Processing math: 100%

17 Степенные ряды

Степенным рядом называется ряд вида n=0an(xx0)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.

17.2 Вычисление радиуса сходимости степенного ряда

Теорема. Пусть дан степенной ряд n=0anxn Если существует limnn|an|p>0, то радиус сходимости ряда (1) равен R=1p. Если для любого n числа an0 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|=nan|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 nN справедливо неравенство ||an+1an|p|<ϵ. Тогда pϵ<|an+1an|<p+ϵ т. е.
|an|(ρϵ)<|an+1|<|an|(ρ+ϵ). Применяя рекуррентно левое неравенство, получаем |aN+1|>(ρϵ)|aN|, |aN+2|>(ρϵ)2|aN|,,|aN+k|>(ρϵ)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 kN. Тогда n|an|<(ρ+ϵ)nNn|aN|1n=(ρ+ϵ)1Nnn|aN|. При фиксированном N выражение справа стремится к ρ+ϵ при n. Поэтому при nN1 оно меньше, чем ρ+2ϵ. Аналогично можно показать, что при nN2 справедливо неравенство n|an|>ρ2ϵ. Получим, что при nN3max(N1,N2) имеет место неравенство ρ2ϵ<n|an|<ρ+2ϵ, а это означает, что существует ρlimnn|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 limnan+1an(an>0) следует, что существует и limnnan, 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=limnn|an|, где 0ρ+. 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¯limnn|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 un0. Если ¯limnnun<1, то ряд (3) сходится, а если ¯limnnun>1, то ряд (3) расходится.

Если ¯limnnun>1, то существует подпоследовательность номеров nk, таких, что unk1, а значит, un не стремится к нулю, и следовательно, ряд (3) расходится, т. к. не выполнено необходимое условие сходимости. Если же ¯limnnunq<1, то для 0<ϵ<1q найдется такой номер N, что для всех nN справедливо неравенство nun<q+ϵ<1. Отсюда следует, что un<(q+ϵ)n при nN и, значит, ряд (3) сходится в силу признака сравнения.

(Теоремы Коши – Адамара). Имеем ¯limnn|anxn|=¯limnn|an||x|. Если |x|>1limnn|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,limnnan=limnnn=1, т. е. R=1limnnan=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, ¯limnnan=¯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=112n+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"

Небольшой тест по теории и практике.

Литература

  1. Б. П. Демидович Сборник задач по математическому анализу 13-е издание, исправленное Издательство Московского университета Издательство ЧеРо 1997 отдел V ряды (ст. 284)
  2. В. И. Коляда, А. А. Кореновский «Курс лекций по математическому анализу». — Одесса: Астропринт, 2010, ч.2. раздел 17 «Вычисление радиуса сходимости степенного ряда». (ст. 56 — 60)
  3. Кудрявцев Л. Д. курс математического анализа : учебник для вузов: В 3 т. Т. 2. Радиус сходимости и круг сходимости степенного ряда / Л. Д. Кудрявцев. — 5-е изд., перераб. и доп. — Москва: Дорфа, 2003. — 720 с. (ст. 107 — 108).

17.1 Структура множества точек сходимости степенного ряда

Структуру множества точек сходимости степенного ряда устанавливает

Первая теорема Абеля. Пусть степенной ряд n=0anxn сходится в некоторой точке x10. 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|nM|xx1|n. Поскольку q=|xx1|<1, то ряд n=0qn сходится. Значит, по признаку сравнения сходится 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=1xnn сходится 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=supxE|x|. Пусть |x|<R. Тогда найдется такое x1E, что |x1|>|x|. По первой теореме Абеля, ряд (17.1) сходится абсолютно в точке x. Если R<+ и |x|>R, то ясно, что xE 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(xx0)n называется неотрицательное число R (конечное или равное +), обладающее тем свойством, что при |xx0|<R ряд (17.2) сходится, а при |xx0|>R ряд (17.2) расходится. Существование такого числа R установлено в предыдущей теореме. Интервал (x0R,x0+R) называется интервалом сходимости степенного ряда (17.2).

Иллюстрация Изображение не найдено

Иллюстрация комплексного случая.

Изображение не найдено

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 (x0R,x0+R) и расходится вне отрезка [x0R,x0+R], причем во всех точках интервала (x0R,x0+R) ряд (17.2) сходится абсолютно.

Пример 1. Ряд n=0n!xn сходится лишь в одной точке x=0. Действительно, если x0, то, в силу известного равенства limnn!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=0xn сходится 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=1xnn сходится 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=11nгармонический, 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 xR. В самом деле, поскольку |x|n+1(n+1)!n!|x|n=|x|n+10(n), то, в силу признака Даламбера, получаем, что ряд (17.7) сходится. Имеем R=+, интервал сходимости (,+).

Примеры решения задач

  1. 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 пределlimnn|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|2limk2k+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.

  2. Определить интервал сходимости ряда n=1(zn)n
    Решение

    В силу признака Даламбера и признака сравнения получаем, что ряд сходится для любого xR |z|n+1(n+1)n+1nn|z|n=|z|nn(n+1)n+1|z|nnnn+1=|z|n0(n), Таким образом, R=+, а искомый интервал сходимости (;+).

  3. Определить радиус сходимости ряда n=02nzn
    Решение

    Сделаем замену t=2z2. Отсюда получим, ряд n=0tn — сумма геометрической прогрессии. При |t|<1 ряд сходится, при |t|1 расходится. Теперь подставим 2z2 вместо t в неравенство |t|<1. Получим |2z2|<1, откуда |z|<12=22=R.

  4. Определить множество точек сходимости ряда n=0n2zn
    Решение

    В силу признака Коши получаем, что n|n2z|=|z|nn2. 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=n2 монотонно возрастает при достаточно больших n, а limnan=limnn2=. Следовательно, так как ни одно из условий признака Лейбница не выполняется, то ряд в точке z=1 расходится. Следовательно, множество точек сходимости (1;1).

  5. Определить множество точек сходимости ряда n=1znn3
    Решение

    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 (limnznn3). Итак, радиус сходимости равен 1, а множество точек сходимости — интервал [1;1].

Литература

  1. Кудрявцев Л. Д. Курс математического анализа : учебник для вузов: В 3 т. Т. 2. Радиус сходимости и круг сходимости степенного ряда / Л. Д. Кудрявцев. — 5-е изд., перераб. и доп. — Москва: Дрофа, 2003. — 720 с. — c. 100-107.
  2. В. И. Коляда, А. А. Кореновский «Курс лекций по математическому анализу». — Одесса: Астропринт, 2010, ч.2, разделы 17 «Степенные ряды» и 17.1 «Структура множества точек сходимости степенного ряда».(стр. 53 — 56).
  3. Лысенко З.М. Конспект лекций по математическому анализу.

Структура множества точек сходимости степенного ряда

Пройдите этот тест, чтобы проверить свои знания по только что прочитанной теме.