无穷乘积.docx
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1、无穷乘积摘要 本文通过类比无穷级数,对无穷乘积的性质进行了研究和分析,给出类似于无穷级数的性质.通过类比无穷级数的审敛法,给出无穷乘积的审敛法,如比较判别法及其极限形式等.用棣莫弗公式与复变函数等知识将三角函数与双曲三角函数展开成无穷乘积的形式.但是无穷乘积又有其自身的特点.通过列举出常见的无穷乘积,从它的角度来解决部分极限与级数问题,即无穷乘积的应用.最后利用无穷乘积来探讨在考研过程中遇到的问题.关键词 无穷乘积 审敛法 性质 应用InfiniteProductAbstract In this paper, the properties of infinite product are stu
2、died and analyzed by analogy with infinite series, and the properties similar to infinite series are given. By comparing the convergence method of infinite series, in this paper, we give the convergence test of infinite product, such as the comparative test and its limit form, etc. Triangular functi
3、on and hyperbolic trigonometric function are expanded into the form of infinite products by using the knowledge of De Moivre formula and complex variable function. However, infinite product has its own characteristics. By listing common infinite products, we can solve partial limit and series proble
4、ms from the angle of infinite prducts, the application of infinite product, is solved from its angle. Finally, the problems encountered in the graduated entrance examination process are discussed by using infinite product.Key words infinite product criteria property application目 录引言11 无穷乘积收敛的定义与性质41
5、.1 无穷乘积的基本概念41.2 无穷乘积的性质52 无穷乘积的审敛法122.1 无穷乘积收敛性的一般判别法122.2 无穷乘积与无穷级数的关系143常用函数无穷乘积的展开183.1 正弦、余弦函数的无穷乘积的展开183.2 双曲函数的无穷乘积的展开204无穷乘积的应用234.1 沃利斯公式234.2 无穷乘积在考研的应用24结语26参考文献27致谢28引 言研究背景级数理论是数学分析的重要组成部分.无穷序列连加,我们称之为无穷级数.若无穷序列连乘,则可称之为无穷乘积.据我所知,部分数学分析教材涉及无穷乘积的概念较少.目前国内外对于无穷乘积的研究有:一些文献较系统的研究了无穷乘积.菲赫金哥尔茨
6、1著微积分学教程中关于无穷乘积的性质与正弦等函数的乘积展开,以及一些无穷乘积的应用,此书对于无穷乘积的相关理论是比较全面的,通过类比无穷级数的概念得到无穷乘积的概念;国内有南开大学教授李成章,黄玉民2与中国科技大学的教授常庚哲、史济怀3所著的数学分析教材,他们都是在无穷级数之后给出的无穷乘积,无穷乘积内容方面没有无穷级数理论那样相对较全面与系统.有些文献讨论无穷乘积的收敛性及其收敛的判别法.高永东与李相朋4(2000)的无穷乘积的性质及其敛散性判别法,仿照级数的相关概念和结论,给出了无穷乘积的一些性质,该篇文章还是系统的给出无穷乘积的审敛法;陈琰5(2016)的无穷级数与无穷乘积,通过构造新的
7、级数以研究原来级数通项的极限性质,从而得到其敛散性,该方法在精细判别和无穷乘积研究有重要有用;辛玉东、田雪玲6(2008)常数项无穷乘积的性质及判定法,无穷乘积是研究数串级数的一种方法,在无穷乘积里极限的近似值是由反复乘新的因子形成的.这篇文章主要讨论无穷乘积的性质及收敛的判定法,但这篇文章,主要是讲无穷级数与无穷乘积之间的区别与联系,并没有完全过渡到无穷乘积;高永东7(2000)任意项无穷乘积的敛散性,这篇文章主要依据无穷乘积与级数的关系以及有关级数理论,对任意项无穷乘积的敛散性包括绝对收敛、条件收敛进行讨论,并给出了几种敛散性判别法,并给出了无穷乘积绝对收敛的概念;唐敏、戴培良8(2010
8、)无穷乘积的敛散性等.这些文章均是由无穷级数类比过来性质.也都有无穷乘积的一些结论.这对我们研究无穷乘积有了一定的参考资料.但是这些文章理论性较强,篇幅较小,缺少些例题,如果展开写,文章就较系统.还有些文献中研究了函数项乘积,如刘俊9(2000)对无穷函数乘积进行了研究,得到了无穷函数乘积的一些性质无穷函数乘积的研究;吴国胜10(2007)的正、余弦函数无穷乘积展开式的两个应用通过对正、余弦函数无穷乘积展开式先取对数,再求导或再积分的方法,可获得两类无穷级数的和以及两类积分的无穷级数表示;沈志军、朱桂平11(2018)的一个双曲函数无穷乘积表达式的应用中在已知无穷乘积知识的基础上,证明了一个关
9、于双曲函数的无穷乘积定理,推广了一些无穷乘积和无穷级数的著名结论;沈志军12(2016)写了一个三角函数无穷乘积表达式的应用方面,在已知无穷乘积知识的基础上,证明了一个关于三角函数的无穷级数定理,并推广了一些无穷乘积和无穷级数的著名结论.有些文献还研究了无穷乘积的收敛速度,如:唐建国13(2004)无穷乘积的阶,给出并证明了无穷乘积的部分积序列为无穷小(大)的一个充分条件,并刻画了在该条件下无穷乘积的部分积序列的无穷小(大)量的阶.很多文献都从各个方面给出了无穷乘积的性质与收敛的判别方法,基本上从对无穷级数的类比到对函数项级数的类比都有了相对较系统的介绍,还有无穷乘积的阶的问题,但是大多数没有
10、分析无穷级数与无穷乘积的联系,而本科阶段的学生接触的较多的还是无穷级数,本文将从无穷乘积的角度分析我们常见的数学问题,如:极限、级数等问题.研究目的目前,国内很多师范院校学生学习的数学分析教材为华东师范大学版本的,接触到的知识比较全面,但也是相对有限的,如本书中却没有涉及无穷乘积这一概念,但是这一概念与无穷级数又极为相似,在学生学习过无穷级数之后再讲解无穷乘积,对学生理解无穷级数是有很大的提升的.因此俄罗斯数学家菲赫金哥尔茨著微积分学教程一书中,讲解了无穷乘积,但该书在上个世纪的本科生教材中普遍使用,但如今有相当一部分本科生是不了解或者都没听过这一概念,我国的南开大学教授李成章,黄玉民与中国科
11、技大学的教授常庚哲、史济怀所著的数学分析教材中,都有所涉及无穷乘积.虽然许多学者研究过无穷乘积,但是仍有很多学生对此理论表现出陌生,因此本文是为了进一步帮助现阶段的本科学生了解无穷乘积或者拓宽知识面,更近一步掌握无穷级数,同时也帮助对数学感兴趣的学生增加拓宽知识面和考研的同学进一步掌握无穷级数与了解无穷乘积.这篇文章将系统的从定义、性质、审敛法、函数无穷乘积的展开以及无穷乘积的应用等方面介绍无穷乘积.虽然有部分文献是研究无穷乘积的,但是对于本科阶段的学生却很少接触这一概念,为此本文将结合华东师范大学版本的数学分析教材给出无穷乘积的应用,使学生更加通俗的明白无穷乘积,更加积极的学数学,爱上数学.
12、因此通过研究无穷乘积的相关概念与结论,对比无穷级数与无穷乘积两者的知识点,进一步巩固无穷级数.从而把无穷级数推广到无穷乘积之中,从无穷乘积的角度来解决或分析我们常见的数学分析中的问题,进一步促使读者掌握无穷级数.研究方法本论文主要采用文献法,分析法等方法,主要研究手段和步骤分为:通过文献法,整理资料的内容,梳理其中的研究内容与研究方法,收集他们的内容与发现未涉及的部分.如:在无穷级数的定义与性质的部分,使用文献法,通过分析菲赫金哥尔茨的微积分学教程整理出来了无穷乘积的定义与无穷乘积的相关性质.在书写无穷乘积的审敛法这一部分,通过学习微积分学教程和高永东与李相朋的无穷乘积的性质及其敛散性判别法整
13、理出来无穷乘积的审敛法.在书写常用函数无穷乘积的展开这一部分的时候,通过学习吴国胜的正、余弦函数无穷乘积展开式与微积分学教程写出了关于正弦函数及余弦函数的无穷级数展开式.在写无穷乘积的应用方面,用华东师范版本的数学分析教材中的题目为素材,从无穷乘积的角度研究它们.通过分析法,将无穷乘积与无穷级数对比分析.得到了无穷乘积的概念与收敛的判别法等相关知识点,再通过仔细研读数学分析书本,将书中的部分题目利用无穷乘积来解决,如极限的求值问题、无穷级数的收敛问题等,换个角度分析问题,带给我们不同的解题过程.在研读资料的过程中,将无穷级数与无穷乘积的知识进行对比,将类似的知识放在一起分析,方便学习无穷乘积.
14、1 无穷乘积收敛的定义与性质许多的数学分析教材中,都详细的讲解了无穷级数的概念与性质,所谓无穷级数就是无穷个项相加的结果,由初等数学的四则运算法则,我们很容易类比想到无穷个项相乘的结果,那么这样一个结果又是什么样呢?它又有哪些性质呢?这和无穷级数之间又有哪些异同点呢?本章将通过类比无穷级数,给出无穷乘积的定义与性质.1.1 无穷乘积的基本概念首先我们先介绍无穷乘积的定义:定义1 若a1, a2, a3,an, 为一序列,则它们的连乘a1a2a3an=n=1an称为无穷乘积.用符号n=1an来表示,an表示第n项,用Ln=a1a2a3an表示无穷乘积n=1an的前n项部分积,简称为部分积.1例1
15、 n=2(1-1n2)=1-1221-1321-1421-1n2为无穷乘积,其中Ln=1-1221-1321-1421-1n2为n=2(1-1n2)的前n项部分积.有了无穷乘积的定义,那么收敛的无穷乘积是什么样的呢?现在我们就来模仿无穷级数的收敛性的定义给出无穷乘积的收敛性的定义.定义2 若无穷乘积n=1an的部分积数列Ln存在极限L且L大于0,即limnLn=L(L0).则称无穷乘积n=1an是收敛的,L称为无穷乘积n=1an的积,否则,则称为它为发散的.1p292这里如果LnN时,pN*,有1-k=n+1n-pak0,存在正整数N,当nN时,pN*,有1-k=n+1n-plnakN时,pN
16、*,有k=n+1n-pak-k=n+1n-plnak2.从而1-k=n+1n-pak1-k=n+1n-plnak-k=n+1n-pak-k=n+1n-plnak0,存在正整数N,当nN时,pN*,有1-k=n+1n-pakN时,p=n+3有1-k=n+1n-p2k-12k=1-516=111612.故由柯西收敛准则知:无穷乘积n=12n-12n 发散.由柯西收敛准则,我们知道无穷乘积的收敛性与其前面有限个项是无关的,只与后面开始的无穷多个项有关系,因此我们还可以得到下面的推论.推论1 在无穷乘积前面加上或者去掉有限项,不改变该乘积的敛散性.证明 若无穷乘积n=1an收敛,由级数n=1lnan与
17、乘积n=1an有相同的敛散性,而在级数n=1lnan前面加上或者去掉有限项,不改变该级数的敛散性,从而在无穷乘积前面加上或者去掉有限项,不改变该乘积的敛散性.无穷级数的必要条件是部分和的极限为0,有了它,如果其和不为0,我们便可以立刻知道这个无穷级数是发散的.类比无穷级数,我们又可以得到无穷乘积的必要条件.推论2 若无穷乘积n=1an收敛,则limnan=1.证明 因无穷乘积n=1an收敛,则设其部分积数列Ln存在极限L且L0 ,即limnLn=LL0,从而limnan=limnLnLn-1=LL=1.例6 证明极限limn2n2=1.证明 考察无穷乘积n=12n2的收敛性,我们先考察无穷级数
18、n=112nln2的收敛,因无穷级数n=112nln2是几何级数,故n=112nln2收敛,由引理1知,无穷乘积n=12n2收敛,再由推论2知limn2n2=1.前面我们探索出了无穷乘积的必要条件和决定无穷乘积收敛的规律,这些性质大多都是类比无穷级数而得到的,但我们还知道无穷级数有很多性质,下面我们就再来类比无穷级数给出无穷乘积的相关性质.定理2 若无穷乘积n=1an收敛,则n=1anc=a1ca2canc同样收敛,且其积为Lc.4证明 设无穷乘积n=1an的前n项部分积为Ln, 即Ln=k=1nak,则无穷乘积n=1anc的前n项部分积为Lnc=k=1nakc,由条件可得limnLn=LL0
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