级数计算器

判断级数敛散性、求和并展开泰勒/麦克劳林级数

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Math Input
sum of 1/n^2 from n=1 to infinity
判断 sum of (-1)^n / n 是否收敛
sin(x) 在 x=0 的泰勒级数
sum of (2/3)^n from n=0 to infinity

什么是级数?

级数是数列各项之和。无穷级数的形式为:

n=1an=a1+a2+a3+\sum_{n=1}^{\infty} a_n = a_1 + a_2 + a_3 + \cdots

部分和SN=n=1NanS_N = \sum_{n=1}^{N} a_n。若部分和序列收敛于有限极限 SS,则称级数收敛,且 n=1an=S\sum_{n=1}^{\infty} a_n = S。否则级数发散

等比级数n=0arn\sum_{n=0}^{\infty} ar^nr<1|r| < 1 时收敛于 a1r\frac{a}{1-r}

p-级数n=11np\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}p>1p > 1 时收敛,p1p \leq 1 时发散。

幂级数:形如 n=0cn(xa)n\sum_{n=0}^{\infty} c_n (x - a)^n 的级数,在其收敛半径内表示一个函数。

泰勒级数f(x)f(x)x=ax = a 处的幂级数展开:

f(x)=n=0f(n)(a)n!(xa)nf(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n

a=0a = 0 时称为麦克劳林级数

如何判断级数敛散性

发散判别法(第 n 项判别法)

limnan0\lim_{n \to \infty} a_n \neq 0,则级数发散。注意:若极限为 0,该判别法无法判断。

比值判别法

计算 L=limnan+1anL = \lim_{n \to \infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|

  • L<1L < 1:绝对收敛
  • L>1L > 1:发散
  • L=1L = 1:无法判断

根值判别法

计算 L=limnannL = \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{|a_n|},判断规则同比值判别法。

积分判别法

f(n)=anf(n) = a_n,且 ffx1x \geq 1 上正值、连续、递减:
n=1an 收敛    1f(x)dx 收敛\sum_{n=1}^{\infty} a_n \text{ 收敛} \iff \int_1^{\infty} f(x)\,dx \text{ 收敛}

比较判别法

若对所有 nn0anbn0 \leq a_n \leq b_n

  • bn\sum b_n 收敛,则 an\sum a_n 收敛
  • an\sum a_n 发散,则 bn\sum b_n 发散

交错级数判别法(莱布尼茨判别法)

交错级数 (1)nbn\sum (-1)^n b_n 收敛,若:

  1. bn>0b_n > 0
  2. bnb_n 单调递减
  3. limnbn=0\lim_{n \to \infty} b_n = 0

常见泰勒/麦克劳林级数

函数麦克劳林级数收敛半径
exe^xn=0xnn!\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!}\infty
sinx\sin xn=0(1)nx2n+1(2n+1)!\sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}\infty
cosx\cos xn=0(1)nx2n(2n)!\sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n x^{2n}}{(2n)!}\infty
11x\frac{1}{1-x}n=0xn\sum_{n=0}^{\infty} x^n11
ln(1+x)\ln(1+x)n=1(1)n+1xnn\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n+1} x^n}{n}11

判别法选择指南

判别法适用场景识别标志
发散判别法快速排除通项明显不趋于 0
比值判别法含阶乘或指数通项含 n!n!rnr^n
根值判别法n 次幂an=[f(n)]na_n = [f(n)]^n
积分判别法简单递减函数an=f(n)a_n = f(n) 易于积分
比较判别法类似已知级数类似 p-级数或等比级数
交错级数判别法正负交替级数(1)n(-1)^n 因子

常见错误

  • 误用发散判别法:若 liman=0\lim a_n = 0,这不能证明收敛。调和级数 1/n\sum 1/n 发散,尽管 1/n01/n \to 0
  • 比值判别法 L=1 时下结论:当比值极限为 1 时,判别法无效,必须使用其他方法。
  • 混淆绝对收敛和条件收敛:级数可以条件收敛(如交错调和级数)但不绝对收敛。
  • 收敛半径不检查端点:求收敛区间时,端点处的收敛性必须单独检验。
  • 泰勒级数余项:有限项的泰勒多项式只是近似值,存在余项,需要估计其误差界。

示例题目

Step 1: 比值判别法:an+1an=(n+1)/2n+1n/2n=n+12n\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{(n+1)/2^{n+1}}{n/2^n} = \frac{n+1}{2n}
Step 2: L=limnn+12n=12<1L = \lim_{n \to \infty} \frac{n+1}{2n} = \frac{1}{2} < 1,故级数收敛
Step 3: 求和:利用公式 n=1nxn=x(1x)2\sum_{n=1}^{\infty} nx^n = \frac{x}{(1-x)^2},代入 x=12x = \frac{1}{2}1/2(1/2)2=2\frac{1/2}{(1/2)^2} = 2
Answer: 22

Step 1: 从等比级数出发:11t=n=0tn\frac{1}{1-t} = \sum_{n=0}^{\infty} t^nt<1|t| < 1
Step 2:t=x2t = -x^211+x2=11(x2)=n=0(x2)n\frac{1}{1+x^2} = \frac{1}{1-(-x^2)} = \sum_{n=0}^{\infty} (-x^2)^n
Step 3: 化简:n=0(1)nx2n=1x2+x4x6+\sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n x^{2n} = 1 - x^2 + x^4 - x^6 + \cdotsx<1|x| < 1
Answer: n=0(1)nx2n\sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n x^{2n},收敛域 x<1|x| < 1

Step 1: 这是交错级数,bn=1nb_n = \frac{1}{\sqrt{n}}
Step 2: 验证:bn>0b_n > 0 ✓,bnb_n 单调递减 ✓,limnbn=0\lim_{n \to \infty} b_n = 0
Step 3: 由交错级数判别法知级数收敛(条件收敛,因为 1n\sum \frac{1}{\sqrt{n}} 作为 p=1/2<1p = 1/2 < 1 的 p-级数发散)
Answer: 级数条件收敛

常见问题

如果级数的部分和随着项数增加而趋近于一个有限数,则级数收敛。如果部分和无限增大或没有确定的极限值,则级数发散。

泰勒级数用多项式来近似复杂函数,使其更容易计算、求导或积分。在物理学、工程学和数值分析中,泰勒级数是在特定点附近近似函数的基本工具。

收敛半径R是幂级数从中心点出发收敛的距离范围。当|x-a|<R时级数绝对收敛,|x-a|>R时发散,|x-a|=R时需要单独检验端点。

不收敛。调和级数即从n=1到无穷大的1/n之和是发散的。尽管通项趋于零,但递减速度不够快,和无法保持有限。这是证明通项趋于零不足以保证收敛的经典例子。

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