§11.2 常数项级数的审敛法

🏔️ 直觉地图:§11.1 告诉我们什么是级数、收敛是什么——但光知道定义不够,就像只知道”跑完100米就是冠军”不会让你跑得更快。§11.2 就是要教会你怎么判断一个级数是否收敛。正项级数最简单——只要部分和不跑到无穷大就行;交错级数靠”摆幅越来越小”收敛;任意项级数则有”绝对值收敛⇒原级数收敛”这条高速公路。整个审敛法体系,本质上是在不同的条件下比较”谁更接近收敛/发散家族”


§11.2.1 正项级数的审敛法

定义

),则称 正项级数


方法一:基本定理(方法三)⭐

定理1:正项级数收敛的充要条件是其部分和数列 有界

分析:正项级数的部分和数列 是一单调递增数列(每加一项非负, 只增不减)。单调递增数列有极限 ⇔ 有上界。因此:

🎯 口诀:正项级数想收敛,部分和得有上限!


方法二:比较审敛法

2.1 特殊形式(定理2)

为正项级数,且 ),则:

情形结论
强级数 收敛⇒ 弱级数 也收敛
弱级数 发散⇒ 强级数 也发散

🎯 口诀:大的收敛 ⇒ 小的收敛;小的发散 ⇒ 大的发散。

2.2 一般形式(定理3)

为正项级数,若存在常数 ,当 ,则结论同上。

💡 因为有限项不影响敛散性,做题时第一步就可以假设对一切

2.3 极限形式(定理4,最常用!)⭐

为正项级数,记 ,则:

的值结论
同敛散
收敛 收敛
发散 发散

🎯 口诀:比值极限有限非零→同命;比值零跟收敛走;比值无穷跟发散走。

2.4 等价形式(定理5)

),即等价无穷小,则 同敛散

⚠️ 注意:等价的正项级数同敛散,但等价的正负项级数不一定同敛散

📊 标准参照级数表(比较审敛法的”标尺”)

级数标准形式收敛条件发散条件备注
几何级数最重要参照
-级数 是调和级数
-对数级数;或 其余情况考研重点
✅ 收敛裂项求和
✅ 收敛比阶乘快

💡 选题策略:先看 无穷小阶数——

  • ,用 -级数比较: 收敛, 发散
  • ,用几何级数比较: 收敛, 发散

方法三:比值审敛法(达朗贝尔 d’Alembert)⭐

,则:

的值结论
级数绝对收敛
级数发散(且
⚠️ 失效(需换别的方法)

🎯 口诀:比值小于1绝对收,大于1发散走,等于1换招数。

证明思路 情形):,使 充分大时 ,从而 ,与收敛的几何级数比较。

💡 适用范围:一般项含 、指数幂 时优先使用比值法。

注意

  1. 对一切 -级数 ,总有 ,所以比值法对 -级数完全失效
  2. 得到的是绝对收敛(强于收敛),对任意项级数也适用。

方法四:根值审敛法(柯西 Cauchy)⭐

,则:

的值结论
级数绝对收敛
级数发散
⚠️ 失效(需换别的方法)

🎯 口诀:开n次方极限小于1绝对收,大于1发散走,等于1换招数。

两种方法的比较

比值法根值法
适用范围 优先 优先
判定能力比值法能判的 ⇒ 根值法也能判反之不一定
p-级数失效 ()失效 ()

💡 原因:若 存在,则 也成立(由斯笃兹定理可证)。但根值法对某些级数(如 )可用而比值法不行。


方法五:积分审敛法(方法五)🧠

定理:设 非负、单调递减、连续,则级数 与广义积分 同敛散

几何意义,“左和”和”右和”从两边夹住积分。

🎯 口诀:级数积分一家亲,单调递减同敛散。

经典应用

级数积分结论
收敛, 发散
收敛, 发散

🧠 考研竞赛必备: 的敛散性——

  • :收敛
  • 收敛, 发散
  • :发散

§11.2.2 交错级数的审敛法

定义

形如

的级数,称为交错级数

例:交错调和级数 是条件收敛的典型代表。


莱布尼茨审敛法 ⭐

若交错级数 满足两个条件

  1. (即 单调递减)

则级数收敛,且其和 ,余项

🎯 口诀单调递减趋于零,莱布尼茨就判定。

几何直觉(“走路模型”):一人站在原点,第一项正表示向右走 ,第二项负表示向左走 ……因为越来越小的摆动(),左右振幅越来越小,最终稳定在某个位置。

证明要点

  • 偶数项部分和 — 单调递增
  • — 有上界
  • 存在,结合 同极限

⚠️ 警告:仅满足 不满足单调递减的交错级数不一定收敛

反例 的绝对值项不单调递减,虽通项→0,但级数发散。


§11.2.3 任意项级数的审敛法

绝对收敛与条件收敛

对于 可正可负),定义其绝对值级数

定义条件
绝对收敛 收敛
条件收敛 发散,但 收敛

🎯 交错调和级数 条件收敛的经典例子。


核心定理:绝对收敛 ⇒ 收敛(定理7)⭐

证明(两种方法):

法一。由比较审敛法, 收敛。而 ,两级数之差也收敛。

法二(考研):令 (正部),(负部),则: ,故 收敛;同理 收敛。从而 收敛。

🎯 实战策略:面对任意项级数,先试绝对值级数——若绝对值级数收敛(用正项级数审敛法判定),则原级数绝对收敛,直接定论!


绝对收敛与条件收敛的基本性质

性质内容
绝对收敛 + 绝对收敛
绝对收敛 + 条件收敛
条件收敛 + 条件收敛
重排定理(黎曼)绝对收敛 任意交换次序,和不变;条件收敛 可经重排收敛于任意预给数值
柯西乘积两个绝对收敛级数的柯西乘积仍绝对收敛,其和为两和的乘积

🧠 深刻事实:实数级数的”加法交换律”对无穷项不再无条件成立。仅当级数绝对收敛时,交换律才保持。条件收敛时,连加法的交换律都失效——级数理论和有限算术的本质区别。


✍️ 手把手例题

例1:比较审敛法(极限形式)

判别 的敛散性。

步骤操作
① 分析通项),正项级数
② 等价无穷小 时,
③ 选择参照 是调和级数,发散
④ 极限形式
⑤ 结论由比较审敛法极限形式, 发散

例2:比值审敛法

判别 的敛散性。

步骤操作
① 选方法通项含 → 用比值法
② 求比值
③ 取极限
④ 判定 → 级数收敛

💡 用比值法判定后其实得到的是绝对收敛,因为我们去绝对值比的。


例3:莱布尼茨审敛法(交错级数)

判别 的敛散性,也判断是绝对收敛还是条件收敛。

步骤操作
① 交错级数可写为 ,其中
② 条件1:单调递减,即
③ 条件2:趋于零
④ 莱布尼茨判定两个条件都满足 ⇒ 级数收敛
⑤ 判断收敛类型绝对值级数 :用比较法, 充分大),调和级数发散 ⇒ 绝对值级数发散
⑥ 最终结论原级数条件收敛

例4:根值审敛法

判别 的敛散性。

步骤操作
① 选方法通项含 形式 → 用根值法
② 开根号
③ 取极限,夹逼→1
④ 判定 → 级数绝对收敛

💡 此题比值法也可用但根值法更直接。而且 的奇偶交替时不一定有极限,根值法更稳健。


例5(综合·考研):绝对值+泰勒展开

讨论 的敛散性。

步骤操作
① 观察通项 大时 很小
② 泰勒展开
③ 分解级数 条件收敛(莱布尼茨)
发散(调和级数
④ 结论原级数 = 收敛 + 发散 → 发散

🧠 泰勒分解法是考研高频技巧:将通项展成若干项之和,分别判断每个子级数的敛散性。



八、自测题

A组 — 判断题

A1(判断)正项级数 $\sum u_n$ 收敛当且仅当 $\sum u_n$ 有界。
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答案:✅(正项时部分和单增)

A2(判断)若 $\sum u_n$ 收敛,则 $\sum 2u_n$ 也收敛。
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答案:✅(线性性质)

A3(判断)若 $\sum u_n$ 和 $\sum v_n$ 均为正项级数且 $u_n \le v_n$,$\sum v_n$ 发散则 $\sum u_n$ 发散。
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答案:❌(大的发散不能推小的发散)

A4(判断)$p$-级数 $\sum 1/n^p$ 当 $p=2$ 时收敛。
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答案:✅

A5(判断)比值审敛法对一切级数都有效。
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答案:❌( 时失效)

A6(判断)若 $\lim \left\
查看答案

*答案:\frac{u_{n+1}}{u_n}\right*

A7(判断)交错级数 $\sum (-1)^{n-1} u_n$ 只要 $\lim u_n = 0$ 就收敛。
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答案:❌(还需单调递减)

A8(判断)绝对收敛的级数一定收敛。
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答案:✅(定理7)

A9(判断)条件收敛的级数,其绝对值级数一定发散。
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答案:✅(定义)

A10(判断)若 $\sum u_n$ 收敛,则 $\sum u_n^2$ 一定收敛。
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答案:❌(反例: 发散)


B组 — 计算题

B1 用比较审敛法判断 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2+1}$ 的敛散性。
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解: 比较审敛法。

-级数,收敛。由比较审敛法,原级数收敛。

答: 收敛。

B2 用比值审敛法判断 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{2^n}{n!}$ 的敛散性。
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解: 比值审敛法。

级数收敛。答: 收敛。

B3 用莱布尼茨审敛法判断 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} \frac{1}{\sqrt{n}}$ 的敛散性,并说明是绝对收敛还是条件收敛。
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解: 交错级数

莱布尼茨条件:① 单调递减 ✓;② ✓。 收敛。

取绝对值 -级数发���。 条件收敛。

答: 条件收敛。

B4 用根值审敛法判断 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \left(\frac{n}{2n+1}\right)^n$ 的敛散性。
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解: 根值审敛法。

级数收敛。答: 收敛。

B5 用积分审敛法证明 $p$-级数 $\sum 1/n^p$ 的敛散性结论。
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解: 积分审敛法。,连续正值递减。

  • ,发散
  • ,发散
  • ,收敛

结论: 收敛, 发散。


C组 — 综合题

C1 ⭐⭐ 讨论级数 $\displaystyle \sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n \ln n}$ 的敛散性。(提示:积分审敛法)
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解: 积分审敛法。

反常积分发散 级数发散。答: 发散。

C2 ⭐⭐⭐ 判断 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{\sqrt{n+1}+(-1)^n}$ 的敛散性。莱布尼茨条件是否满足?(考研题变体)
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解:

观察 ,但 非单调(分母中含 项使大小交替变化)。

变形:

前项条件收敛(莱布尼茨型),后项 发散。 原级数发散。

莱布尼茨条件不满足( 非单调递减)。



⚠️ 常见错误 Top 5

#错误正确说明
1 时,比值法/根值法判定级数”收敛”或”发散” 时比值法和根值法失效,不能下任何结论!必须换别的方法(比较法、积分法、定义法等)-级数 对一切 都有 ,但 收敛、 发散——同一值两种结论都有可能
2大的发散 → 小的发散❌ 比较审敛法中,“强级数发散”不能推出”弱级数发散”。正方向是:大收敛→小收敛,小发散→大发散例: 发散,但 收敛( 对大不推小散!)
3 的任意项级数一定收敛❌ 必要条件而非充分条件! 不能保证级数收敛调和级数 通项→0 但发散。对于交错级数,还需”单调递减”。
4等价级数一定同敛散❌ 仅对正项级数成立!对于正负项交错的级数,等价不一定同敛散例:,前者条件收敛,后者发散(已含调和尾巴)
5对任意项级数直接用正项审敛法❌ 比值法 和根值法 对任意项级数适用(取绝对值),但比较审敛法(直接形式)只能用于正项级数。任意项级数先取绝对值,再用正项审敛法判断是否绝对收敛绝对收敛 ⇒ 收敛这条捷径最常用: → 取绝对值 → 用正项级数方法判定 → 若收则原级数绝对收敛

📝 总结:§11.2 的审敛法体系可以归纳为一张决策树:

级数 ∑u_n
  ├─ u_n ≥ 0(正项级数)
  │   ├─ 先看通项阶数 → 比较审敛法(极限形式)
  │   ├─ 含 n! / a^n → 比值法
  │   ├─ 含 [·]^n / n^n → 根值法
  │   └─ 可积通项 → 积分审敛法
  │
  ├─ u_n 正负交替 → 莱布尼茨审敛法
  │   └─ 单调递减 + 趋于零
  │
  └─ 任意项 → 先看 ∑|u_n|
      ├─ 收敛 → 绝对收敛 ✅
      └─ 发散 → 需单独判断 ∑u_n(可能是条件收敛)

🎯 核心心法:审敛不是死记公式,而是比较的艺术——找到合适的参照系(-级数、几何级数),用极限、比值或根值去比,比出结果。