端点改善)。
  5. x=0x = 0 是 ff 的跳跃间断点:级数收敛于 f(0−0)+f(0+0)2=−1+12=0\dfrac{f(0-0) + f(0+0)}{2} = \dfrac{-1 + 1}{2} = 0。x=πx = \pi 是周期衔接点:收敛于 f(−π+0)+f(π−0)2=−1+12=0\dfrac{f(-\pi+0) + f(\pi-0)}{2} = \dfrac{-1 + 1}{2} = 0(考点:狄利克雷定理在间断点与端点衔接处的取值,两处都不是 ff 在该点的"函数值")。