- •Глава Числовые ряды
- •§ 1. Определение числового ряда и основные теоремы
- •§2. Достаточные признаки сходимости знакопостоянных рядов
- •§3.Знакочередующиеся и знакопеременные ряды
- •§4. Некоторые применения теория числовых рядов
- •Степенные ряды.
- •§ 1 Основные определения
- •§ 2. Степенные ряды
- •§ 4. Приложение степенных рядов
- •§ 5. Тригонометрические ряды Фурье
- •§ 3 Разложение функций в ряды
§3.Знакочередующиеся и знакопеременные ряды
Ряд
с членами произвольных знаков называют
знакопеременным. Ряд называют
знакочередующимся, если любые два его
соседних члена имеют противоположные
знаки. Запись знакочередующегося ряда:
.
Определение 1. Знакопеременный ряд называют абсолютно сходящимся, если сходится ряд, составленный из модулей членов исходного ряда.
Замечание.
§4. Некоторые применения теория числовых рядов
Исследование сходимости несобственных интегралов с бесконечными пределами основано на использовании интегрального признака Коши.
Пример 1. Исследовать
на сходимость
.
Функция
непрерывна и положительна для
.
Составим ряд
.
Он сходится по признаку Даламбера, так
как
.
Из сходимости ряда вытекает сходимость данного интеграла.
Достаточные признаки можно использовать для доказательства равенств вида
.
Пример 2. Доказать,
что
.
Обозначим
,
.
Составим ряд
.
Исследуем его сходимость признаком
Даламбера:
.
Так как ряд с общим
членом
сходится, то
по необходимому признаку сходимости.
Степенные ряды.
§ 1 Основные определения
Пусть на некотором множестве
определена
последовательность функций
.
Определение 1.1.Функциональным рядом называют алгебраическую сумму членов функциональной последовательности:
,
R.
При подстановке в функциональный ряд
фиксированных значений аргумента
получают различные числовые ряды, среди
которых могут оказаться как сходящиеся,
так и расходящиеся
Определение 1.2.Множество всех
значений переменной
,
для которых функциональный ряд
сходится, называют областью сходимости
данного ряда.
Различают области условной и абсолютной сходимости функционального ряда, как и в случае числовых рядов.
Определение 1.3.Функциональный ряд
называют абсолютно сходящимся на
множестве
,
если на этом множестве сходится ряд из
модулей данного ряда
.
Для определения области сходимости
ряда
следует решить одно из функциональных
неравенств:
;
.
Вопрос о сходимости функционального ряда на границе области решается исследованием уже числового ряда на сходимость.
Определение 1.4.Ряд
называют сходящимся в точке
,
если сходится числовой ряд
.
Ряд называют сходящимся на множестве
,
если он сходится в каждой точке этой
области.
Определение 1.5.Частичной суммой
ряда
называют сумму
первых членов ряда:
.
Предел частичных сумм ряда, который
сходится на множестве
,
называют его суммой:
или
.
При этом говорят, что функция разложена
в ряд по функциям
.
Определение 1.6.Сходимость
функционального ряда
в точке
означает, что для любого больше
существует такое натуральное число
,
то при всех
выполняется неравенство
для фиксированного значения
.
§ 2. Степенные ряды
Определение 2.1.Функциональные ряды
вида
,
где
R,
называют степенными рядами. Выполним
замену:
,
получаем степенной ряд вида
.
Исследование его сходимости эквивалентно
исследованию сходимости ряда
,
поэтому далее будем исследовать
сходимость ряда
.
Определение 2.2.Областью сходимости
степенного ряда называют совокупность
тех значений
,
при которых степенной ряд
сходится.
Геометрически областью сходимости могут служить интервалы замкнутые, открытые, полузакрытые или объединения приведенных интервалов.
Число
такое, что при
ряд
сходится, а при
расходится, называют радиусом сходимости
степенного ряда. Интервал
называют
интервалом сходимости. При
ряд (числовой) может, как сходиться,
так и расходиться.
Радиус сходимости степенного ряда
находят по формулам:
;
.
А интервал сходимости – по формулам:
(по
признаку Даламбера);
.
А затем исследуют поведение ряда на границах интервала.
Теорема 2.3. Радиусы сходимости следующих рядов равны между собой:
,
,
.
Теорема
2.4. (Абеля) Если степенной
ряд
сходится
при
,
то оно сходится абсолютно длю всех
,
удовлетворяющих неравенству:
.
Следствие:члены степенного ряда
являются непрерывными функциями, и на
всяком интервале, лежащем внутри
интервала сходимости, сумма ряда является
непрерывной функцией на отрезке
действительной оси.
Замечание. Все изложенное
переносится и на ряд
с помощью замены
.
Теорема 2.5. Пусть
– радиус сходимости степенного ряда
|
|
(1) |
Тогда функция
имеет в интервале
производные всех порядков, и их находят
почленным дифференцированием ряда (1).
Для любых
.
То есть внутри интервала сходимости степенной ряд можно почленно интегрировать.
Замечания:
Степенные ряды, полученные из ряда (1) в результате почленного дифференцирования или интегрирования, имеют тот же радиус сходимости, что и исходный ряд.
Дифференцирование и интегрирование рядов часть используют для нахождения суммы
ряда. Если легко найти сумму ряда из
производных (или интегралов), то
дифференцируя (или интегрируя) ряд с
известной суммой, находят и сумму
исходного ряда.
При дифференцировании ряда несколько раз для нахождения суммы ряда приходится решать некоторое дифференциальное уравнение по найденной линейной зависимости между суммой исходного ряда и её производными.
Дифференцирование и интегрирование рядов используют и для нахождения сумм числовых рядов. Если сумма
функционального ряда найдена, и ряд
сходится при значении
,
то число
является суммой данного числового
ряда.
Пример
1. Найти область сходимости ряда
.
Имеем
степенной ряд. Найдем интервал его
сходимости, используя функциональное
неравенство
.
Выписываем
,
,
откуда

или
,
тогда интервал сходимости ряда:
.
Исследуем поведение ряда в граничных точках интервала:
.
Получаем числовой ряд
.
Он знакочередующийся. Ряд из его модулей
расходится. Поэтому
исходный ряд абсолютно расходящийся.
Исследуем исходный ряд на условную
сходимость. По формуле общего члена
введем функцию непрерывного аргумента
:
.
Найдем
,
функция монотонно убывает для
.
Находим
.
Все условия теоремы Лейбница выполнены,
поэтому ряд условно сходится. То есть
левая граница интервала сходимости
точка
входит в область сходимости исходного
ряда.
.
Тогда имеем ряд
.
Он расходится, то есть правая граничная
точка
,
не входит в область сходимости ряда.
Итак, область сходимости исходного
ряда:
или
.
Пример 2. Найти сумму ряда
.
Обозначим сумму исходного ряда
Находим
,
.
Замечаем:
– это однородное дифференциальное
уравнение второго порядка с постоянными
коэффициентами и начальными условиями:
Для нахождения функции
решаем задачу Коши:
.
Решение ищем в виде:
.
Тогда характеристическое уравнение
имеет вид:



.
Используем начальные условия:
откуда
.
Пример 3. Найти сумму ряда
.
Сделаем замену переменной
.
Тогда имеем ряд
.
Почленно его интегрируем:
–
геометрическая
прогрессия при
,
её сумму обозначим через
.
Тогда
,
откуда сумма исходного ряда
в области
или
.


