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高等数学笔记第九天

来源:互联网 收集:自由互联 发布时间:2022-07-07
常数项级数: 概念: 用圆内接正多边形面积逼近圆面积,依次作圆内接正 3*2^n (n=0,1,2 ... L)边形,设 a0 表内接正三角形面积,ak 表增加的面积, A = a0+ a1+L + an+ L; 定义: 给定一个数列,

常数项级数:

高等数学笔记第九天_三角函数

      概念: 用圆内接正多边形面积逼近圆面积,依次作圆内接正 3*2^n (n=0,1,2 ... L)边形,设  a0 表内接正三角形面积,ak 表增加的面积, A = a0+ a1+L + an+ L;

       定义: 给定一个数列,u1,u2,L , un, 其为  常数项无穷级数(一般项,或者通项): u1 + u2 + L + un + L 的部分

       部分和: 

                   高等数学笔记第九天_欧拉公式_02

                   高等数学笔记第九天_三角函数_03称为高等数学笔记第九天_傅里叶级数_04的部分和;

        敛散性: 

                      若高等数学笔记第九天_傅里叶级数_04的部分和数列 {sn} 有极限s,  则 高等数学笔记第九天_三角函数_06称 无穷级数收敛;

等比级数(几何级数):

         敛散性:   |q| <1 时,等比极数收敛;

                        |q| >=1 时, 等比级数发散;   其中,q指的是 等比公项;

         性质1:  若等比级数收敛,则其k倍仍然收敛;

         性质2:若高等数学笔记第九天_欧拉公式_07 与 高等数学笔记第九天_欧拉公式_08均收敛,则 高等数学笔记第九天_欧拉公式_09也收敛,且 和为: s1+s2;

                  另: 收敛级数 + 发散级数 = 发散级数;  发散级数+ 发散级数 不一定= 发散级数;

                         如: Un = (-1)^(2n)   Vn = (-1)^(2n+1);

          性质3: 在级数中去掉 有限项,不影响敛散性;

          性质4: 若加括号后的级数发散,则原级数必发散;(发散级数 去 括号后  所形成的 级数 必发散)

                        注意: 收敛级数 去 括号后 所形成的 级数不一定收敛;

                        若级数收敛,则对级数的项任意加括号后仍收敛;

收敛级数的必要条件:

          1.若级数  高等数学笔记第九天_傅里叶级数_10收敛,则 必有: 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_11

                 其逆否命题: 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_12  ==> 级数发散;  (判断级数发散的方法)

             eg: 证明调和级数: 高等数学笔记第九天_欧拉公式_13是发散的。(反证法)

                 若收敛,有 高等数学笔记第九天_三角函数_14,  高等数学笔记第九天_傅里叶级数_15  ,高等数学笔记第九天_傅里叶级数_16矛盾。

          2. 若级数高等数学笔记第九天_傅里叶级数_10收敛,则 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_18发散;

常数项级数审敛法:

   A.正项级数:

          1.定义法: 部分和极限存在;

                 正项级数 Un >=0   <==> 部分和数列Sn 有界;(不常用)

高等数学笔记第九天_三角函数_19

         2.比较审敛法: 

                 设 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_20,高等数学笔记第九天_傅里叶级数_21  是两个正项级数,对 ∀n ∈ N, 有: Un (弱) <= Vn (强), 

                 则: 1.若级数 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_21收敛,则高等数学笔记第九天_傅里叶级数_20也收敛;

                          2.若级数高等数学笔记第九天_傅里叶级数_20发散,则高等数学笔记第九天_傅里叶级数_21也发散;

          3.P级数:

                 高等数学笔记第九天_欧拉公式_26

               当  0<p<= 1时,p级数发散;

               当  p>1时, p级数收敛;

         4.比较审敛法的极限形式:

                高等数学笔记第九天_欧拉公式_27

             当 0<L <∞ 时,两个级数 同时收敛 或者 同时发散;

             当 L =0 且 高等数学笔记第九天_欧拉公式_28收敛时,高等数学笔记第九天_傅里叶级数_29 也收敛;

             当 L =  ∞ 时,且 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_29发散时,高等数学笔记第九天_欧拉公式_28也发散;

                   理解: 实质上 跟 比较审敛法是一致的。 

          eg: 高等数学笔记第九天_三角函数_32发散;    注: 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_33收敛

       5.正项级数审敛法的乘法形式:

                   取 高等数学笔记第九天_欧拉公式_34  则: 

                    高等数学笔记第九天_欧拉公式_35,其中L  为 非零常数。

                    此时,若 0<p<=1, 则 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_29发散。(有前提的情况下,分子分母具有相同的敛散性。)

                             若 p>1  或者 p = ∞时, 级数收敛。

                    理解:实际上,该形式将  P级数 与 比较审敛法 相结合。   其限定条件就是:L 为非零常数。

                               比较审敛法 与  该形式的 判断对象不同。 一个是比值;  一个是 P级数的参数。

                               因此,相应的特性与比较审敛法不同;  但是,与p级数不谋而合。 

         6.比值审敛法(达朗贝尔判别法):

                        若 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_29为正项级数,且 高等数学笔记第九天_三角函数_38

                        则: 若 0<= ρ<1时,级数收敛;

                              若 ρ>1  或者  ρ=∞时,级数发散;

                              注意,这里刚好与p级数的情况相反;  其原因是:  判别方式不同了,因此也就不能强硬比对。 

                                       理解:  可以从通项 与 和  的角度理解。

                              若 ρ=1时,不能适用; 

                                   理解: 这里的比值为1,不是单纯指两个常数比值为1。  而是指 处于该常数序列的最后(不存在)的两个常数。  也就是极限比值为1。    就如等价无穷小替换一样。    因此不能简单的理解为两个常数; 

                                              例证 就是:   P级数;

 B.交错级数审敛法(符号一正一负交替出现):

        1.莱布尼兹定理: 

               若交错级数满足条件:

                   1.若  U n >= U n+1 ,(数值分布而言);

                   2.高等数学笔记第九天_欧拉公式_39

               则级数:高等数学笔记第九天_欧拉公式_40收敛,且 其和 S <= u1 ,  余项和 Rn <= U n+1

                  理解:  这里也可以从  通项 与 和的角度理解。 

               若交错级数收敛,其绝对值后仍然收敛,称为 绝对收敛, 如: 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_41

               若交错级数收敛,其绝对值后发散,称为 条件收敛,如:高等数学笔记第九天_三角函数_42, 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_43

      2.绝对收敛的级数一定收敛.(判断交错级数的敛散性  或者 一般级数);

              eg:高等数学笔记第九天_欧拉公式_44

函数项级数:

      函数项级数的概念: 

          高等数学笔记第九天_傅里叶级数_45为定义在 区间 I 上的函数项级数;

            对 x0 ∈ I, 若它 收敛,则称 : x0 为 收敛点,所有的收敛点全体称为 收敛域;

                              若它 发散,则称: x0为发散点, 所有的发散点全体称为发散域;

              eg: 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_46

                      当: |x| <1时,收敛, 此时 S(x) = 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_47,称为 和函数;

                              |x| >1时,发散.

             理解: 有点类似于 二重积分。   看成两个维度,  一个由 n  负责,它完成级数的功能;   一个由x 负责, 它完成函数的功能。 

A.幂级数:

           幂级数的标准形式:

                   高等数学笔记第九天_欧拉公式_48,取 x0 = 0, 则有:

                             高等数学笔记第九天_傅里叶级数_49

            幂级数收敛域特点:

                   关于原点对称;

             阿贝尔定理: 

                    若幂级数在 x= x0 (x0=/=0) 处收敛,则此幂级数在满足不等式  |x|<= |x0|的一切x处绝对收敛。 (x0 称为收敛半径,记作R)

                     反之,若幂级数在x = x0 处发散,则对于 |x| > |x0| 处的x发散;

                     当R = 0时,幂级数仅在x = 0 处收敛;

                     当R = +∞时,幂级数在 (-∞,+∞)收敛;

                     当R =/=0 和 +∞ 时,

                                     当|x| < R 时,幂级数绝对收敛;

                                     当|x| > R 时, 幂级数发散;

                                     当|x| = R 时,可能收敛,也可能发散,需要单独讨论;

                                          理解,它对应了  比值审敛法的  比值为1的情况。 

                       若幂级数 高等数学笔记第九天_三角函数_50 的系数满足: 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_51

                            则 当   ρ=/= 0 时, R = 1/ ρ;

                                 当   ρ=0  时, R  = +∞;

                                 当  ρ= +∞时,R = 0; 

                             即: 收敛半径 R = 高等数学笔记第九天_欧拉公式_52

          幂级数的运算:

               运算后的收敛域 =  min{r1,r2};

                高等数学笔记第九天_欧拉公式_53

              高等数学笔记第九天_三角函数_54

          连续性: 和函数在 收敛域内 连续;

          可积性: 和函数在收敛区间可积分,并且可逐项积分;

                 即: 高等数学笔记第九天_三角函数_55

          可导性: 和杉树在收敛区间可导 ,且可  逐步求导;

                  即: 高等数学笔记第九天_欧拉公式_56

                eg:  求幂级数  高等数学笔记第九天_三角函数_57 的和函数  S(x);

                      注意:  高等数学笔记第九天_欧拉公式_58

                       另: 高等数学笔记第九天_三角函数_59

B.泰勒级数:

       高等数学笔记第九天_欧拉公式_60

        当 x0 =0 时,称为:  麦克劳林级数;

        展开成泰勒级数的充要条件:  通项的极限 为 0; 

         展开的方法包括: 

              1.直接展开法,利用泰勒公式;

              2.间接展开法, 利用已知函数 形式转化;

           eg: 将 1/(1+x^2)  展开成幂级数:

                   提示:  高等数学笔记第九天_三角函数_61  --> 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_62  --> 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_63  --> 高等数学笔记第九天_三角函数_64

           eg: 将 f(x)  = ln(1+x) 展开成 幂级数: 

                     解析: 高等数学笔记第九天_三角函数_65   高等数学笔记第九天_欧拉公式_66

          理解:它们的关键在于: 处理好 形参,与实参,以及处理过程,复合函数,的区别与联系;

       高等数学笔记第九天_三角函数_67

C.傅里叶级数:

      S(n) =   高等数学笔记第九天_傅里叶级数_68

        定理一: 

                组成三角级数的 函数系: cosx , sinx , cos2x,sin2x,... ,cosnx sinnx,L 在 [-π,π] 上 积分等于0 

                则 相同的函数高等数学笔记第九天_欧拉公式_69 =2π , 高等数学笔记第九天_三角函数_70=π  ; 

         定理二: 

                 设 f(x) 是 周期为 2π  的周期函数,且 f(x) = 高等数学笔记第九天_三角函数_71,

                 则有 傅里叶系数: 

                      高等数学笔记第九天_傅里叶级数_72

                     高等数学笔记第九天_欧拉公式_73

                将傅里叶系数 代入 形式傅里叶级数: 高等数学笔记第九天_三角函数_71, 则为傅里叶级数;

          定理三(迪利克雷充分条件):

               设 f(x) 是周期为 2π 的周期函数,若满足: 

                   1.在一个周期内连续,或只有有限个第一类间断点

                   2.在一个周期内至多有有限个极值点

                   则 f(x) 的傅里叶级数收敛,其收敛点为:

                        高等数学笔记第九天_三角函数_75

        定理四:

               正弦级数 与 余弦级数:

                 若f(x) 为 奇函数, 则 f(x)cosnx 是 奇函数, f(x)sin nx  是 偶函数;

                       故有: 正弦级数: 高等数学笔记第九天_傅里叶级数_76 

                若 f(x)为 偶函数, 则 f(x)cos nx 为偶, f(x)sin nx 为 奇,

                       故有:余弦级数: 高等数学笔记第九天_欧拉公式_77


2019.3.28补充:

      前面的笔记是 上课时记录的,由于当时接近期末,加之这部分内容有些难,因此笔记的逻辑很乱。   尽管经过梳理,仍然不是很顺畅的理解。 因此将书本上的几个遗漏的重要的知识点拉一遍。 

级数的概念和性质: 

         1.级数的提出:  

                   人们在认识事物在数量方面的特性, 往往有一个由近似到精确的过程, 这个过程中, 会遇到 由有限个数量相加  到  无限个数量相加的 问题。  给定一个数列: u1,u2,u3.... ui .... ,  ui 称为:  一般项;    Sn = u1+..+ui, 称为部分和;    对于新的数列:  S1, S2,S3....Sn, ..., 根据这个数列有无极限,引入无穷级数收敛与发散的概念。 

         2.理解:   收敛的级数,收敛于 Sn,   S与 Sn 相差一个Ui 的高阶无穷小;

         3.性质:  a.数乘不变;  

                        b.收+收=收;  收+发=发; 

                        c.删减有限项,不影响敛散性;

                        e.收敛级数加括号后仍收敛; 加括号的级数发散,则原级数必发散;

                        f.收敛的必要条件:  一般项 趋于零;

                           逆否命题:  一般项不趋于零,则 必发散;

          4.柯西审敛原理:

                         收敛的充要条件是: 级数和 -前n项和的  余项 小于任意正整数;

常数项审敛法补充:

         对于常数项级数, 绝对收敛的级数,必收敛;

         证明思路:   令  Vn  = (Un+|Un|)/2;  利用相关性质(比较审敛法)得证;

         绝对收敛级数的性质:

               1.绝对收敛级数  改变项位置后,仍收敛;

               2.绝对收敛级数 的 柯西乘积 收敛;

幂级数补充:

          1.幂级数运算法则: 

                 和函数连续,可积分,可求导;

           2.函数展开成幂级数:

                 a.直接展开:利用泰勒级数:

                        级数的系数  都可由 函数的对应阶导数表示;

                         函数可展开成泰勒级数的充要条件:  泰勒公式的余项  当趋于无穷时,极限为 零;

                  b.间接展开:利用已知的函数展开式: 

                         五个最常用与最基本的幂级数展开式:

                          高等数学笔记第九天_傅里叶级数_78 

                         高等数学笔记第九天_三角函数_79

                          高等数学笔记第九天_欧拉公式_80

                         高等数学笔记第九天_傅里叶级数_81

                           高等数学笔记第九天_傅里叶级数_82

          3.函数的幂级数展开式应用:

                a.近似计算;   b.解微分方程;

                c.欧拉公式:揭示了 三角函数 与  复变量指数函数之间的一种关系;

                                   形式定义: 高等数学笔记第九天_欧拉公式_83

                                                  或者:   高等数学笔记第九天_欧拉公式_84

一般函数项级数敛散性 及性质:

     略; 

周期为2Pi的傅里叶级数:

          1.相关概念:

                  三角级数:  由三角函数组成的  函数项级数;

                  三角函数系: 1,cosx, sinx  cos2x,sin2x ...  cos nx, sinnx,....

                  正交性: 三角函数系中,任意两个不同的两个函数乘积  在区间[-Π,Π]上的积分等于零;

           2.提出:

                   周期函数反映了客观世界中的周期运动。   正弦函数是一种简单而常见的周期函数。

                   在实际问题中,会遇到非正弦函数的周期函数,反映了较复杂的周期运动,如矩形波。   为了深入研究这类复杂的周期运动函数,通过将复杂的周期函数  展开成  由简单的周期函数 组成的级数;

           3.三角级数的形式表示:

                      高等数学笔记第九天_三角函数_85,  类比函数的泰勒展开式,我们可能会想:  如何 将系数与  f(x)联系起来;于是产生了傅里叶系数:  高等数学笔记第九天_傅里叶级数_86

           4.傅里叶级数的形式表示:

                 将傅里叶系数 ,代入三角级数中: 

                      高等数学笔记第九天_傅里叶级数_87

           5.三角级数的敛散性:

                    迪利克雷充分条件,内容见上;

           6.正弦级数与余弦级数:

                    周期性的不同,傅里叶系数表现形式不同,产生正余弦级数;  内容见上;

一般周期函数的傅里叶级数:

       略。  如有需要,再来补充。


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