Степенным рядом называется ряд вида ∞∑n=0an(x−x0)n, где x0 — фиксированная точка, {an} — числовая последовательность. Числа an(n=0,1,…) называются коэффициентами ряда, точка x0 — центром ряда. Будем рассматривать ряды вида ∞∑n=0anxn, т. е. полагаем x0=0.
Пример
Ряд ∞∑n=0xn — сумма геометрической прогрессии. Этот ряд сходится при |x|<1 и расходится при |x|≥1.
Теорема. Пусть дан степенной ряд∞∑n=0anxn Если существует limn→∞n√|an|≡p>0, то радиус сходимости ряда (1) равен R=1p. Если для любого n числа an≠0 и существует limn→∞|an+1an|≡p∗>0, то R=1p∗=limn→∞|anan+1|.
Для доказательства первого утверждения применим признак Коши. Для фиксированного x имеем n√|anxn|=n√an⋅|x|→p|x|(n→∞).Если |x|<1p, то ρ|x|<1 и, по признаку Коши, ряд (1)сходится абсолютно. Если |x|>1p, то p|x|>1 и, следовательно, ряд (1)расходится, т. к. не выполнено необходимое условие сходимости.
Доказательство второго утверждения теоремы легко можно провести аналогично, используя признак Даламбера (проведите самостоятельно). Мы покажем, что из существования предела ρ∗ следует существование предела ρ и их равенство ρ=ρ∗. Ясно, что отсюда также будет следовать второе утверждение теоремы.
Зададим ϵ>0 и найдем такой номер N, что для всех n≥N справедливо неравенство ||an+1an|−p∗|<ϵ. Тогда p∗−ϵ<|an+1an|<p∗+ϵ т. е. |an|(ρ∗−ϵ)<|an+1|<|an|(ρ∗+ϵ). Применяя рекуррентно левое неравенство, получаем |aN+1|>(ρ∗−ϵ)|aN|,|aN+2|>(ρ∗ϵ)2|aN|,⋯,|aN+k|>(ρ∗−ϵ)k|aN|,⋯, а из правого неравенства следует, что |aN+k|<(ρ∗+ϵ)k|aN|(k=1,2,⋯).
Пусть n>N, т. е. n=N+k, где k∈N. Тогда n√|an|<(ρ∗+ϵ)n−Nn|aN|1n=(ρ∗+ϵ)1−Nnn√|aN|. При фиксированном N выражение справа стремится к ρ∗+ϵ при n→∞. Поэтому при n≥N1 оно меньше, чем ρ∗+2ϵ. Аналогично можно показать, что при n≥N2 справедливо неравенство n√|an|>ρ∗−2ϵ. Получим, что при n≥N3≡max(N1,N2) имеет место неравенство ρ∗−2ϵ<n√|an|<ρ∗+2ϵ, а это означает, что существует ρ≡limn→∞n√|an|=ρ∗.
Замечание 1. Если в условии теоремы считать, что 10=+∞ и 1+∞=0, то теорема остается справедливой и в случаях ρ=0 и ρ=+∞. При этом необходимые изменения в доказательстве очевидны (проведите самостоятельно).
Замечание 2. Во второй части доказательства нашей теоремы мы,
по существу, доказали, что из существования limn→∞an+1an(an>0) следует, что существует и limn→∞n√an, и эти пределы равны. Для рядов с
положительными слагаемыми это означает, что признак Коши не слабее
признака Даламбера.
Итак, мы можем находить радиус сходимости R=1ρ степенного ряда (1) в случае если существует ρ=limn→∞n√|an|, где 0≤ρ≤+∞. Но предел ρ может и не существовать. В общем случае радиус сходимости ряда (1) находится следующим образом.
Теорема Коши – Адамара. Пусть дан степенной ряд ∞∑n=0anxn. Тогда его радиус сходимости равен R=1¯limn→∞n√|an|, где понимается 10=+∞ и 1+∞=0.
Доказательство этой теоремы основано на применении обобщенного признака Коши сходимости рядов с положительными слагаемыми.
Теорема (обобщенный признак Коши). Пусть дан числовой ряд∞∑n=0un, где числа un≥0. Если ¯limn→∞n√un<1, то ряд (3) сходится, а если ¯limn→∞n√un>1, то ряд (3) расходится.
Если ¯limn→∞n√un>1, то существует подпоследовательность номеровnk, таких, что unk≥1, а значит, un не стремится к нулю, и следовательно, ряд (3) расходится, т. к. не выполнено необходимое условие сходимости. Если же ¯limn→∞n√un≡q<1, то для 0<ϵ<1−q найдется такой номер N, что для всех n≥N справедливо неравенство n√un<q+ϵ<1. Отсюда следует, что un<(q+ϵ)n при n≥N и, значит, ряд (3) сходится в силу признака сравнения.
(Теоремы Коши – Адамара). Имеем ¯limn→∞n√|anxn|=¯limn→∞n√|an|⋅|x|. Если |x|>1limn→∞n√|an|,
то для ряда ∞∑n=0|anxn| не выполнено необходимое условие сходимости.
Следовательно, необходимое условие сходимости не выполнено и для ряда (2), т. е. он расходится.
Примеры:
Пример 1. Рассмотрим ряд ∞∑n=0nxn. Здесь an=n,limn→∞n√an=limn→∞n√n=1, т. е. R=1limn→∞n√an=1. В точках x=R=1 и x=−R=−1 ряд расходится. Область его сходимости
– интервал(−1,1).
Пример 2. Для ряда ∞∑n=0[3+(−1)n]nxn
имеем an=[3+(−1)n]n, ¯limn→∞n√an=¯limn→∞[3+(−1)n]=4, R=14. Данный ряд сходится при |x|<14. Если x=±14, то |a2kx2k|=42k142k=1, т. е. слагаемые с четными номерами равны 1 и
предел слагаемых ряда не равен нулю. Окончательно, область сходимости
ряда – интервал (−14,14).
Пример 3. Для ряда ∞∑n=0(n!)2(2n!)xn имеем an=(n!)2(2n!),limn→∞((n+1)!)2(2(n+1))!(n!)2(2n)!=limn→∞((n+1)!)2(2n)!(2n+2)!(n!)2=limn→∞(n+1)2(2n+1)(2n+2)=14, R=4. Данный ряд сходится при |x|<4.
При x=4 получаем числовой ряд ∞∑n=1an, где an=(n!)24n(2n)!. Поскольку anan+1=1−12n+12n(n+1), то an<an+1. Это означает, что последовательность (an) монотонно возрастает. Следовательно не выполняется необходимое условие для сходимости ряда (предел общего члена отличен от нуля), ряд расходится. Аналогично для x=−4. Окончательно, область сходимости
ряда – интервал (−4,4).
Пример 4. Рассмотрим ряд ∞∑n=0(1+1n)n2xn.1R=limn→∞(1+1n)n2=e2. Следовательно при |x|<1e2 сходится абсолютно. В точках x=R=1e2 и x=−R=−1e2 ряд расходится. Область его сходимости
– интервал(−1e2,1e2).
Тест по теме: "Радиус сходимости числового ряда"
Лимит времени: 0
Навигация (только номера заданий)
0 из 4 заданий окончено
Вопросы:
1
2
3
4
Информация
Небольшой тест по теории и практике.
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 4
Ваше время:
Время вышло
Вы набрали 0 из 0 баллов (0)
Рубрики
Математический анализ0%
1
2
3
4
С ответом
С отметкой о просмотре
Задание 1 из 4
1.
Найти радиус сходимости ряда ∞∑n=1(xsinn)n
Правильно
Неправильно
Задание 2 из 4
2.
Сопоставьте правильно
Элементы сортировки
limn→∞n√|an|=0
limn→∞|an+1an|=+∞
¯limn→∞n√an=1
∞∑n=0[2+(−1)n]nxn
R=+∞
R=0
R=1
R=13
Правильно
Неправильно
Задание 3 из 4
3.
Выберите, какие формулы и признаки используются для вычисления радиуса сходимости степенного ряда
Правильно
Неправильно
Задание 4 из 4
4.
Найти радиус сходимости степенного ряда ∞∑n=0(x+3)nn!
Структуру множества точек сходимости степенного ряда устанавливает
Первая теорема Абеля. Пусть степенной ряд ∞∑n=0anxnсходится в некоторой точке x1≠0. Тогда ряд (17.1)абсолютно сходится в каждой точке x, такой, что |x|<|x1|.
Из сходимости числового ряда ∞∑n=0anxn1 следует, что его слагаемые стремятся к нулю и, следовательно, ограничены, т. е. существует такое M, что для всех n=0,1,… справедливо неравенство |anxn1|≤M. Поэтому для |x|<|x1| имеем |anxn|=|anxn1|⋅|xx1|n≤M⋅|xx1|n. Поскольку q=|xx1|<1, то ряд ∞∑n=0qnсходится. Значит, по признаку сравнениясходится и ряд ∞∑n=0|anxn|, а это означает, что ряд (17.1)сходится и притом абсолютно.
Замечание. Если степенной ряд (17.1)сходится при x=x1, то нельзя гарантировать, что он сходится и при x=−x1. Например, ряд ∞∑n=1xnnсходится при x=x1=−1 и расходится при x=−x1=1.
Следствие. Если степенной ряд (17.1)расходится в некоторой точке x1, то для всех x, таких, что |x|>|x1| ряд (17.1)расходится.
Если бы в некоторой точке x2, такой, что |x2|>|x1|, ряд (17.1) оказался сходящимся, то, в силу первой теоремы Абеля, он должен был быть сходящимся в точке x1. Но в точке x1 ряд (17.1)расходится по условию, и следствие доказано.
Теорема. Множество точек сходимости степенного ряда (17.1) представляет собой непустой промежуток с центром в точке x0=0. Это может быть одноточечное множество {0}, интервал (быть может, и бесконечный), отрезок или полуинтервал.
Ясно, что в точке x0=0 ряд (17.1) с любыми коэффициентами {an}сходится. Если других точек сходимости у ряда (17.1) нет, то множеством точек сходимости ряда (17.1) является множество {0}. Предположим, что существуют отличные от нуля точки сходимости ряда (17.1). Обозначим через E множество всех таких точек, R=supx∈E|x|. Пусть |x|<R. Тогда найдется такое x1∈E, что |x1|>|x|. По первой теореме Абеля, ряд (17.1)сходится абсолютно в точке x. Если R<+∞ и |x|>R, то ясно, что x∉E и, следовательно, в этой точке ряд (17.1)расходится. При x=±R ряд (17.1) может быть сходящимся или расходящимся.
Определение. Радиусом сходимости степенного ряда ∞∑n=0an(x−x0)n называется неотрицательное число R (конечное или равное +∞), обладающее тем свойством, что при |x−x0|<R ряд (17.2)сходится, а при |x−x0|>R ряд (17.2)расходится. Существование такого числа R установлено в предыдущей теореме. Интервал (x0−R,x0+R) называется интервалом сходимости степенного ряда (17.2).
Иллюстрация
Иллюстрация комплексного случая.
Иллюстрация вещественного случая.
Из доказанной теоремы следует, что степенной ряд (17.2)сходится в точке x=x0. Если множество точек сходимости ряда (17.2) состоит более чем из одной точки x0, то ряд (17.2)сходится в интервале (x0−R,x0+R) и расходится вне отрезка [x0−R,x0+R], причем во всех точках интервала (x0−R,x0+R) ряд (17.2)сходится абсолютно.
Пример 1. Ряд ∞∑n=0n!xnсходится лишь в одной точке x=0. Действительно, если x≠0, то, в силу известного равенства limn→∞n!xn=∞, ряд (17.3)расходится, т. к. для него не выполнено необходимое условие сходимости. Итак, здесь R=0 и множество точек сходимости состоит из единственной точки {0}.
Пример 2. Ряд ∞∑n=0xnсходится при |x|<1 и расходится при |x|≥1. Здесь R=1, интервал сходимости (−1,1), на концах интервала сходимости ряд (17.4)расходится, так что множество точек сходимости ряда (17.4) – интервал (−1,1).
Пример 3. Ряд ∞∑n=1xnnсходится при |x|<1 по признаку сравнения, т. к. |xnn|≤|xn| (сравниваем с геометрической прогрессией). Если |x|>1, то слагаемые ряда (17.5) стремятся к ∞ и, следовательно, ряд (17.5)расходится. Итак, радиус сходимости ряда (17.5)R=1, интервал сходимости (−1,1). При x=−1 ряд (17.5) принимает вид ∞∑n=1(−1)nn. Это – ряд лейбницевского типа и, следовательно, сходящийся. При x=1 получаем ряд ∞∑n=11n – гармонический, а значит, расходящийся. Итак, на левом конце интервала сходимости ряд (17.5)сходится (условно), а на правом конце – расходится. Множество точек сходимости ряда (17.5) – полуинтервал [−1,1).
Пример 4. Для ряда ∞∑n=1xnn2 при |x|≤1 имеем |xnn2|≤1n2, т. е. ряд (17.6), в силу признака сравнения, сходится на множестве [−1,1]. Если же |x|>1, то ряд (17.6)расходится, т. к. не выполнено необходимое условие сходимости(xnn2→∞(n→∞)). Итак, радиус сходимости ряда (17.6)R=1, интервал сходимости (−1,1), множество точек сходимости [−1,1].
Пример 5. Ряд ∞∑n=1xnn!сходится при каждом x∈R. В самом деле, поскольку |x|n+1(n+1)!⋅n!|x|n=|x|n+1→0(n→∞), то, в силу признака Даламбера, получаем, что ряд (17.7)сходится. Имеем R=+∞, интервал сходимости (−∞,+∞).
Примеры решения задач
Определить радиус сходимости ряда ∞∑n=0anzn,гдеan={1n, если n=1,3,5,…,0, если n=0,2,4,…,Решение
Признак Даламбера неприменим для определения сходимости этого ряда, так как отношение an+1an не имеет смысла для четных номеров n. Не дает ответа здесь и признак Коши, поскольку нетрудно проверить, что здесь пределlimn→∞n√|an| не существует. Однако, если положить bk=12k+1,k=0,1,2,…, и записать данный ряд в виде ∞∑k=0bkz2k+1=∞∑k=0z2k+12k+1, то, исследовав абсолютную сходимость этого ряда с помощью признака Даламбера, получим limk→∞|bk+1z2k+3||bkz2k+1|=|z|2limk→∞2k+12k+3=|z|2. Отсюда следует, что рассматриваемый ряд абсолютно сходится, когда |z2|<1, т. е. когда |z|<1 и абсолютно расходится, когда |z|>1. Таким образом, радиус сходимости этого степенного ряда равен 1.
Определить интервал сходимости ряда ∞∑n=1(zn)nРешение
В силу признака Даламбера и признака сравнения получаем, что ряд сходится для любого x∈R|z|n+1(n+1)n+1⋅nn|z|n=|z|⋅nn(n+1)n+1≤|z|⋅nnnn+1=|z|n→0(n→∞), Таким образом, R=+∞, а искомый интервал сходимости (−∞;+∞).
Определить радиус сходимости ряда ∞∑n=02nznРешение
Сделаем замену t=2z2. Отсюда получим, ряд ∞∑n=0tn — сумма геометрической прогрессии. При |t|<1 ряд сходится, при |t|≥1расходится. Теперь подставим 2z2 вместо t в неравенство |t|<1. Получим |2z2|<1, откуда |z|<√12=√22=R.
Определить множество точек сходимости ряда ∞∑n=0n2znРешение
В силу признака Коши получаем, что n√|n2z|=|z|n√n2. Выражение будет стремиться к нулю, при n→∞, когда |z|<1. Отсюда радиус сходимости равен 1, а интервал сходимости (−1;1). При z=1 имеем ряд вида ∞∑n=0n2, который расходится, т. к. не выполняется необходимое условие сходимости. При z=−1 имеем ряд вида ∞∑n=0n2(−1)n. Исследуем по признаку Лейбница. an=n2монотонно возрастает при достаточно больших n, а limn→∞an=limn→∞n2=∞. Следовательно, так как ни одно из условий признака Лейбница не выполняется, то ряд в точке z=−1расходится. Следовательно, множество точек сходимости (−1;1).
Определить множество точек сходимости ряда ∞∑n=1znn3Решение
При |z|≤1 имеем |znn3|≤|1n3|, т. е. ряд сходится на [−1;1]. Если |z|>1, то ряд расходится т. к. не выполнено необходимое условие сходимости(limn→∞znn3→∞). Итак, радиус сходимости равен 1, а множество точек сходимости — интервал [−1;1].
Лысенко З.М. Конспект лекций по математическому анализу.
Структура множества точек сходимости степенного ряда
Лимит времени: 0
Навигация (только номера заданий)
0 из 8 заданий окончено
Вопросы:
1
2
3
4
5
6
7
8
Информация
Пройдите этот тест, чтобы проверить свои знания по только что прочитанной теме.
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 8
Ваше время:
Время вышло
Вы набрали 0 из 0 баллов (0)
Средний результат
Ваш результат
Рубрики
Нет рубрики0%
Математический анализ0%
максимум из 16 баллов
Место
Имя
Записано
Баллы
Результат
Таблица загружается
Нет данных
Ваш результат был записан в таблицу лидеров
Загрузка
1
2
3
4
5
6
7
8
С ответом
С отметкой о просмотре
Задание 1 из 8
1.
Количество баллов: 4
Степенным рядом называется ряд вида ∞∑n=0an(x−x0)n, где x0 — _______, an — _______. Числа an(n=0,1,…) называются _______, точка x0 — _______.
фиксированная точка
числовая последовательность
коэффициентами
центром
Правильно
Неправильно
Задание 2 из 8
2.
Количество баллов: 1
Определите радиус сходимости степенного ряда ∞∑n=12nz5n.
Правильно
Неправильно
Задание 3 из 8
3.
Количество баллов: 1
Что устанавливает первая теорема Абеля?
Правильно
Неправильно
Задание 4 из 8
4.
Количество баллов: 3
Выберите все верные утверждения, касаемые определения радиуса сходимости степенного ряда.
Правильно
Неправильно
Задание 5 из 8
5.
Количество баллов: 4
Сопоставьте соответствующему ряду его радиус сходимости.
Элементы сортировки
+∞
√33
1
0
∞∑n=1x2nn!
∞∑n=03nx2n
∞∑n=1xn
∞∑n=0nnxn
Правильно
Неправильно
Задание 6 из 8
6.
Количество баллов: 1
Если степенной ряд ∞∑n=0anxn расходится в некоторой точке x1, то для всех x, таких, что |x|>|x1| ряд ∞∑n=0anxn ______.
Правильно
Неправильно
Задание 7 из 8
7.
Количество баллов: 1
Пусть степенной ряд ∞∑n=0anxn сходится в некоторой точке x1≠0. Тогда ряд ∞∑n=0anxn:
Правильно
Неправильно
Задание 8 из 8
8.
Количество баллов: 1
Дан cтепенной ряд ∞∑n=0an(x−x0)n, множество его точек сходимости состоит более чем из одной точки x0. Определить, как ведет себя этот ряд в интервале (x0−R,x0+R) и вне отрезка [x0−R,x0+R].
(сходится, сходится абсолютно, абсолютно сходится) в интервале и (рассходится, расходится, росходится, россходится, абсолютно рассходится, абсолютно расходится, абсолютно росходится, абсолютно россходится, рассходится абсолютно, расходится абсолютно, росходится абсолютно, россходится абсолютно) вне отрезка.