Признак сравнения сходимости рядов в форме неравенств
Формулировка
Пусть даны два ряда с неотрицательными членами:
Если, начиная с какого-то номера [latex]N\varepsilon \mathbb{N}[/latex] [latex]\forall n>N[/latex] выполняется неравенство [latex]0\leq a_{n}\leq b_{n}[/latex], тогда:
- Из сходимости ряда [latex](B)[/latex] следует сходимость ряда [latex](A)[/latex].
- Из расходимости ряда [latex](A)[/latex] следует расходимость ряда [latex](B)[/latex].
Доказательство
- [latex](A)[/latex] и [latex](B)[/latex] — ряды с неотрицательными членами. Частичные суммы рядов [latex](A)[/latex] и [latex](B)[/latex] обозначим как [latex]S_{n}^{(A)}[/latex] и [latex]S_{n}^{(B)}[/latex]. Из условия [latex]0\leq a_{n}\leq b_{n}[/latex] можно сказать, что [latex]S_{n}^{(A)}\leq S_{n}^{(B)}[/latex]. Пусть ряд [latex](B)[/latex] сходится, тогда, согласно критерию сходимости ряда с неотрицательными членами, его частичные суммы [latex]S_{n}^{(A)}[/latex] ограничены, а значит [latex]S_{n}^{(B)}[/latex] также будут ограничены ([latex]S_{n}^{(A)}\leq S_{n}^{(B)}[/latex]). Тогда по вышеупомянутому критерию ряд [latex](B)[/latex] тоже будет сходиться.
- Пусть ряд [latex](A)[/latex] расходится. Докажем методом от противного. Предположим что ряд [latex](B)[/latex] сходится. Тогда согласно утверждению доказанном в пункте 1, ряд [latex](A)[/latex] тоже должен сходиться, что противоречит условию. Значит ряд [latex](B)[/latex] расходится.
Иногда на практике удобнее использовать следствие из данной теоремы.
Следствие (признак сравнения сходимости рядов в предельной форме)
Формулировка
Пусть даны два ряда с неотрицательными членами:
Если существует предел:
Тогда:
- Если ряд [latex](B)[/latex] сходится и [latex]K<+\infty[/latex], то ряд [latex](A)[/latex] сходится.
- Если ряд [latex](B)[/latex] расходится и [latex]K>0[/latex], то ряд [latex](A)[/latex] расходится.
Доказательство
- Пусть ряд [latex](B)[/latex] сходится и [latex]K< +\infty[/latex]. Из определения предела запишем: [latex]\forall \varepsilon >0 \exists N_{\varepsilon }:\forall n>N_{\varepsilon }\left | \frac{a_{n}}{b_{n}}-K \right |<\varepsilon \Leftrightarrow K-\varepsilon <\frac{a_{n}}{b_{n}}<K+\varepsilon[/latex]. Из неравенства получим: [latex]a_{n}<b_{n}(K+\varepsilon )[/latex]. Ряд [latex]\sum_{n=1}^{\infty} b_{n}(K+\varepsilon )[/latex] сходится, так как это ряд полученный умножением членов ряда [latex](B)[/latex] на постоянное число [latex]K+\varepsilon[/latex]. Тогда по признаку сравнения в форме неравенств ряд [latex](A)[/latex] сходится.
- Если ряд [latex](B)[/latex] расходится и [latex]K>0[/latex], тогда отношение [latex]\frac{b_{n}}{a_{n}}[/latex] имеет конечный предел [latex]\lim_{n\rightarrow \infty } \frac{b_{n}}{a_{n}}=\frac{1}{K}< \infty[/latex]. Предположим что ряд [latex](A)[/latex] сходится, тогда согласно утверждению доказанном в пункте 1, ряд [latex](B)[/latex] тоже сходится, что противоречит условию. Значит [latex](A)[/latex] расходится.
Пример
Дан ряд [latex]\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(3+(-1)^{n}*2)(1+\sin^{3}n)}{n\tfrac{3}{2}}[/latex]. Исследовать ряд на сходимость.
Для определения характера сходимости будем использовать признак сравнения. Попробуем оценить данный ряд сверху.
Ряд вида [latex]\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^{\alpha }}[/latex] сходится при [latex]\alpha >1[/latex].
[latex]\frac{3}{2}>1[/latex] значит полученный ряд сходится, а значит сходится и исходный.
Литература
- Конспект лекций по мат.анализу Лысенко З.М.
- Г.М. Фихтенгольц Курс дифференциального и интегрального исчисления т.2. 1964г. стр.264-270
- В.И.Коляда, А.А.Кореновский. Курс лекций по математическому анализу. 2009г. стр.8-10.
- Л.Д. Кудрявцев. Курс математического анализа, том 1, 1988-1989г. стр.16-18.
Тест
Предлагаем пройти тесты и закрепить пройденный материал