Признак Лейбница.
Пусть
-
ряд
имеет
вид
(знакочередующийся,
) -
последовательность
монотонно
убывает -

Тогда 1) ряд
сходится
2)
![]()
Доказательство. Рассмотрим последовательность частичных сумм с четными номерами
(последовательность
монотонно убывает по условию теоремы).
![]()
Т.е. последовательность
ограничена сверху
.
![]()
Т.е. последовательность
монотонно
возрастает.
По теореме Вейерштрасса существует
.
Рассмотрим теперь последовательность частичных сумм с нечетными номерами
.
По условию
,
т.е.
.
По доказанному выше
.
Следовательно, предел правой части
равенства существует и равен
.
Поэтому предел левой части равенства
тоже существует и равен
.
Раскроем определение предела
как для четных n, так и для
нечетных n. Следовательно,
это справедливо для любых
,
поэтому
.
Из доказанного выше неравенства
.
Переходя к пределу, получим
.
Следствие.
.
Остаток ряда оценивается модулем
первого отброшенного члена ряда.
Доказательство. Так как остаток знакочередующегося ряда тоже знакочередующийся ряд, то его сумма по признаку Лейбница оценивается модулем его первого члена.
То есть
.
А первый член остатка ряда и есть первый
отброшенный член.
Пример. Ряд
![]()
.
Ряд сходится по признаку Лейбница. Ряд
из модулей – расходящийся гармонический
ряд. Следовательно, ряд сходится условно.
![]()
. Функциональные ряды.
18.2.1. Основные определения. Пусть
дана бесконечная последовательность
функций
.
независимой переменной х, имеющих
общую область определения D.
Ряд
![]()
называется функциональным рядом.
Примеры: 1.
;
2.
;
3.
.
Для каждого значения
функциональный ряд превращается в
числовой ряд, сходящийся или расходящийся.
Так, первый из примеров - геометрическая
прогрессия со знаменателем х,
этот ряд сходится при х=1/2 и
расходится при х=2.
Определение. Значение
,
при котором функциональный ряд сходится,
называется точкой сходимости
функционального ряда. Множество всех
точек сходимости функционального ряда
называется областью сходимости
этого ряда. Область сходимости обозначим
.
Так, для первого из приведённых примеров
область сходимости - интервал (-1, 1); для
второго - ряда Дирихле - область сходимости
- полуось х>0; третий ряд абсолютно
сходится в любой точке х, так
как при любом х справедливо
;
следовательно, область сходимости
третьего ряда
).
Для каждого
мы получаем сходящийся числовой ряд,
свой для каждого х, поэтому сумма
функционального ряда есть функция
,
определённая на области
.
Так, для первого примера, как мы знаем,
,
т.е.
на интервале
(-1, 1); вне этого интервала равенство не
имеет места; так, в точке х=2 ряд
расходится, а
.
Сумма второго ряда - знаменитая функция
Римана
,
определённая на полуоси
;
эта функция играет важную роль в теории
чисел. Сумма третьего ряда, как мы увидим
дальше при изучении рядов Фурье, равна
функции периода
,
получающаяся в результате периодического
повторения функции
,
определённой на отрезке
,
по всей числовой оси.
Коль скоро мы осознали, что сумма
функционального ряда - функция, встаёт
вопрос о свойствах этой функции. Так,
члены ряда могут иметь свойства
непрерывности, дифференцируемости,
интегрируемости и т.д. Будет ли обладать
этими свойствами сумма ряда? То, что это
не праздный вопрос, показывает следующий
пример. Пусть
,
,
,
,
…,
,
…. Ряд
состоит из непрерывных членов, найдём
его область сходимости и сумму. Частичная
сумма ряда
.
Последовательность
при
имеет конечный предел только, если
(это и есть область сходимости ряда),
при этом
Таким образом, для ряда, члены которого
- непрерывные функции, мы получили
разрывную на области сходимости сумму.
Сумма ряда сохраняет хорошие свойства своих членов в том случае, если ряд сходится равномерно.
18.2.2. Равномерная сходимость
функционального ряда. Факт сходимости
ряда
к своей сумме
в точке сходимости х означает,
в соответствии с определением предела,
то, что для любого числа
существует такое натуральное N,
что при n>N
верно
.
Здесь
- частичная сумма ряда в точке х.
Число N зависит,
естественно, от
,
но оно зависит и от х, т.е.
.
В некоторых точках области сходимости
ряд может сходиться к своей сумме быстро,
т.е. неравенство
будет выполняться при не очень больших
значениях N, в
других точках эта сходимость может быть
медленной. Если ряд сходится к своей
сумме примерно с одинаковой скоростью
во всех точках х, то сходимость
называется равномерной. Более точно,
говорят, что ряд
сходится равномерно на области G,
если для любого числа
существует такое натуральное число
,
одно и то же для всех точек
,что
при n>N
выполняется неравенство
(или, что тоже самое,
,
где
- остаток ряда после n-го
члена).
Понятие
равномерной сходимости - одно из
фундаментальных понятий функционального
анализа. Именно равномерная сходимость
обеспечивает сохранение суммой ряда
хороших свойств своих членов. Чтобы
осознать смысл и значение этого понятия,
требуется время, которого у нас, к
сожалению, нет. К счастью, имеется простой
и понятный достаточный признак равномерной
сходимости - признак Вейерштрасса.
Признак Вейерштрасса. Если существует
такой положительный сходящийся числовой
ряд
,
что члены функционального ряда
в любой точке
удовлетворяют неравенству
,
то функциональный ряд сходится равномерно
в области G.
х
,
называется мажорирующим рядом, или
мажорантой функционального ряда;
про функциональный ряд говорят, что он
мажорируется числовым рядом.
Рассмотрим
примеры, приведённые в начале раздела.
Геометрическая прогрессия
равномерно сходится на любом отрезке
,
целиком лежащем в области сходимости
(-1,1). Действительно, построим мажоранту
для геометрической прогрессии на
.
Из чисел а, b
выберем большее по модулю. Пусть,
например,
.
Тогда для любого
выполняется
.
Таким образом, сходящийся (так как
)
числовой ряд
мажорирует на
функциональный ряд
,
откуда, по признаку Вейерштрасса, следует
равномерная сходимость этого
функционального ряда.
Ряд
равномерно сходится на любой полуоси
,
так как на этом множестве он мажорируется
рядом
.
Ряд
равномерно сходится на всей числовой
оси (мажоранта для этого ряда уже получена
- это ряд
).
