先考虑所有项都 \(\ge 0\) 的级数.

对于数列 \(a_n\),定义部分和 \(S_n=\sum_{i=1}^k a_i\). 若 \(\lim_{n\to +\infty}S_n\) 存在,则称其收敛,否则发散.

正项级数可以发现和广义积分大差不差. 但是其实有一个比较重要的区别:若正项级数收敛则 \(a_n\to 0\), 但对于广义积分而言,收敛并不代表 \(f(x)\to 0\).

一些最基本的判定,比如 Cauchy 准则,比如比较判别,都是和广义积分没区别的. 下面直接看一些独属 于级数的一些方法.

首先是一个使用情况可能更多一些的比较判别. 考虑 \(\frac{a_{n+1}}{a_n}\le \frac{b_{n+1}}{b_n}\). 那么显然 \(a\) 应该收敛地比 \(b\) 要更好. 于是若 \(b\) 收敛则 \(a\) 收敛,若 \(a\) 发散则 \(b\) 发散. 严谨地证明考虑把这一连串的东西乘起来就是朴素的比较判别.

同样我们可以根据 \(x^l\) 的收敛性,获得极限版本. 考虑 \(\frac{a_{n+1}}{a_n}\),上极限若 \(<1\) 则收敛,下极限 \(>1\) 则发散.

例子:\(a_n=\frac{x^nn!}{n^n}\). 比一下发现是 \(x\times \frac{n^n}{(n+1)^n}\). 转换乘 \((1-\frac{1}{n+1})^n\) 后知道极限即为 \(xe^{-1}\). 难点都在处理极限 \(=1\) 的情形,即 \(x=e^{-1}\). 已知的结论可以告诉我们(运用 Stirling 公式或者数学归纳)\(e^nn!>n^n\),所以求和肯定不收敛.

然后我们来看另一种判别法. 考虑 \(\sqrt[n]{a_n}\) 的极限 \(l\). 若上极限 \(<1\) 那么就收敛. 否则就算是上极限 \(>1\) 也可以知道发散(因为有无穷多个 \(>1\) 的元素). 而前者考虑直接放缩 \(a_n\le (l+\varepsilon)^n<1\),而 \((l+\varepsilon)^n\) 之和是收敛的.

实际上,这两个判别法有点关系. 实际上,对于下极限而言 \(\lim a_{n+1}/a_n\le \lim \sqrt[n]{a_n}\),而上极限则相反. 证明以下极限为例. 假设下极限为 \(l\),那么有一个技巧是证明对于任意 \(\varepsilon\)\(\lim \sqrt[n]{a_n}\ge l-\varepsilon\). 这就好办了,直接用极限的定义知存在 \(N_0\) 使得 \(n>N_0\) 时前后比 \(\ge l-\varepsilon\),然后还是从最开始往后乘起来就证明好了.

在上述判别法都是 \(1\) 无法判断,并且含有阶乘的时候可以尝试 Raabe 判别法.

我们考虑 \(a_n=\frac{1}{n^p}\). 我们很容易发现这个的无论是前后比还是 \(\sqrt[n]{a_n}\) 都是 \(1\). 但是我们知道在 \(p>1\) 是收敛的而 \(p\le 1\) 发散. 考虑前后比 \(\frac{a_n}{a_{n+1}}=(1+\frac{1}{n})^p=1+\frac{p}{n}+o(\frac{1}{n})\),如果我们减一后乘上一个 \(n\)\(\to p\).

所以 Raabe 判别法的核心就是,求出 \(\lim n(\frac{a_n}{a_{n+1}}-1)\),若 \(>1\) 收敛,若 \(<1\) 发散. 这里可以类似得到上下极限的版本. 但如果 \(=1\) 那还是做不了. 这没什么办法.

下面考虑任意项级数.

我们想得到 DA 判别法在级数上的表现.

Abel 变换:令 \(b\) 的部分和为 \(B\),则 \(\sum a_ib_i=\sum a_i(B_i-B_{i-1})=\sum B_i(a_i-a_{i+1})+a_nB_n\),于是绝对值 \(\le (\sum |a_i-a_{i+1}|+a_n)\max |B|\). 若 \(a\) 单调,则 \(\le (2|a_n|+|a_1|)\max |B_k|\).

这立刻得到 Abel 判别法:若 \(a\) 单调有界,\(\sum b\) 收敛,则 \(\sum a_ib_i\) 收敛.

我们也可以得到 Dirichlet 判别法:若 \(a\) 单调收敛至 \(0\)\(\sum b\) 有界,则同样 \(\sum a_ib_i\) 收敛.

严谨的证明可以通过 Cauchy 准则得到.

还有一个 Leibnitz 级数. 如果 \(a\) 单调收敛至 \(0\),则 \(\sum (-1)^{n-1}a_n\) 收敛. 这是显然的.