Признак Даламбера сходимости ряда в форме неравенств
Формулировка
Пусть дан ряд с положительными слагаемыми:
∞∑n=1an=a1+a2+…+an+…
an>0
Если начиная с какого-то номера n0ϵN∀n>n0 выполняется неравенство an+1an≤q<1qϵR, то ряд сходится.
Если же ∃n0ϵN:∀n>n0an+1an≥1, то ряд расходится.
Доказательство
Рассмотрим неравенство an+1an≤q для n=1 и n=2.
n=1:a2a1≤q⇔a2≤q∗a1
n=2:a3a2≤q⇔a3≤q∗a2≤q2∗a1
Таким образом ∀n будет справедливо неравенство an≤qn−1∗a1. При этом ряд ∑∞n=1qn−1∗a1 является сходящимся, а значит по признаку сравнения в форме неравенств ряд ∑∞n=1an тоже сходится.
Если an+1an≥1, то справедливо неравенство an+1≥an>0, что противоречит необходимому условию сходимости ряда (limn→∞an=0). Значит ряд ∑∞n=1an расходится.
Иногда на практике удобнее использовать следствие из данной теоремы.
Следствие(признак Даламбера сходимости ряда в предельной форме)
Формулировка
Пусть дан ряд с положительными слагаемыми:
∞∑n=1an=a1+a2+…+an+…
an>0
Если существует предел:
limn→∞an+1an=K
Тогда:
Если K<1, то ряд сходится.
Если K>1, то ряд расходится.
Если K=1, то признак не дает возможности сказать что-либо о сходимости данного ряда.
Доказательство
Пусть limn→∞an+1an=K. Из определения предела запишем: ∀ε>0∃Nε:∀n>Nε|an+1an−K|<ε⇔K−ε<an+1an<K+ε. Если K<1, то положим ε=1−K2, тогда q=K+ε<1 и тогда по признаку Даламбера в форме неравенств ряд сходится. Если же K>1, то положим ε=K−12, тогда q=K−ε>1, а значит ряд расходится. Для случая K=1 приведем пример сходящегося и расходящегося рядов. Ряд вида ∑∞n=11n расходится и при этом limn→∞nn+1=1. В то же время ряд ∑∞n=11n2 сходится и при этом limn→∞n2(n+1)2=limn→∞n2n2+2n+1=1.
Пример
Дан ряд ∑∞n=1ann!. Определить характер сходимости ряда.
Воспользуемся признаком Даламбера в предельной форме.
Если начиная с какого-то номера n0ϵN∀n>n0 выполняется неравенство n√an≤q<1qϵR, то ряд сходится.
Если же ∃n0ϵN:∀n>n0n√an≥1, то ряд расходится.
Доказательство
Пусть ∃n0ϵN:∀n>n0n√an≤q⇔an≤qn. Так как 0<q<1, то ряд ∑∞n=1qn будет сходиться, а значит по признаку сравнения в форме неравенств ряд ∑∞n=1an так же является сходящимся.
Если ∃n0ϵN:∀n>n0n√an≥1⇔an≥1, что противоречит необходимому условию сходимости ряда (limn→∞an=0). Значит ряд ∑∞n=1an расходится.
Иногда на практике удобнее использовать следствие из данной теоремы.
Следствие (признак Коши сходимости ряда в предельной форме)
Формулировка
Пусть дан ряд с неотрицательными слагаемыми:
∞∑n=1an=a1+a2+…+an+…
an≥0
Если существует предел:
limn→∞n√an=K
Тогда:
Если K<1, то ряд сходится.
Если K>1, то ряд расходится.
Если K=1, то признак не дает возможности сказать что-либо о сходимости данного ряда.
Доказательство
Пусть limn→∞n√an=K. Из определения предела запишем: ∀ε>0∃Nε:∀n>Nε|n√an−K|<ε⇔K−ε<n√an<K+ε. Если K<1, то q=K+ε<1 и тогда по признаку Коши в форме неравенств
ряд сходится.
Если же K>1, то q=K−ε>1, а значит ряд расходится.
Пример
Дан ряд ∑∞n=1(n+1n+2)n2. Исследовать ряд на сходимость.
Если, начиная с какого-то номера NεN∀n>N выполняется неравенство 0≤an≤bn, тогда:
Из сходимости ряда (B) следует сходимость ряда (A).
Из расходимости ряда (A) следует расходимость ряда (B).
Доказательство
(A) и (B) — ряды с неотрицательными членами. Частичные суммы рядов (A) и (B) обозначим как S(A)n и S(B)n. Из условия 0≤an≤bn можно сказать, что S(A)n≤S(B)n. Пусть ряд (B) сходится, тогда, согласно критерию сходимости ряда с неотрицательными членами, его частичные суммы S(A)n ограничены, а значит S(B)n также будут ограничены (S(A)n≤S(B)n). Тогда по вышеупомянутому критерию ряд (B) тоже будет сходиться.
Пусть ряд (A) расходится. Докажем методом от противного. Предположим что ряд (B) сходится. Тогда согласно утверждению доказанном в пункте 1, ряд (A) тоже должен сходиться, что противоречит условию. Значит ряд (B) 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:
∞∑n=1an=a1+a2+…+an+…(A)
∞∑n=1bn=b1+b2+…+bn+…(B)
Если существует предел:
limn→∞anbn=K0<K<+∞
Тогда:
Если ряд (B) сходится и K<+∞, то ряд (A) сходится.
Если ряд (B) расходится и K>0, то ряд (A) расходится.
Доказательство
Пусть ряд (B) сходится и K<+∞. Из определения предела запишем: ∀ε>0∃Nε:∀n>Nε|anbn−K|<ε⇔K−ε<anbn<K+ε. Из неравенства получим: an<bn(K+ε). Ряд ∑∞n=1bn(K+ε) сходится, так как это ряд полученный умножением членов ряда (B) на постоянное число K+ε. Тогда по признаку сравнения в форме неравенств ряд (A) сходится.
Если ряд (B) расходится и K>0, тогда отношение bnan имеет конечный предел limn→∞bnan=1K<∞. Предположим что ряд (A) сходится, тогда согласно утверждению доказанном в пункте 1, ряд (B) тоже сходится, что противоречит условию. Значит (A) расходится.
Пример
Дан ряд ∑∞n=1(3+(−1)n∗2)(1+sin3n)n32. Исследовать ряд на сходимость.
Для определения характера сходимости будем использовать признак сравнения. Попробуем оценить данный ряд сверху.
(3+(−1)n∗2)(1+sin3n)n32≤5∗2n32=O(1n32)
Ряд вида ∑∞n=11nα сходится при α>1.
32>1 значит полученный ряд сходится, а значит сходится и исходный.
Рассмотрим числовой ряд с бесконечным множеством положительных и бесконечным множеством отрицательных членов. Такой ряд называется знакопеременным рядом.
Запишем произвольный знакопеременный ряд a1+a2+a3+…+an+…=∞∑n=1an(1),
где числа a1,a2,a3,…,an,… являются как положительными, так и отрицательными, причем располагаются они в ряде произвольно. Так же рассмотрим ряд, составленный из абсолютных величин членов ряда (1): |a1|+|a2|+|a3|+…+|an|+…=∞∑n=1|an|(2).
Для знакопеременных рядов справедлива следующая Теорема:
Теорема 1
Если ряд (2) сходится, то сходится и ряд (1).
Доказательство
Предположим, что ряд (2) сходится. Обозначим через Sn частичную сумму ряда (1), а через σn частичную сумму ряда (2). Тогда: Sn=a1+a2+a3+…+an;
σn=|a1|+|a2|+|a3|+…+|an|. Так как ряд (2) сходится, то последовательность его частичных сумм σn имеет предел limn→∞σn=σ, при этом для любого n справедливо неравенство
σn≤σ(3),
Поскольку члены ряда (2) неотрицательны.
Обозначим через S′n сумму положительных членов, а через S»n сумму модулей отрицательных членов, содержащихся в сумме Sn.
Тогда Sn=S′n−S»n(4), σn=S′n+S»n(5).
Видно, что последовательности S′n и S»n не убывают, а из равенства (5) и неравенства (3) следует, что они являются ограниченными: S′n≤σn≤σ и S»n≤σn≤σ. Следовательно, существуют limn→∞S′n=S′ и limn→∞Sn»=S». Но в таком случае, в силу равенства (4), последовательность частичных сумм ряда (1) имеет предел limn→∞Sn=limn→∞(S′n−S»n)=limn→∞S′n−limn→∞S»n=S′−S».
Это означает, что ряд (1) сходится.
Пример 1
Ряд 1−122−132+142+152−162−172+… согласно доказанной Теореме 1 сходится, т. к. сходится ряд, составленный из абсолютных величин членов данного ряда: 1+122+132+142+152+162+172+…
Ниже представлен график поведения первых двадцати, составленных из абсолютных величин, членов ряда
Рассмотренный признак сходимости знакопеременного ряда является достаточным, но не необходим, т. к. существуют знакопеременные ряды, которые сходятся, а ряды, составленные из абсолютных величин их членов, расходятся. Так, например, ряд ∞∑n=1−1n+11n согласно признаку Лейбница сходится, а ряд ∞∑n=11n, составленный из абсолютных величин его членов, расходится.
Поэтому все сходящиеся ряды можно разделить на абсолютно и условно сходящиеся.
Ряд с действительными или комплексными членами ∞∑n=1an называется абсолютно сходящимся, если сходиться ряд ∞∑n=1|an|.
Ряд ∞∑n=1an называется условно сходящимся, если этот ряд сходиться, а ряд ∞∑n=1|an| расходиться.
Спойлер
Пример 2
Ряд 1−1√2+1√3−1√4+… условно сходящийся, так как сам он сходится по признаку Лейбница, а ряд, составленный из абсолютных величин, 1+1√2+1√3+1√4+… расходится.
Можно заметить, что свойства абсолютно сходящихся и условно сходящихся рядов имеют некоторые отличия. Так, например, в условно сходящихся рядах, сумма ряда не равна сумме положительных и отрицательных членов ряда, но для абсолютно сходящихся это свойство справедливо, что можно было увидеть при доказательстве Теоремы 1.
[свернуть]
Литература
Лысенко З.М., конспект лекций по математическому анализу, 2014-2015 гг., семестр 2 из 2
Предлагаем Вам пройти тест на тему «Абсолютная и условная сходимость рядов».
Вы уже проходили тест ранее. Вы не можете запустить его снова.
Тест загружается...
Вы должны войти или зарегистрироваться для того, чтобы начать тест.
Вы должны закончить следующие тесты, чтобы начать этот:
Результаты
Правильных ответов: 0 из 5
Ваше время:
Время вышло
Вы набрали 0 из 0 баллов (0)
Средний результат
Ваш результат
Рубрики
Нет рубрики0%
Ваш результат был записан в таблицу лидеров
Загрузка
1
2
3
4
5
С ответом
С отметкой о просмотре
Задание 1 из 5
1.
Количество баллов: 1
Признак сходимости для знакопеременных рядов: Даны ряды
(1)a1+a2+a3+…+an+…=∑∞n=1an и (2)|a1|+|a2|+|a3|+…+|an|+…=∑∞n=1|an|. Имеет место следующий признак
Если ряд
(2)
сходится
то сходится и ряд
(1)
Правильно 1 / 1Баллы
Неправильно / 1 Баллы
Задание 2 из 5
2.
Количество баллов: 1
Исследовать на сходимость ряд ∑∞n=1(−1)nsin2nn
Ряд (сходится)
Правильно
Применим признак Лейбница для знакочередующихся рядов. Получаем limn→∞|an|=limn→∞|(−1)nsin2nn|=limn→∞sin2nn=0
Поскольку sin2≤1. Следовательно данный ряд сходится.
Неправильно
Задание 3 из 5
3.
Количество баллов: 1
Рядом называется выражение вида:
Правильно 1 / 1Баллы
Неправильно / 1 Баллы
Задание 4 из 5
4.
Количество баллов: 1
К абсолютно сходящимся рядам относятся
(сходящиеся) ряды, для которых ряды, составленные из (абсолютных величин, модулей) их членов (сходятся).
Правильно
Неправильно
Задание 5 из 5
5.
Количество баллов: 1
К условно сходящимся рядам относятся…
Правильно
Неправильно
Таблица лучших: Абсолютная и условная сходимость рядов