- •Харків 2003
- •61050, Харків-50, майдан Фейербаха, 7
- •Числові ряди
- •Приклад . Ряд розбігається, тому що . Приклад . Ряд розбігається. Дійсно, маємо
- •Приклад. Розглянемо ряд , де q – довільне число. Неважко бачити, що послідовність 1, q, q 2, … q n… є геометричною прогресією із знаменником q. Відомо, що , отже
- •Загальні властивості рядів
- •Необхідна умова розбіжності ряду.
- •Приклад. Ряд розбігається, оскільки .
- •Ознаки збіжності рядів з додатними членами
- •Знакозмінні ряди.
- •Знакопереміжні ряди
- •Теорема Лейбніца: Знакопереміжний ряд збігається, якщо:
- •Приклад. Обчислити наближено суму ряду , взявши чотири його члени, та оцінити похибку. Виконуючи обчислення, отримаємо
- •Функціональні ряди
- •Степеневі ряди Степеневі ряди – це функціональні ряди, що мають вигляд
- •Диференціювання та інтегрування степеневих рядів
- •За допомогою цих властивостей можна одержати важливі результати, наприклад, знайти суми деяких рядів.
- •Ряди Тейлора
- •Ряди Фур’є
- •Розв’язання завдань
- •Перевіримо виконання умов ознаки порівняння
- •Список літератури
Необхідна умова розбіжності ряду.
Можна
довести, що для збіжного ряду
(тобто
є необхідною умовою збіжності). З цього
факту випливає, що, коли ця умова не
виконується, ряд не може збігатися,
тобто має місце така ознака розбіжності
ряду :
якщо
(або ця границя не існує), тоді ряд
розбігається. (2)
Приклад. Ряд розбігається, оскільки .
Зауваження:
У випадку
питання про поведінку ряду цією ознакою
не з’ясовується, тобто ряд може як
збігатися так і розбігатися. Наприклад,
,
а ряд
розбігається (цей факт буде доведено
далі).
Ознаки збіжності рядів з додатними членами
Нехай ми маємо ряд , у якому an>0, n.
Ознака Даламбера : Якщо границя l відношення двох сусідніх членів ряду менша за 1, тоді ряд збігається, якщо ця границя більша за 1, тоді цей ряд розбігається. Якщо l =1, тоді питання про збіжність ряду не може бути з’ясовано за допомогою цієї ознаки. Ознака Даламбера може бути схематично записана у вигляді
(3)
Приклад.
Дослідити
на збіжність ряд
.
Тут
;
.
Одже, ряд збігається.
Радикальна
ознака Коші має
такий схематичний вигляд:
(4)
Зміст позначень у цій ознаці такий же, як у ознаці Даламбера.
Приклад.
Дослідити на збіжність ряд
.
Знаходимо
,
тобто цей ряд збігається.
Зауважимо, що застосовуючи достатню ознаку розбіжності у цьому прикладі, ми одержимо , тобто питання не з’ясовується; застосування ж ознаки Даламбера приводить до досить складних обчислень.
Інтегральна
ознака Коші.
Нехай
an=
f(n)
>0, і f(x)
монотонно спадає для x
1. Тоді ряд
та невласний інтеграл
збігаються та розбігаються одночасно.
Геометричний
зміст інтегральної ознаки Коші полягає
у такому.
На
рис. 1 зображено графік функції f(x).
За геометричним змістом
є площею фігури, що обмежена лінією
f(x).
На цьому ж рисунку бачимо, що
– сума площ описаних прямокутників, а
–
сума площ вписаних прямокутників.
Рис. 1
Неважко бачити, що
.
Звідси
отримаємо висновок: якщо
збігається, то збігається і ряд
.
Якщо
розбігається, то розбігається і ряд
.
Звідси легко одержати і остаточний
висновок: ряд
та інтеграл
збігаються та розбігаються одночасно.
Приклад.
Дослідити на збіжність
(ряд
Діріхлє p>0).
Маємо f(x)
=
,
і виконані умови інтегральної ознаки
Коші. Обчислимо відповідний інтеграл
та отримаємо при p1:
Окремо
розглянемо випадок p=1.
Маємо
.
Остаточно одержимо
(5)
Приклад.
Ряд
збігається (p=1.5),
а ряд
розбігається (p=1/3).
Ряд називається також гармонічним. Він розбігається (p=1).
Ознака
порівняння
І (мажорантна). Припустимо, ми маємо два
ряди
та
.
Припустимо також, що 0anbn
n.
Тоді:
Якщо розбігається, тоді і розбігається, тобто розбіжність ряду з менших членів веде до розбіжності ряду з більших членів, що є природним.
Якщо збігається, тоді й збігається. Цей факт також є зрозумілим: якщо сума більших членів є скінченою, тоді і сума менших членів буде мати скінчену границю.
Ознака порівняння ІІ (гранична).
Знову розглянемо два ряди та (an>0; bn>0,n). Припустимо, що існує границя
. (6)
Тоді обидва ряди поводяться однаково, тобто: або обидва збігаються, або обидва розбігаються.
Пояснення. Наявність властивості (6) фактично означає, що an відрізняється від bn (принаймні для великих n) приблизно в разів. Тому згідно загальної властивості (ЗВ) 1 (стор.2) обидва ряди повинні збігатися або розбігатися одночасно. При застосуванні ознак порівняння один з рядів – той, збіжність якого необхідно з’ясувати, другий (він називається рядом порівняння) – ми повинні вибрати самі і мати відомість про його збіжність або розбіжність.
У якості рядів порівняння часто застосовуються ряди Діріхлє (5).
Приклад.
Дослідимо на збіжність ряд
=
.
Зрозуміло, що lnn>1
, якщо n>2,
а цього згідно з ЗВ2 достатньо для
подальших висновків. Маємо нерівність
,.
але ряд
розбігається. Тому на основі мажорантної
ознаки порівняння робимо висновок про
розбіжність початкового ряду.
Приклад.
Розглянемо ряд
.
Спробуємо застосувати ідею попереднього
прикладу. Маємо
.
Ряд
збігається як ряд Діріхлє (p=2),
але це не дозволяє з’ясувати поведінку
даного ряду, оскільки тут збігається
менший з рядів, а це не дає можливості
зробити будь-якій висновок відносно
більшого ряду.
Дослідження
цього ряду можна провести, застосовуючи
ознаку порівняння таким чином. Доведемо,
спочатку що
.
Дійсно, розглянемо функцію
.
Маємо
.
Звідси маємо, що для
похідна
,
тобто функція f(x)
спадає для
.
При цьому маємо f(7)–0.62<0.
Внаслідок спадання ця функція буде
від’ємною і для
, тобто
,
і
.
Звідси маємо
(n
>
4).
Оскільки
ряд
збігається (ряд Діріхлє з p=3/2),
то згідно з граничною ознакою порівняння
збігається і ряд
.
Приклад.
Розглянемо ряд
.
Маємо
.
Візьмемо
.
Неважко довести, що
.
Застосовуючи граничну ознаку порівняння, дістанемо висновку: ряд збігається, оскільки ряд збігається (це ряд Діріхлє з p=2).
Зауваження:
У
останніх трьох прикладах умови відповідних
теорем виконуються не для усіх членів
ряду, а починаючи з деякого
.
Власне кажучи, ми довели збіжність
рядів
,
але з урахуванням ЗВ2, ті ж висновки
дійсні і для заданих рядів.
Зауваження: З урахуванням ЗВ1 при = –1 в (6) наведені властивості придатні і для дослідження рядів, усі члени яких є від’ємними.
