Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Telyakovsky_3_semestr.pdf
Скачиваний:
321
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

§ 15.3. Ряды с монотонными членами

17

§ 15.3. Ряды с монотонными членами

∑

Рассмотрим ряды , члены которых положительны и монотонно убывают, т.е. > +1. В таком случае пишут ↓, при этом если последовательность { } сходится к , пишут ↓ . Аналогично, запись ↑ означает монотонное возрастание последовательности { }.

Будем считать, что оценки > +1 > 0 выполняется для всех , хотя при изучении сходимости рядов можно иметь в виду только достаточно большие .

Теорема 15.3.1 (Интегральный признак сходимости). Если функция ( ) на [1, +∞) положительна и монотонно убывает,

то ряд

∞

∑

( )

=1

и интеграл

∫ +∞

( )

1

сходятся или расходятся одновременно.

Доказательство. В силу монотонного убывания справедливы неравенства

∫ +1

( ) > ( ) > ( + 1).

Значит,

 

 

 

 

+1

(15.3.1)

 

=1 ( ) > ∫1 +1 ( ) >

=1 ( + 1) = =2 ( ).

 

∑

∑

∑

 

 

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

 

Поэтому ограниченность последовательности сумм

=1 ( )

равносильна ограниченности

последовательности интегралов

∫

1 ( ) . Так как значения ( )

положительны, из (15.3.1)

 

в силу теоремы 15.2.1 и аналогичного свойства несобственных интегралов следует теорема 15.3.1.

Неравенства (15.3.1) имеют простой геометрический смысл. Интеграл

∫ +1

( )

1

18

Гл. 15. Числовые ряды

равен площади криволинейной трапеции с основанием [1, + 1], ограниченной сверху графиком функции ( ).

Рис. 15.1.

Сумма из левой части неравенства (15.3.1) равна сумме площадей прямоугольников (см. рисунок), покрывающих криволинейную трапецию. А сумма из правой части (15.3.1) равна сумме площадей прямоугольников, содержащихся в этой трапеции.

Применим интегральный признак к исследованию сходимости рядов

∞

∑ 1

(15.3.2)

=1

при положительных значениях .

Согласно теореме 15.3.1 ряд (15.3.2) сходится или расходится одновременно с интегралом

+∞ 1

 

 

∫1

.

(15.3.3)

При = 1 этот интеграл расходится, так как

∫

1 = ln| | + ,

где – некоторая постоянная. Это дает новое доказательство расходимости гармонического ряда.

Из неравенств (15.3.1) можно получить оценку скорости возрастания частных сумм гармонического ряда. Согласно (15.3.1) имеем

§ 15.3. Ряды с монотонными членами

 

 

19

1

 

 

+1 1

 

+1 1

1

− 1 +

1

 

=1

 

> ∫1

> =2 =

=1

+ 1 .

∑

 

 

 

 

 

 

∑

∑

 

 

 

Значит,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

 

 

= ln( + 1) + (1) = ln + (1).

(15.3.4)

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если ̸= 1, то при > 0

 

 

 

 

 

 

 

∫

1

=

1−

+ .

 

 

 

 

 

 

 

1 −

 

 

 

Поэтому ряд (15.3.2) как и интеграл (15.3.3) сходится при > 1 и расходится при < 1.

Рассмотрим теперь ряды

 

1

 

 

 

 

∑

 

,

> 0.

(15.3.5)

 

 

=2

ln

 

 

 

 

 

Они сходятся или расходятся одновременно с интегралом

 

+∞

1

 

 

∫2

 

.

 

ln

 

Пусть > 2. Если = 1, то

∫

1

ln = ln ln + ,

поэтому и интеграл и ряд расходятся. А если ̸= 1, то

∫

1

 

=

ln1−

+ .

ln

 

1 −

 

Значит, ряд (15.3.5) сходится при > 1 и расходится при < 1.

∫

∑

Сравнение частных сумм ряда ( ) с интегралом ( ) , использованное при доказательстве теоремы 15.3.1, бывает полезным и в других вопросах.

Получим, например, оценку скорости роста !. Ясно, что при→ ∞ числа ! растут очень быстро, но не быстрее .

20

Гл. 15. Числовые ряды

Воспользуемся тем, что

 

 

 

ln ! =

∑

ln ,

 

=1

и оценим полученную сумму через интеграл. Функция ln возрастает и при > 1

−1

 

 

=1 ln <

∫1

ln < =1 ln .

∑

 

∑

Поэтому

∫

∑

 

 

 

 

 

ln =

 

ln + ,

 

 

 

=1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где 0 < < ln . Так как

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫1 ln = ( ln − ) 1 = ln − + 1,

 

 

 

 

 

 

то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

! = ln − +1+ = ln

− 1+ = (

 

)

1+ .

 

Из неравенств 0 < < ln следует, что

1 < < ln = .

Положим := 1+ , тогда

 

 

 

 

 

< < .

(15.3.6)

Таким образом,

( )

 

 

! =

(15.3.7)

,

 

 

 

 

 

 

где для множителя справедливы оценки (15.3.6).

В § 17.4 будет установлено, что при → ∞

√

= 2 + (1),

но это потребует тонких рассуждений, а неравенства (15.3.6) были получены с помощью совсем простых соображений.

Продолжим изучение сходимости рядов с монотонными членами.

Теорему 15.3.1 можно уточнить следующим образом.

§ 15.3. Ряды с монотонными членами

21

Теорема 15.3.2. Пусть функция ( ) на [1, +∞) положительна и монотонно убывает. Тогда числа

∫ +1

∑

 

 

 

 

( ) −

1

( ) ,

= 1, 2, . . . ,

(15.3.8)

=1

 

 

 

 

неотрицательны, с ростом монотонно возрастают и ограничены числом (1). При этом, если

:= →∞(

 

∫1

+1

(15.3.9)

=1 ( ) −

( ) ),

 

∑

 

 

 

lim

то справедливы оценки

0 6 −

 

∫1 +1

( ) )

6 ( + 1).

(15.3.10)

( =1 ( ) −

 

∑

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ +1[ ( ) − ( )] .

=1 ( ) − ∫1 +1 ( ) =

=1

∑

 

 

 

∑

 

 

 

Функции под знаком интегралов в правой части этого равенства в силу убывания ( ) неотрицательны. Значит, суммы

∫ +1

∑

[ ( ) − ( )]

=1

неотрицательны и с ростом возрастают. Они ограничены числом (1), так как

∫ +1

∑

[ ( ) − ( )] 6

=1

∫ +1

∑

6[ ( ) − ( + 1)] =

=1

∑

=[ ( ) − ( + 1)] = (1) − ( + 1) < (1).

=1

22 Гл. 15. Числовые ряды

Левое неравенство (15.3.10) вытекает из возрастания чисел (15.3.8). А правое неравенство следует из того, что

−

(

 

 

 

( ) ) =

 

=1 ( ) − ∫1 +1

 

 

 

∑

 

 

 

 

 

= →∞(

 

 

+1

),

 

= +1

( ) − ∫ +1

 

 

lim

∑

 

 

( )

 

 

 

 

 

так как при > имеем

∫ +1

∑

( ) −

+1

( ) =

= +1

 

 

∫ +1

∑

=[ ( ) − ( )] 6

= +1

∑

6[ ( ) − ( + 1)] = ( + 1) − ( + 1) < ( + 1).

= +1

Теорема доказана.

Для гармонического ряда значение предела (15.3.9)

→∞(

1

+1 1

)

=1

− ∫1

lim

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

называют постоянной Эйлера и часто обозначают .

После чисел и постоянная Эйлера является, пожалуй, наиболее важной математической константой. Десятичное представление числа имеет вид

 

= 0, 5772 . . . .

 

Таким образом,

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

ln( + 1) + −

 

6

∑

 

6 ln( + 1) + .

(15.3.11)

+ 1

=1

 

 

 

 

 

 

 

Неравенства (15.3.11) уточняют оценку (15.3.4).

Отметим кстати, что до сих пор не известно, является постоянная Эйлера рациональным или иррациональным числом.

§ 15.3. Ряды с монотонными членами

 

23

∑

Теорема 15.3.3. Если числа монотонно убывают и ряд

сходится, то

 

→

0

1

 

→ ∞

, т.е.

 

 

 

 

при

 

 

 

 

= (

 

),

→ ∞.

(15.3.12)

 

 

 

 

Доказательство. Для положительного найдем такое,

что при всех и , удовлетворяющих условию > > , выполняется неравенство

 

 

 

 

 

∑

 

 

<

 

.

 

 

 

 

 

=

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда для любого числа , такого, что [ /2] > , имеем

 

 

 

 

 

 

 

=[∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

< 2 .

 

/2]+1

В силу монотонности чисел

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=[∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

> ( − [ /2]) > 2 .

/2]+1

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, < , что приводит к оценке (15.3.12). Теорема доказана.

Оценка (15.3.12) дает необходимое условие сходимости ряда

∑

с монотонно убывающими членами, когда → 0, но это условие не является достаточным, что видно на примере расходящегося ряда

∑

1

.

ln

Теорема 15.3.4 (Теорема Коши). Если числа монотонно убывают к нулю, то ряды

∞

(15.3.13)

 

=1

 

∑

 

и

 

∞

 

2 2

(15.3.14)

=0

 

∑

 

сходятся или расходятся одновременно.

24

Гл. 15. Числовые ряды

Доказательство. Пусть ( ) – монотонно убывающая на [1, +∞) функция, удовлетворяющая условию ( ) = , = 1, 2, . . . .

Согласно теореме 15.3.1 сходимость ряда (15.3.13) эквивалентна сходимости интеграла

∫ +∞

( ) . (15.3.15)

1

Если интеграл (15.3.15) сходится, то

∫ +∞ ( ) =

∞ ∫ 2

( ) >

 

∑

 

1=1 2 −1

 

 

∞

2

∞

(2 )

 

> =1 ∫2 −1 (2 ) =

=1 2 −1

 

 

∑

 

∑

 

и, следовательно, сходится ряд (15.3.14).

 

 

А если сходится ряд (15.3.14), то для каждого

 

2 +1

 

2 +1

 

 

∞

∫1

( ) = =0

∫2

( ) 6 =0 2 (2 ) 6 =0 2 2 .

 

∑

 

∑

 

∑

Итак, последовательность интегралов

2 +1

∫

( )

1

ограничена. В силу неотрицательности функции ( ) отсюда следует сходимость интеграла (15.3.15), а значит, и сходимость ряда (15.3.13).

Теорема доказана.

Следующая теорема относится к рядам со знакочередующимися членами, т.е. члены ряда попеременно положительны и отрицательны.

Теорема 15.3.5 (Признак Лейбница). Пусть числа положительны и монотонно убывают. Тогда ряд

 

∞

 

1 − 2 + 3 − 4 + · · · =

∑

 

(−1) +1

(15.3.16)

=1

§ 15.3. Ряды с монотонными членами

25

сходится, если

 

lim = 0.

(15.3.17)

→∞

 

Если ряд (15.3.16) сходится, то для его суммы справедливы

оценки

 

∞

 

∑

 

0 < (−1) +1 < 1.

(15.3.18)

=1

Доказательство. Для частных сумм ряда (15.3.16) с четными номерами имеем

2

∑

2 = (−1) +1 = ( 1 − 2) + ( 3 − 4) + · · · + ( 2 −1 − 2 ).

=1

Значит, последовательность { 2 } возрастает. Вместе с тем,

2 = 1 − ( 2 − 3) − · · · − ( 2 −2 − 2 −1) − 2 < 1.

Таким образом, последовательность { 2 } сходится к некоторому числу и 0 < < 1, так как в силу (15.3.17) все разности2 −2 − 2 −1 не могут равняться нулю.

Для частных сумм ряда (15.3.16) с нечетными номерами име-

ем

2 +1 = 2 + 2 +1 → ,

→ ∞.

Поэтому ряд (15.3.16) сходится к . Теорема доказана.

Из неравенств (15.3.18) вытекает следующая оценка остатка ряда (15.3.16), если этот ряд сходится:

 

∞

(−1) +1

 

<

для любого ,

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

поскольку ряд ∑∞ (−1) +1 с точностью до знака удовлетво-

=

ряет условиям теоремы 15.3.5.