Знакозмінні та знакопостійні ряди Абсолютна та умовна збіжність

Знакозмінні та знакопостійні ряди.

Абсолютна та умовна збіжність.

План.

Означення закономірного ряду.
Теорема Коші.
Абсолютна та умовна збіжність.

Л-ра: Методичні вказівки до вивчення теми “Ряди”. Укладачі: В.О.Борисенко, В.В.Левчук, В.С.Мартиненко, В.Д.Подільчук. КДТЕУ. К, 1992 р. ст. 16-19.

Теорема. Якщо в ряді з додатними членами загальний член, починаючи з певного значення п, задовольняє нерівність де q – стале число, менше за одиницю, то ряд збігається.

Коли ж навпаки, починаючи з певного значення п, маємо то ряд розбігається.

Доведення. У першому випадку маємо, починаючи з певного значення п,

Отже, збіжність ряду й тут безпосередньо встановлюється порівнянням із спадною геометричною прогресією, знаменник якої q. Варто зауважити, що нерівність

характеризує при цьому “швидкість” збіжностей даного ряду порівняно з геометричною прогресією.

В другому випадку матимемо з певного моменту , отже, ряд напевне, розбігається, бо навіть основна необхідна умова збіжності не виконується.

Наслідок. Якщо існує , то при r < 1 ряд напевне збігається. Випадок r = 1 і тут взагалі є сумнівний.

Доведення.

Взявши u тут якесь число q, проміжне між r та 1 (), ми з певного моменту матимемо – в першому випадку:

Отже, ряж збігається; а в другому: отже, ряд розбігається.

Часто питання про збіжність ряду, що має члени як додатні, так і від’ємні, можна звести до питання про збіжність знакододатного ряду. Розглянемо таку теорему.

Теорема. Ряди напевне збігається, якщо збігається ряд

Доведення. Для кожного можна знайти таке , при якому для і при буде:

Але тоді й поготів

Але це й доводить теорему.

Означення. Збіжний ряд називається абсолютно збіжним. Якщо збігається також і ряд

Розглянемо, наприклад, ряд

(1)

Він ні знакододатний, ні знакозмінний. Ряд

(2)

є знакододатний. Порівнюючи його з рядом

(3)

маємо

Ряд (3) збіжний, як ряд Діріхле-Рімана при , отже, збіжним є ряд (2). Тоді за доведеною теоремою і за означенням ряд (1) є абсолютно збіжним.

Оскільки ряд, члени якого – абсолютні значення членів будь-якого ряду є знако-додатний, то, очевидно, щоб дослідити, чи будь-який ряд є абсолютно збіжним, ми можемо використовувати ознаки збіжності, виведені для знакододатних рядів, замінивши у відповідних виразах члени даного ряду їх абсолютними значеннями. Так, ознака Даламбера збіжності ряду запишеться тоді у вигляді ознака Коші – у вигляді: і т.п.

Означення. Якщо ряд (*) збіжний, а ряд розбіжний, то даний ряд (*) називається умовно збіжним.

Отже, ряд

умовно збіжний,

Так само ряд

умовно збіжний, бо ряд

є ряд Діріхле-Рімана, в якому

Знакочергуючі ряди. Ознака Лейбніца.

План.

Означення знакочергуючого ряду.
Ознака Лейбніца.
Оцінка залишку знакочергуючого ряду, збіжного за ознакою Лейбніца.

Означення. Знакозмінними рядами називаються ряди виду:

де - додатні числа.

Теорема Лейбніца. Якщо в знакозмінному ряді абсолютне значення загального члена монотонно прямує до нуля (тобто до того ж ), тоді знакозмінний ряд збігається, причому сума його має числове значення, проміжне між нулем та першим членом

Доведення. Розглянемо спочатку частинну суму парного порядку , причому запишемо її в двох різних виглядах:

1 .

Помічаємо, що чим більше К, тим більше пар, але кожна пара додатна, отже, монотонно зростає при збільшенні К.

З другого боку

Бачимо, що < , для всіх значень k > 1. Отже, обмежена зверху.

Зіставляючи обидва факти, приходимо до висновку, що величина монотонна і разом з тим обмежена змінна, том вона, прямує до певної скінченої границі , при чому ця границя, очевидно, більша за а₁ – а₂ і не перевищує а₁:

а₁ – а₂ < < а₁.

Отже, напевне 0 < < а₁.

Розглядаючи вже тепер частинну суму непарного порядку ₊₁, маємо:

= + а_2к+1.

Отже,

Остаточно приходимо до висновку, що існує єдина границя:

(0 < S < a₁),

коли індекс n – будь-яке натуральне число як парне, так і непарне, що доводить теорему.

Наслідок. За умовою теореми Лейбніца остаточна S – S_n = r_n менша за абсолютним значенням, ніж абсолютне значення першого з відкинутих членів:

, і має знак цього члена.

Доведення. Маємо:

Ряд в останніх дужках сам по собі є знакозмінний і задовольняє теорему Лейбніца, тому

причому

Отже, якщо перший з відкинутих членів непарний, то представляє S з недостачею. Похибка має знак плюс. Якщо ж перший відкинутий член – парний, то , представляє S з надлишком. Похибка має знак мінус. В обох випадках, як бачимо, похибка має знак першого відкинутого члена і менша за абсолютним значенням, ніж абсолютне значення першого з відкинутих членів.

Диференціювання та інтегрування

степеневих рядів.

План.

1. Знаходження сум степеневих рядів використовуючи почленне диференціювання та інтегрування.

Л-ра: Методичні вказівки до вивчення теми “Ряди.” Укладачі: В.О.Борисенко, В.В.Левчук, В.С.Мартиненко, В.Д. Подільчук. КДТЕУ.К., 1992 р. ст. 22-23.

Диференціювання степеневих рядів.

Теорема. Якщо степеневий ряд

(1)

має інтеграл збіжності (-р, р), то ряд

, (2)

утворений по членним диференціюванням ряду (1), має той самий інтервал збіжності (-р, р) і його сумою в цьому інтервалі є функція .

Доведення. Покажемо раніш, що коли ряд (1) збігається при певному значенні , то на кожному сегменті , де , ряд (2) збігається абсолютно й рівномірно.

Для цього, досить виявити збіжність ряду

(3)

що відіграватиме роль мажоруючого ряду.

Позначаючи , де , і беручи до уваги, що , маємо

де . Застосуємо до ряду

(4)

ознаку Даламбера:

Отже, ряд (4) збіжний, а тому збіжним є ряд (3). Звідси, випливає, що ряд (2) збігається абсолютно при кожному значені х інтервалу (-р, р), тобто інтервалу збіжності ряду (1). Якщо позначити, радіус збіжності ряду (2) через р’, то ми довели, що рр’.

Доведемо тепер, що р’ не може бути ц більшим за р.

Справді, в усякій точці х, в якій абсолютно збігається ряд (2), збігається також і ряд

а оскільки , то даний степеневий ряд (1) збігається абсолютно в точці х. Отже,

З нерівностей і випливає що . Беручи до уваги теорему про диференціювання функціональних рядів, приходимо до висновку, що сума ряду (1) в усіх точках в середині спільного інтервалу збіжності рядів (1) і (2), тобто .

Теорему доведено.

Оскільки ми можемо застосувати доведену теорему і до про диференційованого ряду, а далі знову її застосувати і т.д., то можна зробити висновок про те, що сума степеневого ряду f(x) в інтервалі збіжності має похідні будь-якого порядку. Похідна f⁽^k⁾(x) дорівнює сумі ряду, утвореного k-кратним поленим диференціюванням даного степеневого ряду.

Інтегрування степеневих рядів.

Теорема. Степеневий ряд

(5)

з радіусом збіжності р можна почленно інтегрувати на будь-якому сегменті [-k, k], що міститься в інтервалі збіжності (-р, р) ряду (5), зокрема в інтервалі (-р, р):

(6)

і радіус збіжності ряду (6) дорівнює р.

Доведення. На будь-якому сегменті [-k, k], що міститься в інтервалі (-р, р), ряд (5) збігається рівномірно, звідси й випливає можливість його почленного інтегрування. Доведено далі, що радіус збіжності ряду (6) дорівнює р. Згідно з загальною теоремою про інтегрування рядів функцій ряд (6) збігається рівномірно й абсолютно для всякого /х/ < р. Отже, радіус збіжності утвореного ряду не менший р. але він не може бути й більшим за р. це видно з того, що почленно про диференціювавши його, ми приходимо до даного степеневого ряду, а за теоремою про диференціювання степеневих рядів радіуси їх збіжності повинні бути однакові. Теорему доведено.