此條目介紹的是一个序列的总和。关于用序列表述的一串数字,请见「
数列」。
无穷级数
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无穷级数
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级数(英語:Series)代表某序列之和,例如序列的級數可以表示成,如果被取和的序列是有穷序列,相對應的級數被称为有穷级数;反之,称为无穷级数。常见的级数包括等差数列和等比数列的级数。
級數本身也是一種序列(代表加到第項)。就跟普通序列一樣,级数的通项可以是实数、矩阵或向量等常量,也可以是关于其他变量的函数,不一定是一个数,但某序列要能定義相應級數,前提是必須要有加法(如實數加法、向量加法與矩陣加法等等)。
如果某级数來自於對常數序列取和,则称之为常数(项)级数,如果來自於函数序列,则称之为函数(项)级数。
无穷级数不像有穷级数可以加到最後一項,所以作為替代,通常會嘗試將項數趨近於无穷大來取「最終的和」,具體來說,也就是對級數取极限。如果這個極限存在,會仿造数列极限,將這個无穷级数稱為收斂的(convergent);反之稱為發散的(divergent)。(而且要能定義極限還需要距離來比較遠近)
正式定義
也就是說,只要 上有定義一種有交換律的「運算」,那定義在 的序列都可以「取和」,而它的「部分和」可以構成某個唯一的序列。也就是說,一般會將 視為加法「」 ,而將更加直觀的記為:
然後把直觀地稱為部分和。
通常會做以下的符號定義:
而將 記為 甚至是更直觀的
有窮級數
以上定義的級數,在直觀上被理解成「無窮級數」(infinite series);但所謂的「有窮序列」,也只是從某個正整數 開始,只要正整數 就有 (的單位元,可直觀理解成一般加法的「零」)。所以「有窮序列」取部分和而得到的「有窮級數」(finite series),事實上包含在上述定義中;換句話說,有窮級數是對從某項 開始為零的特殊序列取部分和得到的,所以不管怎麼加,部分和最大都只能到 。
无穷级数的敛散性
对于级数,如果当趋于正无穷大时,趋向一个有限的极限:,那么这个无穷级数就叫做是收敛的,叫做级数的和。如果极限不存在,这个无穷级数就是发散的。收敛的无穷级数存在唯一的一个和。这时可以定义级数的余项和:。
任意项级数
如果级数中的各项可以是正数,负数或零,则级数称为任意项级数。
将任意项级数各项取绝对值,得到正项级数。
条件收敛
- 如果任意项级数收敛,而级数发散,则称级数条件收敛。
绝对收敛
- 如果级数收敛,则称级数绝对收敛
定理:如果任意项级数的各项的绝对值所组成的正项级数收敛,则级数收敛。
收敛级数的性质
- 若一个无穷级数收敛,其和为,则如果每一项乘以一个常数,得到的级数也收敛,且和等于as。
- 收敛的无穷级数可以逐项相加或相减,如有两个无穷级数:
- 和 ,则
- .
- 级数前面加上有限项或减去有限项不影响其敛散性,如:
- 和
这两个级数的敛散性是一样的。
- 当趋向无限大时,任何一个收敛级数的通项都趋于0:
- 在一个完备空间中,也可以运用柯西收敛的准则来判断级数是否收敛:一个无穷级数收敛的充要条件是,对任意 ,总存在,使得任意的,。
无穷级数的研究历史
将一个函数展开成无穷级数的概念最早来自14世纪印度的马德哈瓦。他首先发展了幂级数的概念,对泰勒级数、麦克劳林级数、无穷级数的有理逼近以及无穷连分数做了研究。他发现了正弦、余弦、正切函数等的泰勒展开,还用幂级数计算了 π 的值。他的学生继承和发展了他关于级数的工作。
17世纪,詹姆斯·格里高利也开始研究无穷级数,并发表了若干函数的麦克劳林展开式。1715年,布鲁克·泰勒提出了构造一般解析函数的泰勒级数的方法。18世纪时欧拉又发展了超几何级数和q-级数的理论。
对审敛法的研究
14世纪时,马德哈瓦已经开始讨论判别无穷级数敛散性的方法。他提出了一些审敛的准则,后来他的学生将其推广。
然而在欧洲,审查无穷级数是否收敛的研究一般被认为是从19世纪由高斯开始的。他于1812年发表了关于欧拉的超几何级数
的论文,提出了一些简单的收敛准则,并对余项和以及收敛半径进行了讨论。
柯西提出了严格的审敛法的重要性,他证明了两个收敛级数的乘积不一定是收敛的,同时开始研究严格的审敛准则。欧拉和高斯各自给出了各种审敛法则。柯西更研究了复函数的幂级数展开。
1826年,阿贝尔在他的关于二项式级数
的论文中更正了柯西的若干个结论,并给出了二项式级数的严格的求和方法,指出了连续性在收敛问题中的重要性。
柯西提出的审敛法并不是普遍适用的,只能用于判别某些特定函数的敛散性。同时代的其他数学家,比如拉贝(Joseph Ludwig Raabe)的对数判别法,德·摩根的对数判别法(被 DuBois-Reymond和普林斯海姆证明对某些函数失效)
,以及贝特朗、斯托克斯、切比雪夫等人的审敛法也是如此。
对普遍的审敛法则的研究由恩斯特·库默尔开始,之后的艾森斯坦、维尔斯特拉斯、尤里斯·迪尼等都曾致力于这一领域。普林斯海姆于1889年发表的论文阐述了完整的普适审敛理论。
对一致连续性的研究
1821年,柯西首先开始对一致连续性的研究,但其中有不少错误和局限。这些错误最早被阿贝尔指出,但首先得出正确结论的是西德尔和斯托克斯。1853年,柯西在注意到阿贝尔的批评后重新开展研究,并得到了与斯托克斯一样的结论。然而,一致连续性的重要性在很长一段时间裡没有受到重视。
类别
- 更多級數請參見級數列表。
几何级数
几何级数(或等比级数)是指通项为等比数列的级数,比如:
一般来说,几何级数收敛当且仅当。
调和级数
调和级数是指通项为的级数:
它是发散的。
-级数
-级数是指通项为的级数:
对于实数值的,当时收敛,当时发散。这可以由积分比较审敛法得出。
函数是黎曼ζ函數在实轴大于1的部分的限制,关于黎曼函數有著名的黎曼猜想。
特別地,當時,-級數即為調和級數。
裂项级数
收敛当且仅当数列收敛到某个极限,并且这时级数的和是。
泰勒级数
泰勒级数是关于一个光滑函数在一点附近取值的级数。泰勒函数由函数在点的各阶导数值构成,具体形式为:
这是一个幂级数。如果它在附近收敛,那么就称函数在点上是解析的。
交错级数
具有以下形式的级数
其中所有的非负,被称作交错级数。交错级数的收敛通常要借助莱布尼茨判别法。
幂级数
形同的函数项无穷级数称为的幂级数。它的收敛与否和系数有关。
傅里叶级数
任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示,称为傅里叶级数。傅里叶级数是函数项无穷级数,也就是说每项都是一个函数。傅里叶级数在数论、组合数学、信号处理、概率论、统计学、密码学、声学、光学等领域都有着广泛的应用。
例如,周期为的周期函数可以表示为:
其中,,,特别的,
常数项无穷级数审敛法
正项级数
若通项为实数的无穷级数每一项都大于等于零,则称是一正项级数。
如果无穷级数 是正项级数,则部分和是一个单调递增数列。由数列极限的判别准则:单调有界数列必有极限。因此,倘若部分和数列Sn有界,收敛,且 ;反之,若部分和数列趋于正无穷,级数发散。
比较判别法
设 和 是正项级数。
- 如果存在正实数,使得从若干项开始,(也就是说),则
- 当 收敛时,可推出 也收敛。
- 当 发散时,可推出 也发散。
- 如果,则
- 当 收敛时,可推出 也收敛。
- 当 发散时,可推出 也发散。
- 如果或其它有限数,则 和 同时收敛或发散。
比如,我们已知级数:收敛,则级数:也收敛,因为对任意的,。
比较判别法的特点是要已知若干级数的敛散性。一般来说,我们可以选择比较简单的级数:作为“标准级数”,依此判断其他函数的敛散性。需要知道的是当时,发散,当时,收敛。
达朗贝尔判别法
在比较判别法中,如果取几何级数为比较的标准级数,可得:
- 设是通项大于零的正项级数。并且,则
- 当 时,级数收敛。
- 当 时,级数发散。
- 当 时,级数可能收敛也可能发散。
这个判别法也称为比值判别法或比值审敛法。
柯西收敛准则
- 设 是正项级数。并且,则
- 当时,级数 收敛。
- 当时,级数 发散。
- 当时,级数 可能收敛也可能发散。
这个判别法也称为根值判别法或根值审敛法'。
交错级数
具有以下形式的级数
其中所有的非负,被称作交错级数。
莱布尼茨判别法
在上述的级数中,如果当趋于无穷时, 数列的极限存在且等于 0,并且每个小于(即, 数列是单调递减的),那么级数收敛。
任意项级数
对于通项为任意实数的无穷级数,将级数称为它的绝对值级数。可以证明,如果收敛,那么 也收敛,这时称 绝对收敛。如果收敛,但是发散,则称条件收敛。比如说,级数绝对收敛,因为前面已经证明 收敛。而级数是条件收敛的。它自身收敛到,但是它的绝对值级数是发散的。
黎曼级数定理说明,如果一个无穷级数条件收敛,那么对于任意的实数,存在一个正整数到正整数的双射,使得级数收敛到 。对于正负无穷大,上述双射也存在。
函数项级数
设为定义在区间上的函数列,则表达式:称为函数项级数,简记为。对函数项级数的主要研究是:
- 确定对哪些,收敛。
- 收敛的话,其和是什么,有什么性质?
收敛域
对区间上的每个 ,级数 是常数项级数。若
收敛,则称是的一个收敛点,全体收敛点的集合称为它的收敛域。若
发散,则称是的一个发散点,全体发散点的集合称为它的发散域。在其收敛域的每一点上都有定义,因此定义了一个函数,称为的和函数,记为。按照定义,,其中为函数项级数在点上的部分和。
一致收敛
函数项级数的取值可以在它的收敛域上用和函数定义,但和函数的性质可能会和级数的每一项不同。比如说,当函数项级数中的每一项在收敛域上都是连续函数时,和函数未必会是连续函数。以下是一个例子:
- 设,也就是说,等等,它们显然都是连续函数(甚至是光滑函数)。这时函数项级数在 点上的部分和。在区间的每一点上,部分和都有极限:
- 当时,
- 当时,
- 于是在区间上,级数 收敛,其和函数为:
- 当时,;。
- 这不是一个连续函数。
然而,如果函数项级数能够满足某些更严格的条件的话,可以证明级数的和函数的规则性将会等于每一项函数的规则性,这就是所谓的一致收敛性质。和函数列的一致收敛性质一样,函数项级数在某个区间内(关于某个范数)一致收敛的定义是它的部分和函数 在区间上一致收敛到和函数,
- 或者写成
可以证明:
如果级数 在区间 内一致收敛,并且每个 都是连续函数,那么和函数 在区间 上也是连续函数。
进一步的,如果导函数级数的每一项都是函数(阶连续可微函数),并且各阶导函数级数在区间内都一致收敛,那么级数和函数 也是函数,并且:
- ,。
绝对收敛
函数项级数也有绝对收敛的概念。对于某个给定的区间和范数,函数项级数在区间内绝对收敛,当且仅当常数级数收敛。
绝对收敛的(连续?)函数在每一点都收敛,并且在区间内一致收敛。[來源請求]
幂级数
形同的函数项无穷级数称为的幂级数。一般只需讨论形同的幂级数。
幂函数的收敛域
根据阿贝尔定理,它的收敛域是一个关于零对称的区间,即为(可开可闭)的形式。这个正数(可以是无穷大)叫做幂级数的收敛半径。并有定理:
设幂级数满足,则:
- 是正实数时,。
- 时,。
- 时,。
幂级数的和函数
求解幂级数的和函数有时需要利用先对各项积分(或求导)以得到一个方便利用已有公式进行求和的形式,在求和后在对各项求导(或积分)。
渐进级数
渐进级数是用来对某些函数的间断点附近的情况进行逼近的级数。渐进级数一般是发散的,它的部分和趋于无穷大,因此可以很好地逼近一个趋于无穷大的函数。但要注意的是,渐进级数提供的逼近是相对的,即只是比值趋于一致,与函数值之间的误差并不像收敛的级数一样趋于无穷小。一般来说,渐进级数在若干项后便达到最小的绝对误差,之后的绝对误差一般会增大甚至趋于无穷。
发散级数的和
发散级数的部分和没有极限,但是在应用中可以使用比较弱的级数和定义,比如切萨罗求和、阿贝尔求和以及欧拉求和。
推广
级数的概念可以在任何的对称拓扑群中定义,常用的是在一个巴拿赫空间(比如实数或复数空间)中。
参见
注释
参考文献
参考书目