- •Ряды для чайников. Примеры решений
- •Сходимость числовых положительных рядов Необходимый признак сходимости ряда
- •Признаки сходимости рядов. Признак Даламбера. Признаки Коши
- •Радикальный признак Коши
- •Знакочередующиеся ряды. Признак Лейбница. Примеры решений
- •Функциональные ряды. Степенные ряды. Область сходимости ряда
- •Разложение функций в степенные ряды. Ряд Тейлора. Ряд Маклорена. Примеры решений
Функциональные ряды. Степенные ряды. Область сходимости ряда
Смех без причины – признак Даламбера
Вот и пробил час функциональных рядов. Для успешного освоения темы, и, в частности, этого урока, нужно хорошо разбираться в обычных числовых рядах. Следует хорошо понимать, что такое ряд, уметь применять признаки сравнения для исследования ряда на сходимость. Таким образом, если Вы только-только приступили к изучению темы или являетесь чайником в высшей математике, необходимо последовательно проработать три урока: Ряды для чайников, Признак Даламбера. Признаки Коши и Знакочередующиеся ряды. Признак Лейбница. Обязательно все три! Если есть элементарные знания и навыки решения задач с числовыми рядами, то справиться с функциональными рядами будет довольно просто, поскольку нового материала не очень и много.
На данном уроке мы рассмотрим понятие функционального ряда (что это вообще такое), познакомимся со степенными рядами, которые встречаются в 99%-ах практических заданий, и научимся решать распространенную типовую задачу на нахождение радиуса сходимости, интервала сходимости и области сходимости степенного ряда. Далее можно будет рассмотреть материал о сумме степенного ряда и разложении функций в степенные ряды.
Понятие функционального ряда и степенного ряда
Обычный числовой ряд, вспоминаем, состоит из чисел:
Все члены ряда – это ЧИСЛА.
Функциональный же ряд состоит из ФУНКЦИЙ:
В
общий член ряда
помимо
многочленов, факториалов и других
подарков непременновходит
буковка «икс». Выглядит это, например,
так:
.
Как и числовой ряд, любой функциональный
ряд можно расписать в развернутом
виде:
Как
видите, все члены функционального
ряда
–
это функции.
Наиболее популярной разновидностью функционального ряда является степенной ряд.
Определение:
Степенной
ряд –
это ряд, в общий член
которого
входят целые
положительные степени независимой
переменной
.
Упрощенно степенной ряд во многих
учебниках записывают так:
,
где
–
это старая знакомая «начинка» числовых
рядов (многочлены, степени, факториалы,
зависящие только
от «эн»).
Простейший пример:
Посмотрим
на это разложение и еще раз осмыслим
определение: члены степенного ряда
содержат «иксы» в целых
положительных (натуральных)
степенях.
Очень часто степенной
ряд можно встретить в следующих
«модификациях»:
или
,
где
–
константа. Например:
Строго
говоря, упрощенные записи степенного
ряда
,
или
не
совсем корректны. В показателе степени
вместо одинокой буквы «эн» может
располагаться более сложное выражение,
например:
Или
такой степенной ряд:
Лишь бы показатели степеней при «иксАх» были натуральными.
Сходимость степенного ряда. Интервал сходимости, радиус сходимости и область сходимости
Не нужно пугаться такого обилия терминов, они идут «рядом друг с другом» и не представляют особых сложностей для понимания. Лучше выберем какой-нибудь простой подопытный ряд и сразу начнём разбираться.
Прошу
любить и жаловать степенной ряд
.
Переменная
может
принимать любое
действительное значение от
«минус бесконечности» до «плюс
бесконечности». Подставим в общий член
ряда несколько произвольных значений
«икс»:
Если
,
то
Если
,
то
Если
,
то
Если
,
то
И
так далее.
Очевидно,
что, подставляя в
то
или иное значение «икс», мы получаем
различные числовые ряды. Некоторые
числовые ряды будут сходиться, а некоторые
расходиться. И наша задача найти
множество значений «икс»,
при котором степенной ряд
будетсходиться.
Такое множество и называется областью
сходимости ряда.
Для любого степенного ряда (временно отвлекаемся от конкретного примера) возможны три случая:
1)
Степенной ряд сходится
абсолютно на
некотором интервале
.
Иными словами, если мы выбираем любое
значение «икс» из интервала
и
подставляем его в общий член степенного
ряда, то у нас получается абсолютно
сходящийся числовой
ряд. Такой интервал
и
называется интервалом
сходимости степенного ряда.
Радиус
сходимости,
если совсем просто, это половина
длины интервала
сходимости:
Геометрически ситуация выглядит так:
В
данном случае, интервал сходимости
ряда:
,
радиус сходимости ряда:
Широко распространен тривиальный случай, когда интервал сходимости симметричен относительно нуля:
>
Здесь
интервал сходимости ряда:
,
радиус сходимости ряда:
А
что будет происходить на концах
интервала
?
В точках
,
степенной
рядможет,
как сходиться, так и расходится,
и для выяснения этого необходимо
проводить дополнительное исследование.
После такого исследования речь идёт
уже об области
сходимости ряда:
– Если установлено, что степенной ряд расходится на обоих концах интервала, то область сходимости ряда совпадает с интервалом сходимости:
– Если
установлено, что степенной ряд сходится
на одном конце интервала и расходится
на другом, то область
сходимости ряда представляет
собой полуинтервал:
или
.
– Если
установлено, что степенной ряд сходится
на обоих концах интервала, то область
сходимости ряда представляет
собой отрезок:
Термины очень похожи, область сходимости ряда – это чуть более детализированныйинтервал сходимости ряда.
С двумя оставшимися случаями всё короче и проще:
2)
Степенной ряд сходится
абсолютно при любом значении
.
То есть, какое бы значение «икс» мы не
подставили в общий член степенного ряда
– в любом случае у нас получитсяабсолютно
сходящийся числовой
ряд. Интервал сходимости и область
сходимости в данном случае совпадают:
.
Радиус сходимости:
.
Рисунок приводить не буду, думаю, нет
необходимости.
3)
Степенной ряд сходится в единственной
точке. Если ряд имеет вид
,
то он будет сходиться в единственной
точке
.
В этом случае интервал сходимости и
область сходимости ряда тоже совпадают
и равны единственному числу – нулю:
.
Если ряд имеет вид
,
то он будет сходиться в единственной
точке
,
если ряд имеет вид
,
то, понятно, – в точке «минус а». Радиус
сходимости ряда во всех случаях,
естественно, нулевой:
.
Других вариантов нет. Область сходимости степенного ряда – это всегда либо единственная точка, либо любое «икс», либо интервал (возможно полуинтервал, отрезок). Подчеркиваю, что данная классификация справедлива для степенных рядов. Для произвольного функционального ряда она в общем случае является неверной.
Исследование степенного ряда на сходимость
После небольшой порции теоретического материала переходим к рассмотрению типового задания, которое практически всегда встречается на зачетах и экзаменах по высшей математике.
Пример 1
Найти область сходимости степенного ряда
Задание часто формулируют эквивалентно: Найти интервал сходимости степенного ряда и исследовать его сходимость на концах найденного интервала.
Алгоритм решения довольно прозрачен и трафаретен.
На
первом этапе находим интервал сходимости
ряда. Почти всегда необходимо использовать
признак Даламбера и находить предел
.
Технология применения признака Даламбера
точно такая же, как и для числовых рядов,
с ней можно ознакомиться на урокеПризнак
Даламбера. Признаки Коши.
Единственное отличие – все дела у нас
происходят под знаком модуля.
Итак,
решаем наш предел:
(1) Составляем отношение следующего члена ряда к предыдущему.
(2) Избавляемся от четырехэтажности дроби.
(3) В числителе по правилу действий со степенями «отщипываем» один «икс». В знаменателе возводим двучлен в квадрат.
(4)
Выносим оставшийся «икс» за знак предела,
причем, выносим его вместе со знаком
модуля. Почему со знаком модуля? Дело в
том, что наш предел
и
так будет неотрицательным, а вот «икс»
вполне может принимать отрицательные
значения. Поэтому модуль относится
именно к нему.
Кстати,
почему
можно
вообще вынести за знак предела? Потому-что
«динамической» переменной в пределе у
нас является «эн», и от этого нашему
«иксу» ни жарко не холодно.
(5) Устраняем неопределенность стандартным способом.
После того, как предел найден, нужно проанализировать, что у нас получилось.
Если
в пределе
получается ноль,
то алгоритм решения заканчивает свою
работу, и мы даём окончательный ответ
задания: «Область сходимости степенного
ряда:
»
(любое действительное число – случай
№2 предыдущего параграфа). То есть,
степенной ряд сходится при любом значении
«икс». Ответ можно записать эквивалентно:
«Ряд сходится при
»
(значок
в
математике обозначает принадлежность).
Если
в пределе
получается бесконечность,
то алгоритм решения также заканчивает
свою работу, и мы даём окончательный
ответ задания: «Ряд сходится при
»
(или при
либо
»).
Смотрите случай №3 предыдущего параграфа.
Если в пределе получается не ноль и не бесконечность, то у нас самый распространенный на практике случае №1 – ряд сходится на некотором интервале.
В
данном случае предел равен
.
Как найти интервал сходимости ряда?
Составляем неравенство:
В ЛЮБОМ задании данного типа в левой части неравенства должен находиться результат вычисления предела, а в правой части неравенства – строго единица. Я не буду объяснять, почему именно такое неравенство и почему справа единица. Уроки носят практическую направленность, и уже достаточно того, что я пересказал своими словами несколько теорем.
Теперь
раскрываем модуль по школьному
правилу:
.
В
данном случае:
–
интервал сходимости исследуемого
степенного ряда.
Половина пути позади.
На втором этапе необходимо исследовать сходимость ряда на концах найденного интервала.
Сначала берём левый конец интервала и подставляем его в наш степенной ряд :
При
Получен числовой ряд, и нам нужно исследовать его на сходимость (уже знакомая из предыдущих уроков задача).
Используем
признак Лейбница:
1) Ряд является
знакочередующимся.
2)
–
члены ряда убывают по модулю.
Вывод: ряд сходится.
Исследуем
ряд на абсолютную сходимость:
–
сходится (случай обобщенного гармонического
ряда).
Таким образом, полученный числовой ряд сходится абсолютно.
Далее рассматриваем правый конец интервала , подставляем это значение в наш степенной ряд :
При
–
сходится.
Таким образом, степенной ряд сходится на обоих концах найденного интервала.
Ответ: Область
сходимости исследуемого степенного
ряда:
Имеет
право на жизнь и другое оформление
ответа: Ряд сходится, если
Иногда
в условии задачи требуют указать радиус
сходимости. Очевидно, что в рассмотренном
примере
.
Пример 2
Найти
область сходимости степенного ряда
Решение: Найдем интервал сходимости данного ряда. Используем признак Даламбера:
Составляем
стандартное неравенство:
Ряд
сходится при
Слева нам
нужно оставить только
,
поэтому умножаем обе части неравенства
на 3:
И
раскрываем модуль по школьному
правилу
:
–
интервал сходимости исследуемого
степенного ряда.
Исследуем
сходимость степенного ряда на концах
найденного интервала.
1) При
Обратите
внимание,
что при подстановке значения
в
степенной ряд
у
нас сократилась степень
.
Это верный признак того, что мы правильно
нашли интервал сходимости ряда.
Исследуем полученный числовой ряд на сходимость.
Используем
признак Лейбница.
– Ряд является
знакочередующимся.
–
–
члены ряда убывают по модулю.
Вывод:
Ряд сходится.
Исследуем
ряд на абсолютную сходимость:
Сравним
данный ряд с расходящимся рядом
.
Используем
предельный признак сравнения:
Получено
конечное число, отличное от нуля, значит,
ряд
расходится
вместе с рядом
.
Таким
образом, ряд
сходится
только условно.
2)
При
–
расходится (по доказанному).
Ответ: Область
сходимости исследуемого степенного
ряда:
.
При
ряд
сходится только условно.
В рассмотренном примере областью сходимости степенного ряда является полуинтервал, причем во всех точках интервала степенной ряд сходится абсолютно (см. предыдущий параграф), а в точке , как выяснилось – сходится только условно.
Пример 3
Найти
интервал сходимости степенного ряда и
исследовать его сходимость на концах
найденного интервала
Это пример для самостоятельного решения.
Рассмотрим пару примеров, которые встречаются редко, но встречаются.
Пример 4
Найти
область сходимости ряда:
Решение: Найдем
интервал сходимости данного ряда.
Используем признак Даламбера:
(1) Составляем отношение следующего члена ряда к предыдущему.
(2) Избавляемся от четырехэтажности дроби.
(3)
Кубы
и
по
правилу действий со степенями подводим
под единую степень. В числителе хитро
раскладываем степень
,
т.е. раскладываем таким образом, чтобы
на следующем шаге сократить дробь на
.
Факториалы расписываем подробно.
(4)
Под кубом почленно делим числитель на
знаменатель, указывая, что
.
В дроби сокращаем всё, что можно сократить.
Множитель
выносим
за знак предела, его можно вынести,
поскольку в нём нет ничего, зависящего
от «динамической» переменной «эн».
Обратите внимание, что знак модуля не
нарисован – по той причине, что
принимает
неотрицательные значения при любом
«икс».
В пределе получен ноль, а значит, можно давать окончательный ответ:
Ответ: Ряд сходится при
А сначала-то казалось, что этот ряд со «страшной начинкой» будет трудно решить. Ноль или бесконечность в пределе – почти подарок, ведь решение заметно сокращается!
Пример 5
Найти
область сходимости ряда
Это пример для самостоятельного решения. Будьте внимательны ;-) Полное решение ответ в конце урока.
Рассмотрим еще несколько примеров, содержащих элемент новизны в плане использования технических приемов.
Пример 6
Найти
интервал сходимости ряда и исследовать
его сходимость на концах найденного
интервала
Решение: В
общий член степенного ряда входит
множитель
,
обеспечивающий знакочередование.
Алгоритм решения полностью сохраняется,
но при составлении предела
мы
игнорируем (не пишем) этот множитель,
поскольку модуль уничтожает все «минусы».
Найдем
интервал сходимости данного ряда.
Используем признак Даламбера:
Составляем
стандартное неравенство:
Ряд сходится
при
Слева нам
нужно оставить только
модуль,
поэтому умножаем обе части неравенства
на 5:
Теперь
раскрываем модуль уже знакомым способом:
В
середине двойного неравенства нужно
оставить только «икс», в этих целях из
каждой части неравенства вычитаем 2:
–
интервал
сходимости исследуемого степенного
ряда.
Исследуем сходимость ряда на концах найденного интервала:
1)
Подставляем значение
в
наш степенной ряд
:
Будьте
предельно внимательны, множитель
не
обеспечивает знакочередование, при
любом натуральном «эн»
.
Полученный минус выносим за пределы
ряда и забываем про него, поскольку он
(как и любая константа-множитель) никак
не влияет на сходимость или расходимость
числового ряда.
Еще раз заметьте, что в ходе подстановки значения в общий член степенного ряда у нас сократился множитель . Если бы этого не произошло, то это бы значило, что мы либо неверно вычислили предел, либо неправильно раскрыли модуль.
Итак,
требуется исследовать на сходимость
числовой ряд
.
Здесь проще всего использовать предельный
признак сравнения и сравнить данный
ряд с расходящимся гармоническим рядом.
Но, если честно, предельный признак
сравнения до ужаса мне надоел, поэтому
внесу некоторое разнообразие в решение.
Используем
интегральный признак.
Подынтегральная
функция непрерывна на
.
Таким
образом, полученный числовой ряд
расходится вместе с соответствующим
несобственным интегралом.
2)
Исследуем второй конец интервала
сходимости.
При
Используем
признак Лейбница:
– Ряд является
знакочередующимся.
–
–
члены ряда не убывают по модулю.
Вывод:
ряд сходится
Рассматриваемый
числовой ряд не является абсолютно
сходящимся поскольку
–
расходится (по доказанному).
Ответ:
–
область сходимости исследуемого
степенного ряда, при
ряд
сходится только условно.
Пример 7
Найти
интервал сходимости ряда и исследовать
его сходимость на концах найденного
интервала
Это пример для самостоятельного решения.
Кто утомился, может сходить покурить, а мы рассмотрим еще два примера.
Пример 8
Найти
интервал сходимости ряда и исследовать
его сходимость на концах найденного
интервала
Решение: Найдем
интервал сходимости данного ряда.
Используем признак Даламбера:
Предел
по
той причине, что числитель и
знаменатель одного
порядка роста.
Более подробно об этом моменте и
«турбо»-методе решения читайте в
статьеПризнак
Даламбера. Признаки Коши.
Итак,
ряд сходится при
Умножаем
обе части неравенства на 9:
Извлекаем
из обеих частей корень, при этом помним
старый школьный прикол
:
Раскрываем
модуль:
И
прибавляем ко всем частям единицу:
–
интервал
сходимости исследуемого степенного
ряда.
Исследуем сходимость степенного ряда на концах найденного интервала:
1)
Если
,
то получается следующий числовой ряд:
Множитель бесследно пропал, поскольку при любом натуральном значении «эн» .
И
в третий раз обращаю внимание на
то, что в результате подстановки
сократились степени
,
а значит, интервал сходимости найден
правильно.
По
всем признакам для полученного числового
ряда
следует
применить предельный признак сравнения.
Какой ряд подобрать для сравнения? Об
этой методике я уже рассказывал на
уроке Ряды
для чайников.
Повторим.
Определяем
старшую степень знаменателя, для этого
мысленно или на черновике отбрасываем
под корнем всё, кроме самого старшего
слагаемого:
.
Таким образом, старшая степень знаменателя
равна
.
Старшая степень числителя, очевидно,
равна 1. Из старшей степени знаменателя
вычитаем старшую степень числителя:
.
Таким
образом, наш ряд нужно сходить со
сходящимся рядом
.
Используем
предельный признак сравнения:
Получено
конечное, отличное от нуля число, значит,
ряд
сходится
вместе с рядом
.
2)
Что происходит на другом конце
интервала?
При
–
сходится.
А вот и вознаграждение за мучения в предыдущем пункте! Получился точно такой же числовой ряд, сходимость которого мы только что доказали.
Ответ: область
сходимости исследуемого степенного
ряда:
Чуть менее сложный пример для самостоятельного решения:
Пример 9
Найти
область сходимости ряда
Достаточно для начала =)
В
заключение остановлюсь на одном моменте.
Во всех примерах мы использовали признак
Даламбера и составляли предел
.
Всегда ли при решении заданий такого
типа нужно применять признак Даламбера?
Почти всегда. Однако в редких случаях
невероятно выгодно использовать
радикальный признак Коши и составлять
предел
,
при этом техника и алгоритм решения
задачи остаются точно такими же! Что
это за случаи? Это те случаи, когда из
общего члена степенного ряда «хорошо»
(полностью) извлекается корень «энной»
степени.
Следующий урок по теме – Разложение функций в степенные ряды. Примеры решений.
Желаю успехов!
Решения и ответы:
Пример
3: Решение: Найдем
интервал сходимости данного ряда.
Используем признак Даламбера:
Ряд
сходится при
Слева
нужно оставить только модуль, поэтому
умножаем обе части неравенства на
7
–
интервал сходимости исследуемого
степенного ряда.
Исследуем
сходимость ряда на концах найденного
интервала.
1)
При
Используем
признак Лейбница.
–
Ряд является знакочередующимся.
–
члены ряда не убывают по модулю.
Вывод:
Ряд расходится
2)
При
Ряд
расходится, так как не выполнен необходимый
признак сходимости ряда.
Ответ:
–
область сходимости исследуемого
степенного ряда
Пример
5: Решение: Найдем
интервал сходимости данного ряда.
Используем признак Даламбера:
Ответ: Ряд
сходится при
Почему получилась двойка, а не ноль? Перечитайте классификацию области сходимости степенного ряда. Хотя, наверное, многие уже понимают, почему.
Пример
7: Решение: Найдем
интервал сходимости данного ряда.
Используем признак Даламбера:
Ряд
сходится при
Слева
нужно оставить только модуль, умножаем
обе части неравенства на
:
В
середине нужно оставить только «икс»,
вычитаем из каждой части неравенства
3:
–
интервал сходимости исследуемого
степенного ряда.
Исследуем
сходимость ряда на концах найденного
интервала:
1)
При
Степень
сократилась,
значит, мы на верном пути.
Используем
признак Лейбница.
Ряд
является знакочередующимся.
–
члены ряда не убывают по модулю.
Ряд
сходится по признаку Лейбница.
Исследуем
ряд на абсолютную сходимость:
Используем
интегральный признак.
Подынтегральная
функция непрерывна на
.
Таким
образом, ряд
расходится
вместе с соответствующим несобственным
интегралом. Ряд
сходится
только условно.
2)
При
–
расходится (по доказанному).
Ответ: Область
сходимости исследуемого степенного
ряда:
,
при
ряд
сходится только условно.
Область
сходимости окончательно можно записать
так:
,
или даже так:
.
Примечание:
Ряд
можно
было исследовать на сходимость с помощью
предельного признака сравнения.
Пример
9: Решение: Найдем
интервал сходимости данного ряда.
Используем признак Даламбера:
Ряд
сходится при
–
интервал сходимости исследуемого
степенного ряда.
Исследуем
сходимость ряда на концах найденного
интервала.
1)
При
Сравним
данный ряд с расходящимся гармоническим
рядом
.
Используем предельный признак
сравнения.
Получено
конечное число, отличное от нуля, значит,
полученный числовой ряд расходится
вместе с гармоническим рядом.
2)
При
–
расходится (по доказанному).
Ответ: область
сходимости исследуемого степенного
ряда:
