Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

высшая математика

.pdf
Скачиваний:
89
Добавлен:
18.02.2016
Размер:
6 Мб
Скачать
☆

+ ∞

 

∑ an , an ≥0, n N.

(8)

n= 1

 

Теорема 4.

Для того, чтобы ряд (8) сходился, необходимо и достаточно, чтобы последовательность его частичных сумм была ограниченной.

Докажем, например, достаточность. Пусть последовательность {S n}

ограничена. Заметим, что S n+ 1 = S n + an ≥ S n , n N, так как an ≥0, т.е. {S n} – неубывающая и ограничена. Тогда по теореме из Л.22 она имеет

предел.

Теорема 5 (признак сравнения).

Пусть даны два ряда с неотрицательными членами

 

∞

 

∞

 

∑ an (A) и

∑ bn (B )

и пусть

n= 1

 

n= 1

 

n N

an ≤ bn.

 

Тогда из сходимости ряда (В) следует сходимость ряда (А), а

из расходимости ряда (А)

– расходимость ряда В.

Образно говоря, признак сравнения свидетельствует о том, если сходится некоторый ряд с неотрицательными членами, то ряд с меньшими неотрицательными членами также сходится. Наоборот, если ряд с неотрицательными членами расходится, то ряд с большими неотрицательными членами также расходится.

∞

1

 

Пример 4. Исследовать сходимость ряда ∑

 

 

 

, 0 < p < 1.

1 n

p

n=

 

 

Решение. Применим признак сравнения, воспользовавшись тем, что гармонический ряд (см. пример 2) расходится. Очевидно,

 

 

 

1

≥

1

, n N, 0 < p ≤ 1,

 

 

 

 

 

 

 

 

n p

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

1

 

 

 

 

∞

1

 

ряд ∑

 

 

расходится. Поэтому расходится и ряд ∑

 

 

 

, 0 < p < 1.

1 n

1 n

p

n=

 

 

 

 

n=

 

 

3 5 1

 

 

∞

1

 

 

Заметим, что можно показать, что этот ряд ∑

 

при р >1 сходится.

 

p

 

 

n= 1 n

 

Это объясняется тем, что при р >1 общий член an =

1

 

стремится к нулю

 

n p

достаточно быстро.

 

 

 

 

 

 

Теорема 6 (признак Даламбера).

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

Пусть дан ряд с неотрицательными числами ∑ an и существует

 

an+ 1

 

 

n= 1

предел lim

= q . Тогда, если q < 1, то ряд сходится, если q > 1, то

 

n→ ∞ an

 

 

 

 

ряд расходится. Если q = 1, то ряд может сходиться, а может и

расходиться.

 

 

 

 

Доказательство. Пусть q < 1. Выберем число ε> 0 так, чтобы q + ε< 1. Тогда по определению предела последовательности Ν0 Ν

такой,

что n > N0:

an+ 1

− q

< ε или

q − ε<

an+ 1

< q + ε. Таким образом,

 

 

 

 

 

an

 

 

an

n > N0

имеем an+ 1 < (q + ε)an . Отсюда получим:

 

aN 0 + 2 < (q + ε)aN 0 + 1 , aN 0 + 3 < (q + ε)aN 0 + 2 < (q + ε)2 aN 0 + 1 ,

 

 

aN 0 + 4 < (q + ε)aN 0 + 3 < (q + ε)3 aN 0 + 1 и т.д.

Ряд (q +

ε)aN 0 + 1 + (q + ε)2 aN 0 + 1 +

(q + ε)3 aN 0 + 1 + ... сходится, так как

q + ε (0, 1).

Следовательно, по признаку сравнения сходится и ряд

∞

+ ∞

∑ an , а с ним и ряд

∑ an (применим теорему 1).

n= N 0 + 2

n= 1

Случай q > 1 рассматривается аналогично. Если же q = 1, то можно привести примеры и сходящихся, и расходящихся рядов.

Приведем без доказательства еще один признак.

Теорема 7 (признак Коши).

∞

Пусть дан ряд ∑ an с неотрицательными членами и существует

n= 1

предел lim n an = q . Тогда, если q < 1, то ряд сходится, если q > 1, то

n→ ∞

ряд расходится. Если q = 1, то ряд может сходиться, а может и расходиться.

3 5 2

Пример 5. Исследовать сходимость следующих рядов:

 

 

 

 

 

∞

2n

;

 

 

∞

 

 

2n

+ 1 n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) ∑

n!

б) ∑

 

n +

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n= 1

 

 

 

n= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. а) Применим признак Даламбера. Имеем:

 

 

 

 

 

2n

 

2n+ 1

 

 

q =

lim

an+ 1

=

lim

 

2n+ 1

 

n!

 

= lim

2

 

=

0

< 1

 

an = n! , an+ 1 =

(n + 1)! ,

 

n→ ∞

 

an

 

 

n→ ∞ (n + 1)! 2n

 

n→ ∞

n +

1

 

 

 

.

 

Ряд сходится.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) К данному ряду удобно применить признак Коши:

 

 

 

 

 

 

 

 

2n + 1 n

n

 

 

 

2n + 1

 

 

 

2 + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q = lim n an

= lim

 

 

 

 

=

lim

 

 

 

 

 

=

lim

 

 

n

 

= 2 >1 .

 

 

 

n +

 

n +

2

 

 

 

 

 

 

 

n→ ∞

n→ ∞

 

2

 

 

 

n

→ ∞

 

 

 

n→ ∞

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

Ряд расходится. Приведенные выше достаточные условия сходимости относятся

к рядам с неотрицательными членами. Теперь рассмотрим еще один тип рядов – знакочередующиеся ряды.

Знакочередующимся рядом называется ряд вида

a

− a

+ a − ... + (− 1)n− 1 a

n

+ ... ,

(9)

1

2

3

 

 

где an > 0, n N.

Теорема 8 (признак Лейбница).

Если члены ряда (9) удовлетворяют условиям:

1) n N : an

≥an+1; 2) lim an = 0 ,

 

n→ ∞

то ряд (9) сходится и его сумма S не превосходит a1, т.е. S ≤ a1.

 

 

 

∞

(

− 1)

n− 1

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 6. Ряд ∑

 

 

является знакочередующимся. Он удов-

 

 

 

n

 

 

 

 

 

n=

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

летворяет условиям признака Лейбница, так как

an =

1

,

an =

 

1

 

>

1

 

 

= an+ 1 , n N,

lim

1

= 0 .

 

 

n

n +

1

 

 

n

 

 

 

 

 

 

n→ ∞

n

40. Абсолютная и условная сходимость. Рассмотрим

теперь числовые

ряды с членами произвольных знаков. Такие ряды

называются знакопеременными.

 

 

 

3 5 3

∞

Пусть имеем знакопеременный ряд ∑ an . Знакопеременный ряд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n= 1

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

∑ an

называется абсолютно сходящимся, если сходится ряд ∑

an

.

n= 1

Имеет место

 

 

 

 

 

 

 

n= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема

9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

Если ряд ∑

an

сходится, то сходится и ряд ∑ an .

 

 

 

n= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

Однако может случиться так, что ряд ∑

 

an

 

расходится, а ряд

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

∞

n= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑ an

сходится.

Такие ряды ∑ an называются условно сходящимися.

n= 1

 

 

 

 

 

 

 

n= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

(− 1)

n− 1

 

 

 

 

 

 

 

Например,

ряд

∑

 

 

является условно сходящимся.

 

 

n

 

 

 

 

n=

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заметим, что исследование знакопеременных рядов на абсолютную сходимость можно провести с помощью признаков Даламбера,

∞

Коши и признаков сравнения, так как ряд ∑ an является рядом с

n= 1

неотрицательными членами.

! Задания для самостоятельной работы

1. Исследовать сходимость следующих рядов:

∞

 

1

2 n

 

∞

 

 

 

1

 

 

 

∞

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

∞

 

2n + 1

n 2

а) ∑

 

 

 

 

 

 

 

 

; б) ∑

 

 

 

 

 

; в) ∑

 

 

 

 

 

 

 

 

; г)

∑

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

n(n − 1)

2n +

1

3n +

1

n= 1 n

 

 

3

 

 

n= 1

 

 

n= 1

 

 

n= 1

 

 

 

∞

 

 

 

3

 

 

 

∞

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д) ∑

 

 

n

; е)

∑

(n!)

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=

1 e

 

 

 

 

 

n= 1

(2n)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Исследовать сходимость следующих рядов:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

а) 1−

 

+

 

−

... +

(− 1)n− 1

 

+ ... ;

б)

 

∑

(− 1)n− 1

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

6n −

5

 

 

 

 

3 5

 

 

 

 

 

 

2n − 1

 

 

 

 

 

 

n= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

n−

1

2n

+ 1

 

 

 

 

1

 

1

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

в) ∑

(−

1)

; г) 1−

−

+

 

 

 

+

− ... .

 

 

 

 

 

 

 

 

n(n + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

22

2

3

 

 

24

 

 

 

 

 

 

 

 

3 5 4

Лекция 57

Функциональные ряды. Степенные ряды

Вводятся понятия функциональных рядов. Рассматриваются вопросы сходимости степенных рядов.

∞

10. В прошлой лекции рассматривались числовые ряды ∑ an ,

n= 1

т.е. ряды, членами которых являются числа. Теперь будем изучать ряды вида:

f1(x ) +

f2 (x ) + ... +

fn (x ) +

∞

 

... = ∑ f n (x ) ,

(1)

n= 1

где fn(x), n N – некоторые функции аргумента х, заданные на множестве Х. В этом случае говорят, что на множестве Х задан функциональный ряд.

Если фиксировать какое-либо x = x0 X, то ряд

∞

 

∑ f n (x0 )

(2)

n= 1

является числовым рядом. Если числовой ряд (2) сходится, то говорят, что функциональный ряд (1) сходится в точке x = x0. Множество всех точек сходимости функционального ряда называется его областью сходимости. Область сходимости может совпадать с множеством Х, но может и не совпадать, в частности, может быть пустым множеством.

Пусть D – область сходимости ряда (1). Тогда для каждого

∞

фиксированного x D соответствующий числовой ряд ∑ fn (x ) сходится

n= 1

и имеет сумму. Если каждому x D поставить в соответствие число, равное этой сумме, то на множестве D будет определена некоторая функция S = S(x), называемая суммой функционального ряда (1). Тогда записывают:

S (x ) = f1(x ) + f2 (x ) + ... + f n (x ) + ... , x D.

∞

Пример 1. Найти область сходимости функционального ряда ∑ x n.

n= 0

Решение. В данном случае fn(x) = xn, n = 0,1, .... Эти функции определены на R. Из примера 1 Л. 56 следует, что этот функциональный ряд сходится в любой точке x R, для которой | x | < 1. Если же |x| ≥1, то

3 5 5

соответствующий числовой ряд расходится. Таким образом, областью

∞

сходимости ряда ∑ x n является интервал (–1, 1).

n= 0

Очевидно, суммой этого функционального ряда является функция

S (x ) =

 

 

1

 

,

x (− 1, 1) ,

1

 

=

1+

x +

x 2 + ... + x n + ... , x (–1, 1).

1

−

x

1−

x

 

 

 

 

 

 

 

Функциональный ряд (1) называется абсолютно сходящимся на мно-

∞

жестве D1, если в каждой точке x D1 сходится ряд ∑ fn (x ) .

n= 1

Так как абсолютно cходящийся ряд сходится, то D1 D . Образуем n-ую частичную сумму ряда (1):

S n (x ) =

f1(x ) + f2 (x ) + ... + f n (x ) ,

n = 1, 2, ...,

x D.

Очевидно,

если фиксировать x = x0,

x0 D, то

{S n (x0 )} есть чис-

ловая последовательность. Если существует конечный lim S n (x 0 ) , то

n→ ∞

он равен S(x0). По определению предела это означает, что ε > 0 су-

ществует номер N0 такой, что n > N0: S n (x0 ) − S (x0 ) < ε. Подчеркнем, что здесь номер N0 зависит, вообще говоря, и от ε,

и от точки x0. Особый интерес представляет случай, когда можно указать номер N0 такой, что он зависит только от εи не зависит от выбора точки x0, x0 D.

Если для ε > 0 N0, N0 N, зависящий лишь от εи не зависящий

от x, x D, такой, что x D и n > N0 S n (x ) − S (x ) < ε, то говорят, что функциональный ряд (1) равномерно сходится в области D.

Весьма удобным для исследования ряда на равномерную сходимость является следующий признак Вейерштрасса.

Теорема 1.

Если члены ряда удовлетворяют неравенствaм f n (x ) ≤ an , n N, x D,

∞

и числовой ряд ∑ an сходится, то ряд (1) равномерно сходится в D.

n= 1

3 5 6

Пример 2. Исследовать на равномерную сходимость ряд

 

 

∞

 

sin nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

1 2

n .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin nx

 

1

 

∞

1

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Очевидно,

n N, x R :

 

 

≤

 

 

ряд

∑

 

 

2

n

2

n

2

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n= 1

 

∞

sin nx

сходится равномерно на R.

 

 

 

сходится. Значит, ряд ∑

2

n

 

 

 

 

n= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если предположить, что члены ряда (1) являются функциями непрерывными в области его сходимости D, то возникает вопрос, будет ли непрерывной его сумма S(x) в D. Ответ дает следующая

Теорема 2.

Если члены функционального ряда (1) являются непрерывными в области D функциями и ряд (1) равномерно сходится в D, то его сумма является функцией, непрерывной в D.

∞

sin nx

является функцией, непрерывной

Например, сумма ряда ∑

 

2

n

n=

1

 

 

 

 

на R.

 

 

 

 

 

 

20. Степенные ряды.

 

 

 

 

 

Функциональный ряд вида

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

c0 + c1(x − a) + c2 (x − a)2 +

... +

cn (x −

a)n + ... = ∑ cn (x − a)n ,

(3)

 

 

 

 

 

n= 0

 

где cn R, n = 0, 1, ... , a R, называется степенным рядом.

 

Числа сo, с1, ... , сn называются коэффициентами степенного ряда (3).

Если а = 0, то ряд (3) имеет вид

 

∞

 

∑ cn x n .

(4)

n= 0

Именно такие степенные ряды будем изучать. Если в (3) положить х – а = у, то придем к ряду вида (4).

Степенной ряд (4) всегда сходится в точке х = 0. Если x ≠ 0, то ряд (4) может сходиться, а может и расходиться.

Важную роль в теории степенных рядов играет следующая теорема.

3 5 7

Теорема 3 (Абеля).

Если степенной ряд (3) сходится в точке x0 ≠ 0, то он сходится

абсолютно в любой точке х,

| x | < | x0 | .

Доказательство.

По условию теоремы числовой ряд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑ cn x0n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=

0

 

 

сходится.

Согласно необходимому условию, lim cn x0n = 0 . Следова-

тельно, последовательность {cn x0n }

n→ ∞

является ограниченной, т.е. M > 0

такое,

что

 

cn x0n

 

≤ Mq n ,

n = 0, 1... .

Пусть х такое, что |x| < |x0|. Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

cn x n

 

≤

 

cn x0n

 

 

 

 

≤

Mq n , n = 0, 1 ...,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где q =

 

 

< 1 . Но ряд

∑ Mq n

 

 

при таких q сходится. Тогда по при-

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n= 0

 

 

 

 

 

∞

знаку сравнения сходится и ряд ∑ cn x n . Теорема доказана.

n= 0

Следствие.

Если в точке x1 ≠ 0 степенной ряд (4) расходится, то он расходится во всех точках х таких, что | x | > | x1|.

Действительно, если бы ряд (4) сходился в точке х, | x | > |x1|, то по теореме Абеля он сходился бы в точке x1, что противоречит условию.

Теорема Абеля и ее следствие дают ясное представление об области сходимости степенного ряда. Для наглядности воспользуемся следующим приемом. Окрасим мысленно в зеленый цвет каждую точку сходимости ряда (4), а в красный цвет – любую точку расходимости ряда

(4). Ясно, что точка х = 0 всегда будет зеленой. Если степенной ряд сходится всюду на R, то вся числовая ось будет зеленой. Если степенной ряд везде расходится, то вся ось, за исключением точки х = 0, будет красной. Если какая-нибудь точка x0 ≠ 0 будет зеленой, то зелеными будут и все точки, лежащие ближе к точке х = 0 по обе стороны от нее. Если какаялибо точка x1 ≠ 0 будет красной, то будут красными все точки, лежащие дальше от точки х = 0 по обе стороны от нее.

3 5 8

Так как каждая точка числовой оси является либо зеленой, либо красной, то, идя от точки х = 0 вправо по числовой оси, сначала будем встречать только зеленые точки, а затем – только красные точки, причем граничная или разделяющая эти разноцветные участки точка R может быть или зеленого, или красного цвета. То же самое можно сказать, если идти налево от точки х = 0, в частности, в точке х = – R ряд может или сходиться, или расходиться (рис. 1).

Рис. 1

Указанное число называется радиусом сходимости ряда (4), интервал (–R, R) – интервалом сходимости. Если ряд (4) сходится только в точке х = 0, то R = 0; если ряд сходится для всех x R , то R = ∞ .

Подчеркнем, что в каждой точке x R ряд (4) будет сходиться абсолютно, в точках x = ± R может сходиться, а может и расходиться.

Теорема 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cn+ 1

 

 

 

 

 

Если существует предел lim

 

 

=

l , то радиус сходимости R

cn

 

1

 

 

1

n→ ∞

 

 

 

 

ряда (3) равен

, т.е. R =

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

cn x n

 

Доказательство.

Рассмотрим ряд

∑

. Применим к нему

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n= 0

 

 

признак Даламбера (см. предыдущую лекцию). Имеем:

 

n+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

cn+ 1x

= lim

cn+

1

 

 

 

x

 

 

= l

 

x

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

cn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→ ∞

cn x

 

 

n→ ∞

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда следует, что если l

 

x

 

< 1 ,

 

x

 

<

, то ряд ∑

cn x n

 

сходится, и

 

 

 

 

 

 

 

 

l

ряд (4) cходится абсолютно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если l|x| > 1, то ряд (4) расходится, так как lim

 

c

n+ 1

x n+ 1

 

= l

 

x

 

>1 и,

 

 

 

 

 

 

cn x

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→ ∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

следовательно, общий член ряда c

xn не стремится к нулю при n → ∞ .

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 5 9

Заметим, что если l = 0, то R = ∞ , если же l = ∞ , то R = 0.

Теорема

5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если существует предел lim n

cn

= l , то радиус сходимости ряда

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

n→

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4)

R =

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство этой теоремы аналогично доказательству теоремы 4.

 

 

Пример 3. Найти радиус сходимости и интервал сходимости сле-

дующих степенных рядов:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

n

 

n

∞

 

n

 

∞

x n

 

∞

 

 

1

 

n2

n

 

 

 

а) ∑

2

 

x

 

; б) ∑ n!x

 

; в)

∑

 

 

; г)

∑

 

1+

 

 

 

(x − 1)

 

.

 

 

 

 

 

n!

n

 

 

 

 

 

 

n= 0

 

 

 

 

n= 0

 

 

n= 0

 

n= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. а) Для отыскания радиуса сходимости в данном слу-

чае применим формулу теоремы 5:

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l =

lim n

cn =

lim n

2n

= lim 2 =

2 ,

R =

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→ ∞

∞

n→ ∞

 

n→

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Степенной ряд

∑ 2n x n

сходится

абсолютно на

интервале

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

n= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

;

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) Здесь воспользуемся формулой теоремы 4:

l = lim

cn+ 1

 

=

lim

(n + 1)!

= lim(n +

1) =

∞ ,

R = 0,

 

cn

 

 

n!

 

n→ ∞

 

 

 

 

n→ ∞

 

n→ ∞

 

 

 

 

 

т.е. степенной ряд сходится только в точке х = 0.

 

в) Поступаем аналогично, как в примере б):

 

l = lim

 

cn+ 1

 

=

lim

 

n!

= lim

1

 

=

0 , R = ∞ ,

 

 

 

 

cn

 

(n + 1)!

n +

1

n→ ∞

 

 

n→ ∞

 

n→ ∞

 

 

 

т.е. ряд сходится на всей числовой прямой (− ∞

, + ∞

).

г) Этот ряд имеет вид (3). Найдем радиус сходимости по формуле

теоремы 5:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 6 0