级数 | 绝对收敛与条件收敛
在研究级数的收敛性时,存在两种重要的概念:绝对收敛和条件收敛。了解这两者的区别对于深入理解级数的收敛性质非常重要,特别是在考研阶段,这也是一个常考的知识点。
1. 定义与基本概念
绝对收敛:如果数项级数 \sum_{n=1}^{\infty} a_n 的各项绝对值构成的级数 \sum_{n=1}^{\infty} |a_n| 收敛,那么原级数称为绝对收敛。
条件收敛:如果级数 \sum_{n=1}^{\infty} a_n 收敛,但其各项绝对值构成的级数 \sum_{n=1}^{\infty} |a_n| 发散,那么原级数称为条件收敛。
2. 条件收敛是否是不完全的收敛?
可以理解为条件收敛是一种“较弱”的收敛,因为它只满足级数本身的收敛性,但不满足绝对值级数的收敛性。从某种意义上说,条件收敛可以被视为一种“不完全”的收敛,因为它缺乏绝对收敛所具有的某些良好性质,例如对项的重排不影响级数的和等。
3. 主要区别
- 收敛性强弱:绝对收敛的级数一定收敛(根据绝对收敛必收敛定理),但条件收敛的级数虽然收敛,其绝对值级数却发散。
- 重排定理:对于绝对收敛的级数,无论如何重排其项,级数的和不变。但对于条件收敛的级数,经过适当的重排,可以使级数的和等于任何给定的实数,甚至发散(雷曼重排定理)。
4. 数学原理
- 绝对收敛必收敛定理:如果级数 \sum_{n=1}^{\infty} |a_n| 收敛,那么 \sum_{n=1}^{\infty} a_n 也收敛。
- 雷曼重排定理:对于条件收敛的级数,通过适当的重排,可以使其和等于任何实数,或者使其发散。
这些定理表明,绝对收敛级数具有更好的收敛性质,其收敛性不受级数项的排列影响,而条件收敛级数的收敛性则相对脆弱。
5. 举例
例1:调和级数的交错形式
考虑交错调和级数:
\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n+1}}{n} = 1 - \frac{1}{2} + \frac{1}{3} - \frac{1}{4} + \cdots
该级数收敛(根据莱布尼茨判别法),但其绝对值级数是发散的调和级数:
\sum_{n=1}^{\infty} \left| \frac{(-1)^{n+1}}{n} \right| = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}
因此,交错调和级数是条件收敛的。
例2:p-级数
对于 p>1,级数 \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p} 绝对收敛,因为:
\sum_{n=1}^{\infty} \left| \frac{1}{n^p} \right| = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}
收敛(p-级数收敛条件)。
但对于 p=1,调和级数发散,而其交错形式条件收敛,如例1所示。
例3:\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n+1}}{\sqrt{n}}
该级数收敛(满足莱布尼茨判别法的条件),但其绝对值级数
\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{n}}
是发散的(因为 p=\frac{1}{2} \leq 1),因此原级数是条件收敛的。
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