高等数学-无穷级数和微分方程

SunnyDusk Lv3

常微分方程和无穷级数

常微分方程

一、基本概念

  1. 含有yy及相关导数的方程叫微分方程;
  2. 微分方程的阶:指微分方程中最高阶导数;
  3. 微分方程的解:满足微分方程的函数yy;
  4. 微分方程解的类型:
    (1). 通解:满足微分方程的所有解。(特点:a. 含有独立的任意常数C;b. 且C的个数于阶数相同;)
    (2). 特解:满足微分方程的一个特殊解。(特点:不含C)

阶数识别

y(n)y^{(n)}叫n阶导; dydx=y′,d2ydx2y′′\frac{dy}{dx}=y',\frac{d^2y}{dx^2}y''

阶数取决于整个方程中导数的最高阶导,而不是变量的次数。
导数不是幂函数;
例题1:(y′′)5+2(y′)3+xy6=0(y'')^5+2(y')^3+xy^6=0的阶数是:(2)
例题2:(y′)3+y′′⋅y4−3xy=0(y')^3+y''\cdot y^4-3xy=0的阶数是:(2)
例题3:(d2ydx2)4+y⋅dydx=0(\frac{d^2y}{dx^2})^4+y\cdot \frac{dy}{dx}=0是(2)阶
例题4:(y′)3+y′′⋅y(4)−3xy=0(y')^3+y''\cdot y^{(4)}-3xy=0是(4)阶


线性微分方程识别

称方程中的未知函数yy及其各阶导数y′,y′′y',y''等均是一次方
例题1:xy′′+2y′+x2y=0xy''+2y'+x^2y=0是(B)
A.一阶线性微分方程 B.二阶线性微分方程 C.三阶线性微分方程 D.四阶线性微分方程
例题2:下列是线性微分方程的是:(C)
A.y′′+(ln⁡x)⋅y′+cos⁡xy=0y''+(\ln x)\cdot y'+\cos xy=0 B.y′′+2y′+y2=exy''+2y'+y^2=e^x C.y′−xy+1=ln⁡xy'-xy+1=\ln x D.(y′′)2−y′=3x+7(y'')^2-y'=3x+7


齐次微分方程识别

yy及其相关导数=Q(x)=Q(x)全为x的函数(自由项)→{(x)=0,齐次(x)≠0,非齐次\rightarrow \left\{\begin{matrix}(x)=0,齐次\\(x)\ne 0 , 非齐次\end{matrix}\right.

即与y相关在等号左边,与x相关在等号右边;
例如:y′′+4xy=7xy''+4xy=7x,其中7x≠07x\ne 0所以为非齐次线性微分方程,由于最高为二阶导数,即为二阶非齐次线性微分方程。
例题1:y′′+4xy+7x=0y''+4xy+7x=0是(B)
A.二阶线性齐次方程 B.二阶线性非齐次方程 C.齐次方程 D.一阶微分方程


解的类型判断

  1. C的个数与阶数相同→\rightarrow 通解
  2. 不含C的解→\rightarrow 特解
  3. 满足方程的解→\rightarrow 解
    例题1:y=Cex+1y=Ce^x+1是y′′−y′=0y''-y'=0的(C)
    A.通解 B.特解 C.解 D.不是解

微分方程的直接积分法

条件:遇y(n)=Q(x)y^{(n)}=Q(x)时,例如:y′′=x+1y''=x+1
例题1:y′′=x+1y''=x+1的通解是:()
解:y′=∫(x+1)dx=12x2+x+C1y'=\int (x+1)dx=\frac{1}{2}x^2+x+C_1
y=∫(12x2+x+C1)dx=12⋅13x3+12x2+C1x+C2y=\int (\frac{1}{2}x^2+x+C_1)dx=\frac{1}{2}\cdot \frac{1}{3}x^3+\frac{1}{2}x^2+C_1x+C_2
y=16x3+12x2+C1x+C2y=\frac{1}{6}x^3+\frac{1}{2}x^2+C_1x+C_2


一阶微分方程求解

可分离变量微分方程的求解

当方程中xx相关的函数和yy相关函数可分开成为f(x)dx=g(y)dyf(x)dx=g(y)dy的形式,称为可分离变量方程。
解法:
(1). 通过移项,乘除,将方程变量分开f(x)dx=g(y)dyf(x)dx=g(y)dy
(2). 两边同时积分∫f(x)dx=∫g(y)dy\int f(x)dx=\int g(y)dy
(3). 整理,化简
注:常用化简:
a. C1±C2=CC_1 \pm C_2=C
b. C1⋅C2C_1 \cdot C_2或C1C2=C\frac{C_1}{C_2}=C
c. C=ln⁡CC=\ln C
d. ±eC=C\pm e^C=C
例题1:求dydx=xy\frac{dy}{dx}=xy的通解。
原式得dy=xydxdy=xy dx
则dyy=xdx\frac{dy}{y}=xdx
解:由题可知:1ydy=xdx\frac{1}{y}dy=xdx
同时积分:∫1ydy=∫xdx\int \frac{1}{y}dy=\int xdx
得:ln⁡∣y∣=12x2+C\ln |y|=\frac{1}{2}x^2+C
故通解为:ln⁡∣y∣=12x2+C\ln |y|=\frac{1}{2}x^2+C
上述可化简:
ln⁡∣y∣=12x2+ln⁡∣C∣\ln |y|=\frac{1}{2}x^2+\ln |C|
ln⁡∣y∣−ln⁡∣C∣=12x2\ln |y|-\ln |C|=\frac{1}{2}x^2
ln⁡∣yC∣=12x2\ln |\frac{y}{C}|=\frac{1}{2}x^2
∣yC∣=e12x2|\frac{y}{C}|=e^{\frac{1}{2}x^2}
yC=±e12x2\frac{y}{C}=\pm e^{\frac{1}{2}x^2}
y=±Ce12x2y=\pm Ce^{\frac{1}{2}x^2}
y=Cex22y=Ce^{\frac{x^2}{2}}
例题2:求微分方程dx+xydy=y2dx+ydydx+xydy=y^2dx+ydy的通解。
析:(xy−y)dy=(y2−1)dx(xy-y)dy=(y^2-1)dx
y(x−1)dy=(y2−1)dxy(x-1)dy=(y^2-1)dx
ydy=(y2−1)x−1dxydy=\frac{(y^2-1)}{x-1}dx
同乘1y2−1,yy2−1dy=1x−1dx\frac{1}{y^2-1},\frac{y}{y^2-1}dy=\frac{1}{x-1}dx
解:由题可知:yy2−1dy=1x−1dx\frac{y}{y^2-1}dy=\frac{1}{x-1}dx
积分得:∫yy2−1dy=∫1x−1dx\int \frac{y}{y^2-1}dy=\int \frac{1}{x-1}dx
12∫1y2−1dy2=∫1x−1dx\frac{1}{2}\int \frac{1}{y^2-1}dy^2=\int \frac{1}{x-1}dx
12ln⁡∣y2−1∣=ln⁡∣1x−1∣+C\frac{1}{2}\ln|y^2-1|=\ln |\frac{1}{x-1}|+C
故通解为:12ln⁡∣y2−1∣=ln⁡∣1x−1∣+C\frac{1}{2}\ln|y^2-1|=\ln |\frac{1}{x-1}|+C
上述可化简:
12ln⁡∣y2−1∣=ln⁡∣x−1∣+ln⁡∣C∣\frac{1}{2}\ln |y^2-1|=\ln |x-1|+\ln |C|
ln⁡∣y2−1∣12=ln⁡∣C⋅(x−1)∣\ln |y^2-1|^{\frac{1}{2} }=\ln |C\cdot (x-1)|
(y2−1)12=C⋅(x−1)(y^2-1)^{\frac{1}{2} }=C\cdot (x-1)
y2−1=C⋅(x−1)\sqrt{y^2-1}=C\cdot (x-1)
y2−1=C2⋅(x−1)2y^2-1=C^2\cdot (x-1)^2
y2=C2⋅(x−1)2+1y^2=C^2\cdot (x-1)^2+1
y2=C⋅(x−1)2+1y^2=C\cdot (x-1)^2+1


一阶齐次微分方程

解法:
(1). 将方程通过移项,乘除化为dydx=φ(yx)\frac{dy}{dx}=\varphi (\frac{y}{x})的形式。
(2). 换元,令yx=u\frac{y}{x}=u,则y=u⋅x⟹y′=u′x+uy=u \cdot x \Longrightarrow y'=u'x+u,即dydx=dydx⋅x+u\frac{dy}{dx}=\frac{dy}{dx}\cdot x+u
(3). 将上述换元回代方程yx=φ(yx)\frac{y}{x}=\varphi (\frac{y}{x})中。
(4). 分离变量,积分后用u=yxu=\frac{y}{x}回代即得通解。
例题1:求y2+x2dydx=xydydxy^2+x^2\frac{dy}{dx}=xy\frac{dy}{dx}的通解。
析:y2=(xy−x2)dydx⟹同除x2,(yx)2=(yx−1)dydxy^2=(xy-x^2)\frac{dy}{dx}\Longrightarrow 同除x^2 ,(\frac{y}{x})^2=(\frac{y}{x}-1)\frac{dy }{dx}
解:由题可知:(yx)2=(yx−1)dydx(\frac{y}{x})^2=(\frac{y}{x}-1)\frac{dy}{dx}
令yx=u,y=u⋅x,dydx=dudx⋅x+u\frac{y}{x}=u,y=u\cdot x,\frac{dy}{dx}=\frac{du}{dx}\cdot x+u
故原式:u2=(u−1)(xdudx+u)u^2=(u-1)(x\frac{du}{dx}+u)
即u2=(u−1)xdudx+u2−uu^2=(u-1)x\frac{du}{dx}+u^2-u
u=(u−1)xdudxu=(u-1)x\frac{du}{dx}
udx=(u−1)xduudx=(u-1)xdu
同除ux,1xdx=(u−1)uduux,\frac{1}{x}dx=\frac{(u-1)}{u}du
1xdx=(1−(1)u)du\frac{1}{x}dx=(1-\frac{(1)}{u})du
积分得:∫1xdx=∫(1−(1)u)du\int \frac{1}{x}dx=\int (1-\frac{(1)}{u})du
ln⁡∣x∣=u−ln⁡∣u∣+C\ln |x|=u-\ln |u|+C
得:ln⁡∣x∣=yx−ln⁡∣yx∣+C\ln |x|=\frac{y}{x}-\ln |\frac{y}{x}|+C
上述可化简:
ln⁡∣x∣+ln⁡∣yx∣−C=yx\ln |x|+\ln |\frac{y}{x}|-C=\frac{y}{x}
ln⁡∣y∣−ln⁡∣C∣=yx\ln |y|-\ln |C|=\frac{y}{x}
ln⁡∣yC∣=yx\ln |\frac{y}{C}|=\frac{y}{x}
∣yC∣=eyx|\frac{y}{C}|=e^{\frac{y}{x} }
yC=±eyx\frac{y}{C}=\pm e^{\frac{y}{x} }
y=±Ceyxy=\pm Ce^{\frac{y}{x} }
y=Ceyxy=Ce^{\frac{y}{x} }


一阶线性微分方程

  1. 形式:y′+P(x)⋅y=Q(x)y'+P(x)\cdot y=Q(x)
    解法:y=e−∫P(x)dx⋅[∫Q(x)e∫P(x)dxdx+C]y=e^{-\int P(x)dx}\cdot [\int Q(x)e^{\int P(x)dx}dx+C]
  2. 形式:x′+P(y)⋅x=Q(y)x'+P(y)\cdot x=Q(y)
    解法:x=e−∫P(y)dy⋅[∫Q(y)e∫P(y)dydy+C]x=e^{-\int P(y)dy}\cdot [\int Q(y)e^{\int P(y)dy}dy+C]
    例题1:求微分方程y′+y=e−xy'+y=e^{-x}的通解。
    解:P(x)=1,Q(x)=e−xP(x)=1,Q(x)=e^{-x} y=e−∫P(x)dx[∫Q(x)e∫P(x)dxdx+C]y=e^{-\int P(x)dx}[\int Q(x)e^{\int P(x)dx}dx+C] e−∫1dx[∫e−x⋅e∫1dxdx+C]e^{-\int 1dx}[\int e^{-x}\cdot e^{\int 1dx}dx+C] e−x[∫e−x⋅exdx+C]e^{-x}[\int e^{-x}\cdot e^xdx+C] e−x(x+C)]e^{-x}(x+C)] 注:在一阶微分方程中,yy和y′y'是一次,可变量分离成y′+Py=Qy'+Py=Q,套公式;
    例题2:求(x2−1)⋅y′+2xy−cos⁡x=0(x^2-1)\cdot y'+2xy-\cos x=0的通解。
    析:y′+2xx2−1⋅y−cos⁡xx2−1=0⟹y′+2xx2+1⋅y=cos⁡xx2−1x2−1y'+\frac{2x}{x^2-1}\cdot y-\frac{\cos x}{x^2-1}=0 \Longrightarrow y'+\frac{2x}{x^2+1}\cdot y=\frac{\cos x}{x^2-1}{x^2-1}
    解:原式为一阶线性微分方程:y′+2xx2−1⋅y=cos⁡xx2−1y'+\frac{2x}{x^2-1}\cdot y = \frac{\cos x}{x^2-1}
    其中P(x)=2xx2−1,Q(x)=cos⁡xx2−1P(x)=\frac{2x}{x^2-1},Q(x)=\frac{\cos x}{x^2-1}
    所以通解y=e−∫P(x)dx[∫Q(x)⋅e∫P(x)dxdx+C]y=e^{-\int P(x)dx}[\int Q(x)\cdot e^{\int P(x)dx}dx+C] =e−∫2xx2−1dx[∫cos⁡xx2−1⋅e∫2xx2−1dxdx+C]=e^{-\int \frac{2x}{x^2-1}dx}[\int \frac{\cos x}{x^2-1}\cdot e^{\int \frac{2x}{x^2-1}dx}dx+C] =e−ln⁡(x2−1)[∫cos⁡xx2−1⋅eln⁡(x2−1)dx+C]=e^{-\ln (x^2-1)}[\int \frac{\cos x}{x^2-1}\cdot e^{\ln (x^2-1)}dx+C] =eln⁡(x2−1)−1[∫cos⁡xx2−1⋅eln⁡(x2−1)dx+C]=e^{\ln (x^2-1)^{-1} }[\int \frac{\cos x}{x^2-1}\cdot e^{\ln (x^2-1)}dx+C] =(x2−1)−1[∫cos⁡xx2−1⋅ln⁡(x2−1)dx+C]=(x^2-1)^{-1} [\int \frac{\cos x}{x^2-1}\cdot \ln (x^2-1)dx+C] =1x2−1(∫cos⁡xdx+C)=\frac{1}{x^2-1} (\int \cos xdx+C) =1x2−1(sin⁡x+C)=\frac{1}{x^2-1} (\sin x+C) 公式:eln⁡□=□{\color{Red} e^{\ln \Box }=\Box }

变限积分中的微分方程

遇变限积分:(1). 求导; (2). 用∫abf(t)dt=0⟹\int_{a}^{b} f(t)dt=0\Longrightarrow 求出一个初始条件;
例题1:已知一个可导函数f(x)f(x)满足f(x)=∫0xf(t)dt+exf(x)=\int_{0}^{x}f(t)dt+e^x,求f(x)f(x)。
解:由题可知,两边同时求导得:f′(x)=f(x)+exf'(x)=f(x)+e^x且当x=0x=0时,f(0)=1f(0)=1
令f(x)=yf(x)=y
即y′−y=exy'-y=e^x
其中P(x)=−1,Q(x)=exP(x)=-1,Q(x)=e^x
e−xf(x)=∫1dx+Ce^{-x}f(x)=\int 1dx+C
e−xf(x)=x+Ce^{-x}f(x)=x+C
f(x)=ex(x+C)f(x)=e^x(x+C)
所以通解y=e−∫P(x)dx[∫Q(x)⋅e∫P(x)dxdx+C]y=e^{-\int P(x)dx}[\int Q(x)\cdot e^{\int P(x)dx}dx+C]
=e−∫−1dx[∫ex⋅e∫−1dxdx+C]=e^{-\int -1dx}[\int e^x\cdot e^{\int -1dx}dx+C]
=ex[∫ex⋅e−xdx+C]=e^x[\int e^x\cdot e^{-x}dx+C]
=ex(x+C)=e^x(x+C)
又x=0,y=1x=0,y=1
即1=e0(0+C)1=e^0(0+C)
C=1C=1
所以y=ex(x+1)y=e^x(x+1)
例题2:设f(x)f(x)具有一阶连续函数,f(0)=0f(0)=0,且∫2[f(x)−ex]ydx−f(x)dy\int_{2}[f(x)-e^x]ydx-f(x)dy与路径无关,求f(x)f(x)。
解:由题可知,令P(x,y)=[f(x)−ex]⋅y,Q(x,y)=−f(x)P(x,y)=[f(x)-e^x]\cdot y,Q(x,y)=-f(x)
因为积分与路径无关,故Py=Qx\frac{P}{y}=\frac{Q}{x}
即:f(x)−ex=−f′(x)f(x)-e^x=-f'(x)
即:y−ex=−y′y-e^x=-y'
即:y′+y=exy'+y=e^x
其中P(x)=1,Q(x)=exP(x)=1,Q(x)=e^x
所以通解y=e−∫P(x)dx[∫Q(x)⋅e∫P(x)dxdx+C]y=e^{-\int P(x)dx}[\int Q(x)\cdot e^{\int P(x)dx}dx+C]
y=e−∫1dx[∫ex⋅e∫1dxdx+C]y=e^{-\int 1dx}[\int e^x\cdot e^{\int 1dx}dx+C]
y=e−x[∫ex⋅exdx+C]y=e^{-x}[\int e^x\cdot e^x dx+C]
y=e−x[12∫e2xd2x+C]y=e^{-x}[\frac{1}{2}\int e^{2x}d2x+C]
y=e−x(12e2x+C)y=e^{-x}(\frac{1}{2}e^{2x}+C)
即f(x)=y=e−x(12e2x+C)f(x)=y=e^{-x}(\frac{1}{2}e^{2x}+C)
因为f(0)=0f(0)=0
即0=e−0(12e2⋅0+C)0=e^{-0}(\frac{1}{2}e^{2\cdot 0}+C)
C=−12C=-\frac{1}{2}
所以f(x)=y=e−x(12e2x−12)f(x)=y=e^{-x}(\frac{1}{2}e^{2x}-\frac{1}{2})


二阶微分方程

二阶线性微分方程

  1. 定义:称ay′′+by′+cy=f(x)ay''+by'+cy=f(x)为二阶微分方程
    (1). 当f(x)=0f(x)=0时,称为二阶齐次微分方程;
    (2). 当f(x)=P(x)⋅eλxf(x)=P(x)\cdot e^{\lambda x}时,称为二阶非齐次微分方程;
  2. 二阶齐次微分方程的解法
    (1). 标准形式:ay′′+by′+cy=0ay''+by'+cy=0
    (2). 解法:
    a. 写出特征方程:ar2+br+c=0ar^2+br+c=0
    b. 特征根:r1,2=−b±b2−4ac2ar_{1,2}=\frac{-b \pm \sqrt{b^2-4ac} }{2a}
    c. 套公式:{1.r1≠r2,y=c1er1x+c2er2x2.r1=r2,y=(c1+c2x)er1x3.r1,2=a±bi,y=eax⋅(c1cos⁡bx+c2sin⁡bx)\left\{\begin{matrix}1. r_1 \ne r_2,y=c_1e^{r_1x}+c_2e^{r_2x}\\2. r_1=r_2,y=(c_1+c_2x)e^{r_1x}\\3.r_{1,2}=a \pm bi,y=e^{ax}\cdot (c_1\cos bx+c_2\sin bx) \end{matrix}\right.
    注意:欧拉创建:i2=−1i^2=-1替代当根式下为负数的情况;例如:−4=4i=2i\sqrt{-4}=\sqrt{4i}=2i
    例题1:y′′+5y′+6y=0y''+5y'+6y=0的通解是()
    解:特征方程:r2+5r+6=0r^2+5r+6=0
    特征根:r1=−2,r2=−3r_1=-2,r_2=-3
    通解:y=c1e−2x+c2e−3xy=c_1e^{-2x}+c_2e^{-3x}或y=c1e−3x+c2xe−2xy=c_1e^{-3x}+c_2xe^{-2x}
    例题2:求微分方程y′′+6y′+9y=0y''+6y'+9y=0的通解。
    解:特征方程:r2+6r+9=0r^2+6r+9=0
    特征根:r1=r2=−3r_1=r_2=-3
    通解:y=(c1+c2x)e−3xy=(c_1+c_2x)e^{-3x}
    例题3:求微分方程y′′−4y′+5y=0y''-4y'+5y=0的通解。
    解:特征方程:r2−4r+5=0r^2-4r+5=0
    特征根:r1,2=2±1ir_{1,2}=2\pm 1i
    通解:y=e2x(c1cos⁡x+c2sin⁡x)y=e^{2x}(c_1\cos x+c_2\sin x)
    例题4:求微分方程y′′+6y′+9y=0y''+6y'+9y=0满足x的条件:y∣x=0=1,y′∣x=0=2y|_{x=0}=1,y'|_{x=0}=2的特解。
    解:特征方程:r2+6r+9=0r^2+6r+9=0
    特征根:r1=r2=3r_1=r_2=3
    通解:y=(c1+c2x)e3xy=(c_1+c_2x)e^{3x}
    因为y′=c2e3x+(c1+c2x)e3x⋅3y'=c_2e^{3x}+(c_1+c_2x)e^{3x}\cdot 3
    由y∣x=0=1,y′∣x=0=2y|_{x=0}=1,y'|_{x=0}=2得:c1=1,c2=−1c_1=1,c_2=-1
    已知方程通解,反求方程表达式:
    例题5:若c1c_1和c2c_2为两个独立的任意常数,则y=c1e−x+c2e5xy=c_1e^{-x}+c_2e^{5x}是哪个二阶齐次微分方程的通解()
    解:由题可知,特根为:r1=−1,r2=5r_1=-1,r_2=5
    方程即为:(r+1)(r−5)=0(r+1)(r-5)=0
    解得方程为:r2−4r−5=0r^2-4r-5=0
    即:y′′−4y′−5y=0y''-4y'-5y=0

二阶常系数非齐次线性微分方程

特解的一般形式
  1. 定义:ay′′+by′+cy=f(x)ay''+by'+cy=f(x)为二阶常系数非齐次线性微分方程;
  2. 类型:
    (1). ay′′+by′+cy=P(x)⋅eλxay''+by'+cy=P(x)\cdot e^{\lambda x}
    非齐次线性方程解的结果:y=yˉ+y∗y=\bar{y}+y^* 其中yˉ\bar{y}为齐次通解;y∗y^*为非齐次特解;
    计算齐次通解:yˉ:ay′′+by′+cy=0\bar{y}:ay''+by'+cy=0的解−>ayˉ′′+byˉ′+cyˉ=0->a\bar{y}''+b\bar{y}'+c\bar{y}=0
    计算非齐次特解:y∗:ay′′+by′+cy=P(x)⋅eλxy^*:ay''+by'+cy=P(x)\cdot e^{\lambda x}的解->ay∗′′+by∗′+cy∗=P(x)⋅eλxa{y^*}''+b{y^*}'+cy^*=P(x)\cdot e^{\lambda x}
    由上述两个式子相加a(yˉ′′+y∗′′)+b(yˉ′+y∗′)+c(yˉ+y∗)=P(x)⋅eλxa({\bar{y} }''+{y^*}'')+b({\bar{y} }'+{y^*}')+c(\bar{y}+y^*)=P(x)\cdot e^{\lambda x}
    得ay′′+by′+cy=P(x)⋅eλxay''+by'+cy=P(x)\cdot e^{\lambda x}
  3. 求二阶非齐次通解:
    (1). 特征根法求ay′′+by′+cy=0ay''+by'+cy=0的通解yˉ\bar{y}
    (2). 设特解y∗y^*的一般形式,求出y∗′,y∗′′{y^*}',{y^*}'',将y∗,y∗′,y∗′′y^*,{y^*}',{y^*}''带入原式方程ay′′+by′+cy=P(x)⋅eλxay''+by'+cy=P(x)\cdot e^{\lambda x}对比“左=右”,ay∗′′+by∗′+cy∗=P(x)⋅eλxa{y^*}''+b{y^*}'+cy^*=P(x)\cdot e^{\lambda x}用待定系数,求出y∗y^*;
    (3). 解出非齐次线性方程的通解:y=yˉ+y∗y=\bar{y}+y^*
    注:特解y∗y^*的一般形式设:看P(x)⋅eλxP(x)\cdot e^{\lambda x} y∗=Q(x)⋅eλx⋅xky^*=Q(x)\cdot e^{\lambda x}\cdot x^k,其中,Q(x)Q(x)为P(x)P(x)的一般式; 当P(x)P(x)为: (1). 常数:则A,BA,B代替=Q(x)=Q(x) (2). 一次函数:则ax+b=Q(x)ax+b=Q(x)
    (3). 二次函数:则ax2+bx+c=Q(x)ax^2+bx+c=Q(x)
    其中xkx^k中的kk看λ\lambda 与r1,r2r_1,r_2的关系而定:
    当k=0,λ≠r1,λ≠r2k=0,\lambda \ne r_1,\lambda \ne r_2两个皆不相同
    当k=1,λk=1,\lambda 与r1r2r_1 r_2有一个相同
    当k=2,λ=r1,λ=r2k=2,\lambda = r_1,\lambda = r_2两个都相同
    例题1:求微分方程y′′−5y′+6y=3xe2xy''-5y'+6y=3xe^{2x}的特解可设为:()。
    析:P(x)=3x,Q(x)=e2xP(x)=3x,Q(x)=e^{2x}即λ=2,3x\lambda =2,3x为一次,即(ax+b)(ax+b)
    解:设方程为y∗=(ax+b)e2x⋅xky^*=(ax+b)e^{2x}\cdot x^k
    因为y′′−5y′+6y=r2−5r+6=(r−2)(r−3)=0y''-5y'+6y=r^2-5r+6=(r-2)(r-3)=0
    解得r1=2,r2=3r_1=2,r_2=3
    因为λ=r1=2≠r2=3\lambda =r_1=2 \ne r_2=3
    即有一个相等,所以k=1k=1
    即y∗=(ax+b)e2x⋅xy^*=(ax+b)e^{2x}\cdot x
    解得:y∗=(ax2+bx)e2xy^*=(ax^2+bx)e^{2x}
    例题2:求微分方程y′′−5y′+6y=3xe2xy''-5y'+6y=3xe^{2x}的特解形式为:(B)。
    A. (ax+b)e−x(ax+b)e^{-x}
    B. x2(ax+b)e−xx^2(ax+b)e^{-x}
    C. x(ax+b)e−xx(ax+b)e^{-x}
    D. a(x+1)e−xa(x+1)e^{-x}
    析:P(x)=(x−1),Q(x)=e−xP(x)=(x-1),Q(x)=e^{-x}即λ=−1,(x−1)\lambda =-1,(x-1)为一次,即(ax+b)(ax+b)
    解:设方程为y∗=(ax+b)e−x⋅xky^*=(ax+b)e^{-x}\cdot x^k
    因为y′′+2y′+y=r2+2r+1=(r+1)2=0y''+2y'+y=r^2+2r+1=(r+1)^2=0
    解得r1=r2=−1r_1=r_2=-1
    因为λ=r1=−1=r2=−1\lambda =r_1=-1 = r_2=-1
    即两个都相等,所以k=2k=2
    即y∗=x2(ax+b)e−xy^*=x^2(ax+b)e^{-x}

题型二:非齐次通解的解及其结构

例题1:设y1,y2,y3y_1,y_2,y_3是二阶非齐次线性微分方程组Ax=bAx=b的解,则(D)。
A. y1+y2+y3y_1+y_2+y_3是Ax=bAx=b的解;
B. y1−y2y_1-y_2是Ax=bAx=b的解;
C. 2y1−y22y_1-y_2是Ax=0Ax=0的解;
D. y1+y2−y3y_1+y_2-y_3是Ax=bAx=b的解;
结构:yˉ+y∗\bar{y}+y^*
解:由题可知:Ay1=b,Ay2=b,Ay3=bAy_1=b,Ay_2=b,Ay_3=b
即A(y1+y2+y3)=3bA(y_1+y_2+y_3)=3b故A错;
即A(y1−y2)=0A(y_1-y_2)=0故B错;
即A(2y1−y2)=bA(2y_1-y_2)=b故C错;
即A(y1+y2−y3)=bA(y_1+y_2-y_3)=b故D对;
例题2:设α1,α2\alpha _1,\alpha _2是Ax=BAx=B,β\beta 是对应Ax=0Ax=0的解,则(D)。
A. 2β+α12\beta +\alpha _1是Ax=0Ax=0的解;
B. β+α1+α2\beta +\alpha _1+\alpha _2是Ax=0Ax=0的解;
C. 2α1+α22\alpha _1+\alpha _2是Ax=BAx=B的解;
D. 2α1−α22\alpha _1-\alpha _2是Ax=BAx=B的解;
解:由题可知:Aα1=B,Aα2=B,Aβ=0A\alpha _1=B,A\alpha _2=B,A\beta =0
即A(2β+α1)=BA(2\beta +\alpha _1)=B故A错;
即A(β+α1+α2)=2BA(\beta +\alpha _1+\alpha _2)=2B故B错;
即A(2α1+α2)=3BA(2\alpha _1+\alpha _2)=3B故C错;
即A(2α1−α2)=BA(2\alpha _1-\alpha _2)=B故D对;
结构定理:
(1). ay′′+by′+cy=f(x)ay''+by'+cy=f(x),通解y=yˉ+y∗y=\bar{y}+y^*
(2). y1,y2y_1,y_2为ay′′+by′+cy=f(x)ay''+by'+cy=f(x)两个解;
由上述可知:y1−y2y_1-y_2为ay′′+by′+cy=0ay''+by'+cy=0
(3). y1∗,y2∗y_1^*,y_2^*分别为ay′′+by′+cy=f1(x)ay''+by'+cy=f_1(x)与ay′′+by′+cy=f2(x)ay''+by'+cy=f_2(x)的特解;
由上述可知:y1∗+y2∗y_1^*+y_2^*为ay′′+by′+cy=f1(x)+f2(x)ay''+by'+cy=f_1(x)+f_2(x)的特解;
(4). y1,y2y_1,y_2是独立的,ay′′+by′+cy=f(x)ay''+by'+cy=f(x)的两个解,则y1−y2y_1-y_2为ay′′+by′+cy=0ay''+by'+cy=0的解;
由上述可知:c1y1+c2y2+y1(y2)=>ay′′+by′+cy=f(x)c_1y_1+c_2y_2+y_1(y_2)=>ay''+by'+cy=f(x)的通解,即齐次通解+非齐次特解;


非齐次微分方程求通解

例题1:求微分方程y′′−5y′+6y=xe2xy''-5y'+6y=xe^{2x}的通解。
解:特征方程:r2−5r+6=(r−2)(r−3)=0r^2-5r+6=(r-2)(r-3)=0
解得特征根:r1=2,r2=3r_1=2,r_2=3
故齐次通解为:y=c1e2x+c2e3xy=c_1e^{2x}+c_2e^{3x}
又因为λ=2=r1≠r1\lambda =2=r_1 \ne r_1,故k=1k=1
令特解为:y∗=(ax+b)e2x⋅xy^*=(ax+b)e^{2x}\cdot x
即特解为:y∗=(ax2+bx)e2xy^*=(ax^2+bx)e^{2x}
将特解带入原式:y∗′′−5y∗′+6y∗=(−2ax+2a−b)e2x=xe2x{y^*}''-5{y^*}'+6y^*=(-2ax+2a-b)e^{2x}=xe^{2x}
得:a=−12,b=−1a=-\frac{1}{2},b=-1
所以特解为:y∗=−12x2e2x−xe2xy^*=-\frac{1}{2}x^2e^{2x}-xe^{2x}
所以非齐次通解为:y=yˉ+y∗=c1e2x+c2e3x+(−12x2−x)e2xy=\bar{y}+y^*=c_1e^{2x}+c_2e^{3x}+(-\frac{1}{2}x^2-x)e^{2x}


n阶常系数微分方程求解
y(n)+P1y(n−1)+……=0y^{(n)}+P_1y^{(n-1)}+……=0

解法:
(1). 写出特征方程:r(n)+P1r(n−1)+……=0r^{(n)}+P_1r^{(n-1)}+……=0
(2). 求特征根r1,r2,……,rnr_1,r_2,……,r_n
(3). 套公式:
若为实数根r:
当r为单根时:y=cerxy=ce^{rx}
当r为k重根时:y=(c1+c2x+……+ckxk−1)erxy=(c_1+c_2x+……+c_kx^{k-1})e^{rx}
若为复数根r=a±bir=a \pm bi
当r为单根时:y=eax(c1cos⁡bx+c2sin⁡bx)y=e^{ax}(c_1 \cos bx+c_2 \sin bx)
当r为k重根时:y=eax[c1+c2x+……+ckxk−1cos⁡bx+(D1+D2x+……+Dkxk−1)−sin⁡bx]y=e^{ax}[c_1+c_2x+……+c_kx^{k-1}\cos bx+(D_1+D_2x+……+D_kx^{k-1})-\sin bx]
例题1:y′′′+2y′′=0y'''+2y''=0的通解:()
解:特征方程:r3+2r2=r2(r+2)=0r^3+2r^2=r^2(r+2)=0
解得特征根:r1=r2=0,r3=−2r_1=r_2=0,r_3=-2
当r=0r=0时为二重根,y=(c2+c3)e0x=c2+c3xy=(c_2+c_3)e^{0x}=c_2+c_3x
当r=−2r=-2时为单根,y=c1e−2xy=c_1e^{-2x}
所以通解为:y=c1e−2x+c2+c3xy=c_1e^{-2x}+c_2+c_3x


无穷级数

泰勒公式

  1. 常见的泰勒公式
    当x→0x \to 0:
    即有:
    (1). sin⁡x=x−16x3+o(x3)\sin x=x-\frac{1}{6}x^3+o(x^3)
    (2). cos⁡x=1−12x2+124x4+o(x4)\cos x=1-\frac{1}{2}x^2+\frac{1}{24}x^4+o(x^4)
    (3). tan⁡x=x+13x3+o(x3)\tan x=x+\frac{1}{3}x^3+o(x^3)
    (4). arcsin⁡x=x+16x3+o(x3)\arcsin x=x+\frac{1}{6}x^3+o(x^3)
    (5). arccos⁡x=\arccos x=
    (6). arctan⁡x=x−13x3+o(x3)\arctan x=x-\frac{1}{3}x^3+o(x^3)
    (7). ex=1+x+12ix2+13ix3+o(x3)e^x=1+x+\frac{1}{2i}x^2+\frac{1}{3i}x^3+o(x^3)
    (8). ln⁡(1+x)=x−12x2+13x3+o(x3)\ln (1+x)=x-\frac{1}{2}x^2+\frac{1}{3}x^3+o(x^3)
    (9). (1+x)α=x+αx+α(α−1)2x2+o(x2)(1+x)^{\alpha }=x+\alpha x+\frac{\alpha (\alpha -1)}{2}x^2+o(x^2)
    对于上述第九个公式会有:
    当α=12\alpha =\frac{1}{2}时,则1+x=1+12x−18x2+o(x2)\sqrt{1+x}=1+\frac{1}{2}x-\frac{1}{8}x^2+o(x^2)
    当α=13\alpha =\frac{1}{3}时,则1+x=1+13x−19x2+o(x2)\sqrt{1+x}=1+\frac{1}{3}x-\frac{1}{9}x^2+o(x^2)
  2. 常用的公式
    当x→0x \to 0:
    (1). tan⁡x−sin⁡x=12x3+o(x3)\tan x-\sin x=\frac{1}{2}x^3+o(x^3)
    (2). x−sin⁡x=16x3+o(x3)x-\sin x=\frac{1}{6}x^3+o(x^3)
    (3). arcsin⁡x−x=16x3+o(x3)\arcsin x -x=\frac{1}{6}x^3+o(x^3)
    (4). tan⁡x−x=13x3+o(x3)\tan x-x=\frac{1}{3}x^3+o(x^3)
    (5). x−arctan⁡x=13x3+o(x3)x-\arctan x=\frac{1}{3}x^3+o(x^3)
    则可以得:
    (1). tan⁡x−sin⁡x 12x3\tan x-\sin x~\frac{1}{2}x^3
    (2). x−sin⁡x 16x3x-\sin x~\frac{1}{6}x^3
    (3). arcsin⁡x−x 16x3\arcsin x -x~\frac{1}{6}x^3
    (4). tan⁡x−x 13x3\tan x-x~\frac{1}{3}x^3
    (5). x−arctan⁡x 13x3x-\arctan x~\frac{1}{3}x^3
    亦可得:
    (1). x−ln⁡(1+x) 12x2x-\ln (1+x)~\frac{1}{2}x^2
    (2). ex−1−x 12x2e^x-1-x~\frac{1}{2}x^2
    (3). 1−cos⁡αx α2x21-\cos ^{\alpha }x~\frac{\alpha }{2}x^2
    (4). f(x)g(x)−1 g(x)[f(x)−1]f(x)^{g(x)}-1~g(x)[f(x)-1](当f(x)→1f(x) \to 1且f(x)g(x)→1f(x)^{g(x)}\to 1)
    以上公式内容均参考:叶灵均的高数笔记

无穷级数的概念

将无穷多个数进行求和:记为∑n=1∞un=u1+u2+…+un+…\sum_{n=1}^{\infty }u_n=u_1+u_2+…+u_n+… ,其中unu_n为通项;

  1. 收敛与发散:
    (1). 部分和(前n项和):Sn=∑i=1nui=u1+u2+…+unS_n=\sum_{i=1}^{n}u_i=u_1+u_2+…+u_n
    (2). 当lim⁡x→∞Sn=\lim_{x \to \infty }S_n=常数,称∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty}u_n收敛;
    当lim⁡x→∞Sn=∞\lim_{x \to \infty }S_n=\infty(不存在),称∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty}u_n发散;
    常见数列求和:
    a. 等差数列求和:
    通项:an=a1+(n−1)da_n=a_1+(n-1)d
    求和:Sn=(a1+an)⋅n2S_n=\frac{(a_1+a_n)\cdot n}{2}
    b. 等比数列求和:
    通项:an=s1⋅qn−1a_n=s_1\cdot q^{n-1}
    求和:Sn=a1(1−qn)1−q(q≠1)S_n=\frac{a_1(1-q^n)}{1-q}(q\ne 1)
    注:∣q∣<1,n→∞,qn→0|q|<1,n \to \infty ,q^n \to 0->Sn=a11−q=S_n=\frac{a_1}{1-q}=首项1−公比\frac{首项}{1-公比}|公比|<1;
    c. 裂项相消: 1n(n+1)=1n−1n+1\frac{1}{n(n+1)}=\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1} 例:∑n=1∞1n(n+1)=∑n=1∞(1n−1n+1)\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n(n+1)} =\sum_{n=1}^{\infty }(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1} ) =(1−12)+(12−13)+…+(1n−1n+1)=(1-\frac{1}{2} )+(\frac{1}{2}-\frac{1}{3} )+…+(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}) =1−1n+1=1=1-\frac{1}{n+1}=1

无穷级数的性质

  1. 收敛级数性质:
    (1). ∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty }u_n收敛于A,则∑n=1∞kun=k∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty }ku_n=k\sum_{n=1}^{\infty }u_n也收敛,且收敛于kAkA
    (2). 收敛±收敛=收敛收敛 \pm 收敛=收敛;收敛±发散=发散收敛 \pm 发散=发散,其余不一定成立;
    注:发散±发散=不一定发散 \pm 发散=不一定
    (3). 在级数中减去或者加上有限项,不会改变级数敛散性;
    (4). 若∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty }u_n收敛,对任意项加括号后构成的新级数,敛散性不变;
    级数收敛的结论: ∑n=1∞un→lim⁡n→∞un=0\sum_{n=1}^{\infty }u_n\rightarrow \lim_{n \to \infty }u_n=0(**不可以反推**) 例题1:级数∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty }u_n收敛,求lim⁡x→∞(un+2)=(2)\lim_{x \to \infty }(u_n+2)=(2)。 解析:收敛:un→0→0+2=2u_n \to 0 \to 0+2=2
  2. 级数敛散性判别:
    (1). 第n项判别法(逆否命题):lim⁡x→∞un≠0→∑n=1∞un\lim_{x \to \infty }u_n \ne 0 \rightarrow \sum_{n=1}^{\infty }u_n发散;
    例题2:判断级数∑n=1∞sin⁡1n,∑n=1∞cos⁡1n,∑n=1∞(1+1n)n,∑n=1∞nn\sum_{n=1}^{\infty }\sin \frac{1}{n},\sum_{n=1}^{\infty }\cos \frac{1}{n},\sum_{n=1}^{\infty }(1+\frac{1}{n})^n,\sum_{n=1}^{\infty}\sqrt[n]{n}的敛散性。
    解:当n→∞n \to \infty时,lim⁡n→∞sin⁡1n\lim_{n \to \infty}\sin \frac{1}{n}n→∞,1n→0,sin⁡1n 1nn \to \infty,\frac{1}{n} \to 0,\sin \frac{1}{n}~\frac{1}{n} 所以,原级数∑n=1∞sin⁡1n=∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty}\sin \frac{1}{n}=\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n}同敛散性;
    ∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n}发散,即原级数发散;
    lim⁡n→∞cos⁡1n=1≠0\lim_{n \to \infty }\cos \frac{1}{n}=1 \ne 0,即发散;
    lim⁡n→∞(1+1n)n=e≠0\lim_{n \to \infty }(1+\frac{1}{n})^n=e \ne 0,即发散;
    lim⁡n→∞nn=lim⁡x→∞n1n=lim⁡x→∞eln⁡xx=elim⁡x→∞1x=e0=1≠0\lim_{n \to \infty }\sqrt[n]{n}=\lim_{x \to \infty }n^{\frac{1}{n} }=\lim_{x \to \infty }e^{\frac{\ln x}{x} }=e^{\lim_{x \to \infty} \frac{1}{x} }=e^0=1 \ne 0,即发散;
    例题3:若lim⁡x→∞un≠0\lim_{x \to \infty }u_n \ne 0则∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty }u_n发散;
    若∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty}u_n收敛,则lim⁡x→∞un=0\lim_{x \to \infty}u_n=0;
  3. 等比级数判敛方法(几何级数):
    (1). 标准式:∑n=0∞a⋅qn\sum_{n=0}^{\infty }a\cdot q^n(q为公比)
    (2). 判别方法:看∣q∣⟹{∣q∣<1,收∣q∣≥1,发|q|\Longrightarrow \left\{\begin{matrix}|q|<1 ,收\\|q| \ge 1, 发\end{matrix}\right.
    例题4:判断级数∑n=1∞3n\sum_{n=1}^{\infty }3^n的敛散性。
    解:∣q∣=3>1|q|=3 > 1,发散;
    lim⁡n→∞3n=∞≠0\lim_{n \to \infty}3^n=\infty \ne 0,发散;
    例题5:判断级数∑n=1∞(−1)n⋅13n\sum_{n=1}^{\infty }(-1)^n\cdot \frac{1}{3^n}的敛散性。
    解:lim⁡n→∞(−13)n,∣q∣=13<1\lim_{n \to \infty}(\frac{-1}{3})^n,|q|=\frac{1}{3} < 1,即收敛;
    例题6:判断级数∑n=1∞(14)n⋅1n\sum_{n=1}^{\infty }(\frac{1}{4})^n\cdot \frac{1}{n}的敛散性。
    解:lim⁡n→∞(14)n,∣q∣=14<1\lim_{n \to \infty}(\frac{1}{4})^n,|q| =\frac{1}{4} <1,即收敛;
    例题7:判断级数∑n=1∞(−1)n−1⋅2n3n\sum_{n=1}^{\infty }(-1)^{n-1}\cdot \frac{2^n}{3^n}的敛散性。
    解:−lim⁡n→∞(−23)n,∣q∣=23<1-\lim_{n \to \infty}(-\frac{2}{3})^n,|q|=\frac{2}{3}<1,即收敛;
    例题8:判断级数∑n=1∞2n−13n\sum_{n=1}^{\infty }\frac{2^n-1}{3^n}的敛散性。
    解:∑n=0∞2n3n−∑n=1∞(13)n,∣q1∣=23<1,∣q2∣=13<1\sum_{n=0}^{\infty }\frac{2^n}{3^n}-\sum_{n=1}^{\infty}(\frac{1}{3})^n,|q_1|=\frac{2}{3}<1,|q_2|=\frac{1}{3}<1,利于性质收敛±收敛=收敛收敛\pm 收敛=收敛, 即收敛;
    例题9:判断级数∑n=1∞(32)n\sum_{n=1}^{\infty }(\frac{3}{2})^n的敛散性。
    解:lim⁡n→∞(32)n,∣q∣=32>1\lim_{n \to \infty}(\frac{3}{2})^n,|q|=\frac{3}{2}>1,即发散;
  4. P级数判别法:
    (1). 形式:∑n=1∞1nP\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n^P},其中P>0P>0为数字;
    (2). 判别方法:看p⟹{p>1,收p≤1,发p\Longrightarrow \left\{\begin{matrix}p>1 ,收\\p \le 1, 发\end{matrix}\right.
    注:调和级数,∑n=1∞1n1,P=1\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n^1},P=1,发散;
    例题10:判断级数∑n=1∞1n24\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{\sqrt[4]{n^2} }的敛散性。
    解:∑n=1∞1n24=∑n=1∞1n12\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{\sqrt[4]{n^2} }=\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n^{\frac{1}{2} } }
    P=12<1P=\frac{1}{2} <1,即发散;
  5. 正项级数判别法:
    (1). 形式:∑n=1∞un(un>0)\sum_{n=1}^{\infty }u_n(u_n > 0),即unu_n为正数;
    (2). 判别方法:
    a. 比值判别法(达朗贝尔判别法)自比自: lim⁡n→∞un+1un⟹{<1,收>1,发=1,失效\lim_{n \to \infty} \frac{u_n+1}{u_n}\Longrightarrow \left\{\begin{matrix}<1,收\\>1,发\\=1,失效\end{matrix}\right.失效只能使用其他方法; 使用对象:unu_n中含有n!,an,nnn!,a^n,n^n优选比值判别法; 例题11:判断级数∑n=1∞2nn!\sum_{n=1}^{\infty }\frac{2^n}{n!}的敛散性。 解:un=2nn!,un+1=2n+1(n+1)!u_n=\frac{2^n}{n!},u_{n+1}=\frac{2^{n+1} }{(n+1)!} lim⁡n→∞un+1un=lim⁡n→∞2n+1⋅n!2n⋅(n+1)!\lim_{n \to \infty}\frac{u_{n+1} }{u_n}=\lim_{n \to \infty}\frac{2^{n+1} \cdot n!}{2^n \cdot (n+1)!} =lim⁡n→∞2⋅n!n!⋅(n+1)!=\lim_{n \to \infty}2 \cdot \frac{n!}{n!\cdot (n+1)!} =lim⁡n→∞2(n+1)=\lim_{n \to \infty}\frac{2}{(n+1)} =0<1=0<1 由比值判别法得知,级数收敛;
    例题12:判断级数∑n=1∞2n⋅n!nn\sum_{n=1}^{\infty }\frac{2^n\cdot n!}{n^n}的敛散性。
    解:un=2n⋅n!nn,un+1=2n+1⋅(n+1)!(n+1)n+1u_n=\frac{2^n\cdot n!}{n^n},u_{n+1}=\frac{2^{n+1} \cdot (n+1)!}{(n+1)^{n+1} } lim⁡n→∞un+1un=lim⁡n→∞2n+1⋅(n+1)!⋅n!2n⋅n!⋅(n+1)n+1\lim_{n \to \infty}\frac{u_{n+1} }{u_n}=\lim_{n \to \infty}\frac{2^{n+1} \cdot (n+1)! \cdot n!}{2^n \cdot n! \cdot (n+1)^{n+1} } =lim⁡n→∞2n+12n⋅(n+1)!n!⋅nn(n+1)n+1=\lim_{n \to \infty}\frac{2^{n+1} }{2^n}\cdot \frac{(n+1)!}{n!}\cdot \frac{n^n}{(n+1)^{n+1}} =lim⁡n→∞2(n+1)⋅nn(n+1)n+1=\lim_{n \to \infty}2(n+1)\cdot \frac{n^n}{(n+1)^{n+1}} =lim⁡n→∞2⋅(n(n+1))n=\lim_{n \to \infty}2\cdot (\frac{n}{(n+1)})^n =lim⁡n→∞2⋅e−nn+1=\lim_{n \to \infty}2\cdot e^{\frac{-n}{n+1}} =2⋅e−1=2e<1=2 \cdot e^{-1}=\frac{2}{e}<1
    由比值判别法,级数收敛;
    b. 比较判别法 them 比 them:
    大方收敛则小方收敛,小方发散则大方发散;
    找级数∑n=1∞vn\sum_{n=1}^{\infty }v_n的方法;
    (1). 等价(极限的比较判别法);
    公式:lim⁡n→∞unvn=A\lim_{n \to \infty}\frac{u_n}{v_n}=A A{A为常数,同敛散性0,大收小收∞,小发大发A\left\{\begin{matrix}A为常数,同敛散性\\0,大收小收\\\infty,小发大发\end{matrix}\right. 若n→∞n \to \infty时un vnu_n~v_n且un,vnu_n,v_n均有限,则∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty }u_n与∑n=1∞vn\sum_{n=1}^{\infty }v_n同敛散;
    例题13:判断级数∑n=0∞sin⁡(12n)\sum_{n=0}^{\infty }\sin (\frac{1}{2^n})的敛散性。
    解:n→∞,12n→0sin⁡12n 12nn \to \infty,\frac{1}{2^n}\to 0 \sin \frac{1}{2^n}~\frac{1}{2^n}
    故由极限比较判别法:∑n=0∞sin⁡(12n)与∑n=0∞12n\sum_{n=0}^{\infty}\sin (\frac{1}{2^n})与\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{2^n}敛散性一致;
    而∑n=0∞1n2n=∑n=0∞(12)n;∣q∣=12<1\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1^n}{2^n}=\sum_{n=0}^{\infty}(\frac{1}{2})^n;|q|=\frac{1}{2}<1即为收敛;
    则∑n=0∞sin⁡(12n)\sum_{n=0}^{\infty}\sin (\frac{1}{2^n})收敛;
    例题14:判断级数∑n=1∞ln⁡(1+1n)\sum_{n=1}^{\infty }\ln (1+\frac{1}{n})的敛散性。
    解:n→∞,1n→0,ln⁡(1+1n) 12nn \to \infty,\frac{1}{n}\to 0 ,\ln (1+\frac{1}{n})~\frac{1}{2^n}
    故由极限比较判别法:∑n=1∞ln⁡(1+1n)与∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty}\ln (1+\frac{1}{n})与\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}敛散性一致;
    而∑n=1∞1n=∑n=0∞1n1;P=1\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{n^1};P=1即为发散;
    则∑n=1∞ln⁡(1+1n)\sum_{n=1}^{\infty}\ln (1+\frac{1}{n})发散;
    例题15:判断级数∑n=1∞1n⋅ln⁡(1+1n)\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{\sqrt{n} }\cdot \ln (1+\frac{1}{n})的敛散性。
    解:n→∞,1n→0,ln⁡(1+1n) 12nn \to \infty,\frac{1}{n}\to 0 ,\ln (1+\frac{1}{n})~\frac{1}{2^n}
    故由极限比较判别法:∑n=1∞ln⁡(1+1n)与∑n=1∞1n⋅nn\sum_{n=1}^{\infty}\ln (1+\frac{1}{n})与\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n\cdot \sqrt[n]{n} }敛散性一致;
    而∑n=1∞1n⋅nn=∑n=0∞(1n32;P=32\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n\cdot \sqrt[n]{n} }=\sum_{n=0}^{\infty}(\frac{1}{n^{\frac{3}{2} } };P=\frac{3}{2}即为收敛;
    则∑n=1∞ln⁡(1+1n)\sum_{n=1}^{\infty}\ln (1+\frac{1}{n})收敛;
    例题16:判断级数∑n=1∞1n⋅nn\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n \cdot \sqrt[n]{n} }的敛散性。
    解:n→∞,nn=1,1n→0,1n⋅nn) 1nn \to \infty,\sqrt[n]{n}=1,\frac{1}{n}\to 0 ,\frac{1}{n\cdot \sqrt[n]{n} } )~\frac{1}{n}
    故由极限比较判别法:∑n=1∞1n⋅nn与∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n\cdot \sqrt[n]{n}}与\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}敛散性一致;
    而∑n=1∞1n=∑n=1∞1n1;P=1\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^1};P=1即为发散;
    则∑n=1∞1n⋅nn\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n\cdot \sqrt[n]{n} }发散;
    例题17:判断级数∑n=1∞2n⋅sin⁡π3n\sum_{n=1}^{\infty }2^n\cdot \sin \frac{\pi}{3^n}的敛散性。
    解:n→∞,π3n→0,sin⁡π3n π3nn \to \infty,\frac{\pi }{3^n}\to 0 ,\sin \frac{\pi }{3^n}~\frac{\pi }{3^n}
    故由极限比较判别法:∑n=1∞2n⋅sin⁡π3n与π∑n=1∞2n⋅13n\sum_{n=1}^{\infty}2^n \cdot \sin \frac{\pi }{3^n}与\pi \sum_{n=1}^{\infty}2^n\cdot \frac{1}{3^n}敛散性一致;
    而π∑n=1∞2n3n=∑n=0∞(23)n;∣q∣=23<1\pi \sum_{n=1}^{\infty}\frac{2^n}{3^n}=\sum_{n=0}^{\infty}(\frac{2}{3})^n;|q|=\frac{2}{3}<1即为收敛;
    则∑n=1∞ln⁡(1+1n)\sum_{n=1}^{\infty}\ln (1+\frac{1}{n})收敛;
    例题18:判断级数∑n=1∞n+1−n−1n\sum_{n=1}^{\infty }\frac{\sqrt{n+1}-\sqrt{n-1} }{n}的敛散性。
    解析:将上面的根号进行展开化简:(n+1−n−1)(n+1+n−1)n⋅(n+1+n−1)=2n(n+1+n−1)\frac{(\sqrt{n+1}-\sqrt{n-1})(\sqrt{n+1}+\sqrt{n-1}) }{n\cdot (\sqrt{n+1}+\sqrt{n-1}) }=\frac{2}{n(\sqrt{n+1}+\sqrt{n-1} ) }
    将分母根号内1同约掉,即为 2n⋅2n 1n⋅n~\frac{2}{n\cdot 2\sqrt{n} }~\frac{1}{n \cdot \sqrt{n} }
    解:n→∞,n+1−n−1n 1n⋅nn \to \infty,\frac{\sqrt{n+1}-\sqrt{n-1} }{n}~\frac{1}{n\cdot \sqrt{n} }
    故由极限比较判别法:∑n=1∞n+1−n−1n与∑n=1∞1n⋅n\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sqrt{n+1}-\sqrt{n-1} }{n}与\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n\cdot \sqrt{n} }敛散性一致;
    而∑n=0∞1n1⋅n12=∑n=1∞1n32;P=32>1\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{n^1\cdot n^{\frac{1}{2} } }=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^{\frac{3}{2} } };P=\frac{3}{2}>1即为发散;
    则∑n=1∞ln⁡(1+1n)\sum_{n=1}^{\infty}\ln (1+\frac{1}{n})发散;
    注意:通过极限等价变换,可以将级数转换为其他级数,从而判断级数的敛散性(一般为P级数,等比级数); n→∞,nn=1{\color{Red} n \to \infty ,\sqrt[n]{n}=1 } (2). 抓大头(分式保留最大项判别)“分母越小,值越大”;
    当级数∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty }u_n的通项unu_n为nan^a或ana^n的分式,则可将分子,分母各自保留最大项所得项即为∑n=1∞vn\sum_{n=1}^{\infty}v_n
    例题19:判断级数∑n=1∞n+1n(n+2)\sum_{n=1}^{\infty }\frac{n+1}{n(n+2)}的敛散性。
    解:取∑n=1∞vn=∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty}v_n=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}
    因为lim⁡n→∞unvn=lim⁡n→∞(n+1)⋅nn(n+2)=1\lim_{n \to \infty }\frac{u_n}{v_n}=\lim_{n \to \infty}\frac{(n+1)\cdot n}{n(n+2)}=1
    故∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}与原级数∑n=1∞n+1n(n+2)\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n+1}{n(n+2)}同敛散性;
    而∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}为发散级数,即原级数发散;
    例题20:判断级数∑n=1∞12n+4\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{2^n+4}的敛散性。
    解:取∑n=1∞vn=∑n=1∞12n\sum_{n=1}^{\infty}v_n=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{2^n}
    因为lim⁡n→∞unvn=lim⁡n→∞2n2n+4=1\lim_{n \to \infty }\frac{u_n}{v_n}=\lim_{n \to \infty}\frac{2^n}{2^n+4}=1
    故∑n=1∞12n\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{2^n}与原级数∑n=1∞12n+4\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{2^n+4}同敛散性;
    而∑n=1∞12n=∑n=1∞(12)n,∣q∣=12<1\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{2^n}=\sum_{n=1}^{\infty}(\frac{1}{2})^n,|q|=\frac{1}{2}<1为收敛级数,即原级数收敛;
    例题21:判断级数∑n=1∞14n3+5\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{\sqrt{4n^3+5} }的敛散性。
    解:取∑n=1∞vn=∑n=1∞12n32=12∑n=1∞1n32\sum_{n=1}^{\infty}v_n=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{2n^{\frac{3}{2} } }=\frac{1}{2}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^{\frac{3}{2} } }
    故12∑n=1∞1n32\frac{1}{2}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^{\frac{3}{2} } }与原级数∑n=1∞14n3+5\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{4n^3+5} }同敛散性;
    而12∑n=1∞1n32,P=32>1\frac{1}{2}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^{\frac{3}{2} } },P=\frac{3}{2}>1为收敛级数,即原级数收敛;
    例题22:判断级数∑n=1∞(1n+1−1n⋅n)\sum_{n=1}^{\infty }(\frac{1}{\sqrt{n+1} }-\frac{1}{n \cdot \sqrt{n} } )的敛散性。
    解:∑n=1∞1n+1−∑n=1∞1n⋅n\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{n+1} }-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n \cdot \sqrt{n} }
    即∑n=1∞1n+1 ∑n=1∞1n;∑n=1∞1n⋅n ∑n=1∞1n32\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{n+1} }~\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{n} };\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n \cdot \sqrt{n} }~\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{n^{\frac{3}{2} } } }
    即∑n=1∞1n12,P=12<1;∑n=1∞1n32,P=32>1\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^{\frac{1}{2}} },P=\frac{1}{2}<1;\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{n^{\frac{3}{2} } } },P=\frac{3}{2}>1
    即发散-收敛=发散;
    (3). 放缩,遇sin⁡∞,cos⁡∞,(−1)∞≤1\sin \infty,\cos \infty,(-1)^{\infty} \le 1
    当n→∞n \to \infty 时,看unu_n,遇sin⁡∞cos⁡∞≤1\sin \infty \cos \infty \le 1
    均值不等式:a2+b2≥2ab;a+b≥2aba^2+b^2 \ge 2ab; a+b \ge 2\sqrt{ab}
    例题23:判断级数∑n=1∞sin⁡nxn2\sum_{n=1}^{\infty }\frac{\sin nx}{n^2}的敛散性。
    解:n→∞n \to \infty 时,sin⁡nxn2≤1n2\frac{\sin nx}{n^2} \le \frac{1}{n^2}
    因为sin⁡nxn2≤1n2\frac{\sin nx}{n^2} \le \frac{1}{n^2}
    而∑n=1∞1n2,P=2>1\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2},P=2>1为收敛级数
    故由比较判别法,∑n=1∞sin⁡nxn2\sum_{n=1}^{\infty }\frac{\sin nx}{n^2}收敛;
    例题24:设∑n=1∞bn\sum_{n=1}^{\infty }bn为正项级数,∑n=1∞an2\sum_{n=1}^{\infty }a_n^2收敛,则∑n=1∞∣a+n∣n2+bn=()\sum_{n=1}^{\infty}\frac{|a_+n|}{\sqrt{n^2+bn} }=()。
    解:因为∣an∣n2+bn≤∣an∣n≤12(an2+1n2)\frac{|a_n|}{\sqrt{n^2+bn} }\le \frac{|a_n|}{n} \le \frac{1}{2}(a_n^2+\frac{1}{n^2})
    所以∑n=1∞12(an2+1n2)\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{2}(a_n^2+\frac{1}{n^2})为收敛级数,即原级数收敛;
    c. 根值判别法:

交错级数及敛散性判别法

定义:称∑n=1∞(−1)n⋅un\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n\cdot u_n或∑n=1∞(−1)n−1⋅un\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\cdot u_n为交错级数,其中unu_n非负。
判别方法:(莱布尼茨判别法):
若∑n=1∞(−1)nun\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^nu_n满足,则{lim⁡n→∞un=0un≥un+1}→\begin{Bmatrix}\lim_{n \to \infty}u_n=0 \\u_n \ge u_{n+1}\end{Bmatrix}\to 则∑n=1∞(−1)n⋅un\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n \cdot u_n收敛;
注意事项:
(1). 交错级数可理解为:正项,负项交替出现的级数;
(2). 判断敛散性时,若lim⁡n→∞un≠0\lim_{n \to \infty}u_n \ne 0,则级数发散;
(3). un≥un+1u_n \ge u_{n+1}等同于un−un+1≥0;un+1un≤1;unu_n-u_{n+1} \ge 0;\frac{u_{n+1} }{u_n}\le 1;u_n是单减数列;
考试易错点:
(1). 若求lim⁡n→∞un=0\lim_{n \to \infty}u_n=0时,出现洛必达求unu_n极限时,不能直接求导,需要把n改为x后再求导;
(2). 用导数判断单调性时,也要将n改为x后再求导;
例题1:判断级数∑n=1∞(−1)n⋅1n!\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n\cdot \frac{1}{n!}的敛散性。
解:un=1n!,un+1=1(n+1)!u_n=\frac{1}{n!},u_{n+1}=\frac{1}{(n+1)!};
lim⁡n→∞un=lim⁡n→∞1n!=0\lim_{n \to \infty}u_n=\lim_{n \to \infty}\frac{1}{n!}=0
un>un+1u_n> u_{n+1}
由莱布尼兹定理知:∑n=1∞(−1)n⋅1n!\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n \cdot \frac{1}{n!}收敛;
例题2:判断级数∑n=0∞(−1)n⋅1n2\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\cdot \frac{1}{n^2}的敛散性。
解:un=1n2,un+1=1(n+1)2u_n=\frac{1}{n^2},u_{n+1}=\frac{1}{(n+1)^2};
lim⁡n→∞un=lim⁡n→∞1n2=0\lim_{n \to \infty}u_n=\lim_{n \to \infty}\frac{1}{n^2}=0
un>un+1u_n> u_{n+1}
由莱布尼兹定理知:∑n=1∞(−1)n⋅1n2\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n \cdot \frac{1}{n^2}收敛;
例题3:判断级数∑n=1∞(−1)n−1⋅n3n−1\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\cdot \frac{n}{3^{n-1} }的敛散性。
解:un=n3n−1,un+1=n+13nu_n=\frac{n}{3^{n-1} },u_{n+1}=\frac{n+1}{3^n};
lim⁡x→∞ux=lim⁡n→∞x3x−1=lim⁡x→∞13x−1⋅ln⁡3=0\lim_{x \to \infty}u_x=\lim_{n \to \infty}\frac{x}{3^{x-1} }=\lim_{x \to \infty}\frac{1}{3^{x-1}\cdot \ln 3}=0
令f(x)=x3x−1,f′(x)=3x−1−x⋅3x−1⋅ln⁡3(3x−1)2f(x)=\frac{x}{3^{x-1} },f'(x)=\frac{3^{x-1}-x \cdot 3^{x-1}\cdot \ln 3}{(3^{x-1})^2}
=3x−1(1−x⋅ln⁡3)(3x−1)2=1−xln⁡33x−1=\frac{3^{x-1}(1-x \cdot \ln 3)}{(3^{x-1})^2}=\frac{1-x\ln 3}{3^{x-1} }
故当x→∞x \to \infty时,f′(x)<0,f'(x)<0,即unu_n为单减数列;
故由莱布尼茨定理,级数∑n=1∞(−1)n−1⋅n3n−1\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\cdot \frac{n}{3^{n-1} }收敛;
例题4:判断级数∑n=1∞(−1)n⋅nn+1\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n\cdot \frac{n}{n+1}的敛散性。
解:un=nn+1,un+1=n+1n+2u_n=\frac{n}{n+1},u_{n+1}=\frac{n+1}{n+2};
lim⁡n→∞un=lim⁡n→∞nn+1=1≠0\lim_{n \to \infty}u_n=\lim_{n \to \infty}\frac{n}{n+1}=1\ne 0
故级数sumn=1∞(−1)n−1⋅n3n−1sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\cdot \frac{n}{3^{n-1} }发散;
例题5:设un=(−1)n⋅sin⁡1nu_n=(-1)^n\cdot \sin \frac{1}{\sqrt{n} }则∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty }u_n与∑n=1∞un2\sum_{n=1}^{\infty}u_n^2的敛散性分别是:()。
解:∑n=1∞(−1)n⋅sin⁡1n\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n\cdot \sin \frac{1}{\sqrt{n} }
un=sin⁡1nun+1=sin⁡1n+1u_n=\sin \frac{1}{\sqrt{n} }u_{n+1}=\sin \frac{1}{\sqrt{n+1} }
lim⁡n→∞sin⁡1n=0\lim_{n \to \infty}\sin \frac{1}{\sqrt{n} }=0
un≥un+1u_n \ge u_{n+1}
由莱布尼茨判别法,级数∑n=1∞(−1)n⋅sin⁡1n\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n\cdot \sin \frac{1}{\sqrt{n} }收敛;
∑n=1∞un2=∑n=1∞(sin⁡1n)2\sum_{n=1}^{\infty}u_n^2=\sum_{n=1}^{\infty}(\sin \frac{1}{\sqrt{n} })^2
取vn=∑n=1∞1nv_n=\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}
因为lim⁡n→∞(sin⁡1n)21n=lim⁡n→∞1n1n=1\lim_{n \to \infty}\frac{(\sin \frac{1}{\sqrt{n} })^2}{\frac{1}{n} }=\lim_{n \to \infty}\frac{\frac{1}{n} }{\frac{1}{n} }=1
即∑n=1∞(sin⁡1n)2\sum_{n=1}^{\infty}(\sin \frac{1}{\sqrt{n} })^2与∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}同敛散性
而∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}为发散级数,故∑n=1∞(sin⁡1n)2\sum_{n=1}^{\infty}(\sin \frac{1}{\sqrt{n} })^2发散;


任意项级数的绝对收敛与条件收敛

称级数∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty}u_n,其中unu_n为任意项,可为正,负,形式随意为任意项级数;
解题方法:对于通项unu_n加绝对值(变∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty}u_n为∑n=1∞∣un∣\sum_{n=1}^{\infty}|u_n|);
(1). 绝对收敛:
若级数∑n=1∞∣un∣\sum_{n=1}^{\infty}|u_n|收敛,称级数∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty}u_n绝对收敛;
(2). 条件收敛:
若级数∑n=1∞∣un∣\sum_{n=1}^{\infty}|u_n|发散,级数∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty}u_n收敛,称级数∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty}u_n条件收敛;
例题1:若级数∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty}u_n条件收敛,则级数∑n=1∞∣un∣\sum_{n=1}^{\infty}|u_n|必定(发散)。
解析:本身条件收敛,加绝对值为发散;
扩展:则∑n=1∞(∣un∣+un)\sum_{n=1}^{\infty}(|u_n|+u_n):发散;
发散+收敛=发散;
例题2:下列判断有误的是:(B)
A. ∑n=1∞(−1)nn2+n\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n^2+n}绝对收敛
B. ∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty}u_n收敛,则∑n=1∞un2\sum_{n=1}^{\infty}u_n^2收敛
C. ∑n=1∞(−1)n⋅1n\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n\cdot \frac{1}{n}条件收敛
D. ∑n=1∞un≠0\sum_{n=1}^{\infty}u_n \ne 0,则∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty}u_n发散
解析:
A. 原级数加绝对值∑n=1∞1n2+n ∑n=1∞1n2,P=2>1\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2+n}~\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2},P=2>1即为收敛,故原级数绝对收敛;
C. lim⁡x→∞1n=0,f(x)=1x,f′(x)=−1x2<0\lim_{x \to \infty}\frac{1}{n}=0,f(x)=\frac{1}{x},f'(x)=-\frac{1}{x^2}<0即为收敛,∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}发散,即条件收敛;
D. ∑n=1∞un≠0\sum_{n=1}^{\infty}u_n \ne 0,即lim⁡n→∞un≠0\lim_{n \to \infty}u_n \ne 0,故原级数发散;


幂级数

各项均是由幂函数构成的函数项级数∑n=0∞anxn\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n,其中ana_n为常数,xx为变量,xnx^n为幂函数;
(1). 收敛点:当x=x0x=x_0时,∑n=0∞anx0n\sum_{n=0}^{\infty}a_nx_0^n收敛,称x0x_0为收敛点;
(2). 发散点:当x=x0x=x_0时,∑n=0∞anx0n\sum_{n=0}^{\infty}a_nx_0^n发散,称x0x_0为发散点;
(3). 收敛区间,收敛半径,收敛域:

收敛区间:级数收敛时x的取值范围x∈(a,b)x \in (a,b)(开区间);
收敛半径:整个收敛区间的中心点x0x_0到收敛区间的端点a,ba,b的距离R=b−a2R=\frac{b-a}{2};
收敛域:单独讨论x=a,x=bx=a,x=b时,级数敛散性后的收敛区间;收敛取闭区间,发散取开区间;
(4). 求解收敛域、收敛区间:
使用正项级数中的比值判别法或根值判别法;
求解过程:
∑x=0∞un(x)\sum_{x=0}^{\infty}u_n(x)
a. 定通项un,un+1u_n,u_{n+1}
b. 令lim⁡n→∞∣un+1un∣<1\lim_{n \to \infty}|\frac{u_{n+1}}{u_n}|<1解出x的范围,即为收敛区间;
注:∣x∣<a⟷−a<x<a|x|<a \longleftrightarrow -a<x<a;x2<1⟷−1<x<1x^2<1\longleftrightarrow -1<x<1

方法总结:
(1). 比值判别法:令lim⁡n→∞∣un+1un∣<1\lim_{n \to \infty}|\frac{u_{n+1} }{u_n}|<1解出x的范围;
(2). 针对∑n=0∞anxn\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n;公式:取lim⁡n→∞∣an+1an∣=P→x∈(−1ρ,1ρ)→R=1ρ\lim_{n \to \infty}|\frac{a_{n+1} }{a_n}|=P \to x \in (-\frac{1}{\rho},\frac{1}{\rho})\to R=\frac{1}{\rho}


具体型幂级数求解收敛区间

例题1:求幂级数∑n=0∞nxn3n\sum_{n=0}^{\infty}\frac{nx^n}{3^n}的收敛半径,收敛域。
解析:比值判别法
解:un=nxn3n,un+1=(n+1)⋅xn+13n+1u_n=\frac{nx^n}{3^n},u_{n+1}=\frac{(n+1)\cdot x^{n+1} }{3^{n+1} }
lim⁡n→∞∣un+1un∣=lim⁡n→∞∣(n+1)⋅xn+13n+1⋅3nnxn∣=lim⁡n→∞∣(n+1)⋅x3n∣=∣x3∣<1\lim_{n \to \infty}|\frac{u_{n+1} }{u_n}|=\lim_{n \to \infty}|\frac{(n+1)\cdot x^{n+1} }{3^{n+1} } \cdot \frac{3^n}{nx^n}|=\lim_{n \to \infty}|\frac{(n+1)\cdot x}{3n}|=|\frac{x}{3}|<1
所以收敛区间:x∈(−3,3)x \in (-3,3)
收敛半径:R=62=3R=\frac{6}{2}=3
x=3,x=−3x=3,x=-3时,级数敛散性:
x=3x=3时,∑n=0∞nxn3n=∑n=0∞n3n⋅3n=∑n=0∞n\sum_{n=0}^{\infty}\frac{nx^n}{3^n}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{n}{3^n}\cdot 3^n=\sum_{n=0}^{\infty}n发散;
x=−3x=-3时,∑n=0∞nxn3n=∑n=0∞n3n⋅(−3)n=∑n=0∞(−1)n⋅n\sum_{n=0}^{\infty}\frac{nx^n}{3^n}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{n}{3^n}\cdot (-3)^n=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\cdot n发散;
所以收敛域:x∈(−3,3)x \in (-3,3);
解析:公式法
解:因为an=n3n,an+1=n+13n+1a_n=\frac{n}{3^n},a_{n+1}=\frac{n+1}{3^{n+1} }
所以lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣n+13n+1⋅3nn∣=lim⁡n→∞∣n+13n∣=13=ρ\lim_{n \to \infty}|\frac{a_{n+1} }{a_n}|=\lim_{n \to \infty}|\frac{n+1}{3^{n+1} } \cdot \frac{3^n}{n}|=\lim_{n \to \infty}|\frac{n+1}{3n}|=\frac{1}{3}=\rho
所以收敛半径:R=1ρ=3R=\frac{1}{\rho}=3
收敛区间为:(−1ρ,1ρ)→x∈(−3,3)(-\frac{1}{\rho},\frac{1}{\rho})\to x \in (-3,3)
x=3,x=−3x=3,x=-3时,级数敛散性:
x=3x=3时,∑n=0∞nxn3n=∑n=0∞n3n⋅3n=∑n=0∞n\sum_{n=0}^{\infty}\frac{nx^n}{3^n}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{n}{3^n}\cdot 3^n=\sum_{n=0}^{\infty}n发散;
x=−3x=-3时,∑n=0∞nxn3n=∑n=0∞n3n⋅(−3)n=∑n=0∞(−1)n⋅n\sum_{n=0}^{\infty}\frac{nx^n}{3^n}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{n}{3^n}\cdot (-3)^n=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\cdot n发散;
收敛域为:x∈(−3,3)x \in (-3,3);


抽象型幂级数求解收敛区间

题型:求∑n=0∞anxn,∑n=0∞an(x−x0)n\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n,\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-x_0)^n的收敛区间;
阿贝尔定理:
(1). ∑n=0∞anxn\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n收敛区间对称中心为x=0x=0
∑n=0∞an(x−x0)n\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-x_0)^n收敛区间对称中心为x=x0x=x_0
(2). 级数在收敛区间内部绝对收敛,外部发散,条件收敛只发生在收敛区间的端点;
(3). ∑n=0∞anxn\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n与∑n=0∞an(x−x0)n\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-x_0)^n收敛半径相同,且收敛区间左右端点敛散性一样;
例题1:设幂级数∑n=1∞an(x−1)n\sum_{n=1}^{\infty}a_n(x-1)^n收敛区间的中心点为x=1x=1,且在x=−1x=-1处收敛,则此级数在x=2x=2处:(绝对收敛)

(-1,1)收敛,对称性则(1,3)(1,3)收敛,x=2x=2绝对收敛;
例题2:设幂级数∑n=1∞an(x−1)n\sum_{n=1}^{\infty}a_n(x-1)^n在x=0x=0处收敛,在x=2x=2处发散,则∑n=1∞anxn\sum_{n=1}^{\infty}a_nx^n的收敛域为:()
解:当x=1x=1为中心点

此时收敛域为[0,2)[0,2)
则∑n=1∞anxn\sum_{n=1}^{\infty}a_nx^n对称中心为x=0x=0
由阿贝尔定理,有两幂级数半径应为相同敛散性应相同,则得图

所以收敛域为[−1,1)[-1,1);


幂级数的展开式

  1. 麦克劳林展开式
    常用:
    (1). ex=∑n=0∞xnn!,x∈Re^x=\sum_{n=0}^{\infty }\frac{x^n}{n!},x\in R
    (2). 11−x=∑n=0∞xn,x∈(−1,1)\frac{1}{1-x}=\sum_{n=0}^{\infty }x^n,x\in (-1,1)
    (3). ln(1+x)=∑n=1∞(−1)n−1nxn,x∈(−1,1]ln(1+x)=\sum_{n=1}^{\infty }\frac{(-1)^{n-1} }{n} x^n,x\in (-1,1]
    (4). 11+x=∑n=0∞(−1)nxn,x∈(−1,1)\frac{1}{1+x}=\sum_{n=0}^{\infty }(-1)^n x^n,x\in (-1,1)
    不常用:
    (1). sin⁡x=x−333!+x55!−…+(−1)nx2n+1(2n+1)!+o(x2n+1)\sin x=x-\frac{3^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-…+\frac{(-1)^nx^{2n+1}}{(2n+1)!}+o(x^{2n+1})
    (2). cos⁡x=1−x22!+x44!−…+(−1)nx2n(2n)!+o(x2n)\cos x=1-\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}-…+\frac{(-1)^nx^{2n}}{(2n)!}+o(x^{2n})
  2. 幂级数的和函数
    (1). 使用麦克劳林展开式;带上定义域
    (2). 等比级数求和 ∑n=0∞a1−a\sum_{n=0}^{\infty }\frac{a}{1-a} (3). 和函数方法
    a. 先积后导
    适用于∑n=0∞an⋅xn,an\sum_{n=0}^{\infty }a_n \cdot x^n,a_n为分式时;
    步骤:收敛域(即和函数定义域);求导;积分
    积分限(0,x);若出现(x−x0)n⇒∫x0xS′(t)dt(x-x_0)^n \Rightarrow \int_{x_0}^{x}S'(t) dt
    小结:分母=指数—>求导;
    分母<指数—>提x;
    分母>指数—>配x;
    b. 先积后导
    适用于∑n=0∞an⋅xn,an\sum_{n=0}^{\infty }a_n \cdot x^n,a_n为整式时;
    步骤:收敛域(即和函数定义域);积分;求导
  • 标题: 高等数学-无穷级数和微分方程
  • 作者: SunnyDusk
  • 创建于 : 2023-11-24 16:26:00
  • 更新于 : 2025-04-21 15:55:27
  • 链接: https://www.030706.xyz,https//www.sunnydusk.cn/2023/11/24/math-6/
  • 版权声明: 本文章采用 CC BY-NC-SA 4.0 进行许可。
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