Знакопеременные ряды, абсолютная и условная сходимость. Знакопеременные ряды Переменные ряды.

Главная » Знакопеременные ряды, абсолютная и условная сходимость. Знакопеременные ряды Переменные ряды.

Числовой ряд

называется знакопеременным, если среди его членов имеются как положительные, так и отрицательные числа.

Числовой ряд называется знакочередующимся, если любые два стоящие рядом члена имеют противоположные знаки.

где для всех (т.е. ряд, положительные и отрицательные члены которого следуют друг за другом поочередно). Например,

Для знакочередующихся рядов имеет место достаточный признак сходимости (установленный в 1714г. Лейбницем в письме к И.Бернулли).

Признак Лейбница. Абсолютная и условная сходимость ряда

Теорема (Признак Лейбница).

Знакочередующийся ряд сходится, если:

Последовательность абсолютных величин членов ряда монотонно убывает, т.е. ;

Общий член ряда стремится к нулю:.

При этом сумма S ряда удовлетворяет неравенствам

Замечания.

Исследование знакочередующегося ряда вида

(с отрицательным первым членом) сводится путем умножения всех его членов на к исследованию ряда.

Ряды, для которых выполняются условия теоремы Лейбница, называются лейбницевскими (или рядами Лейбница).

Соотношение позволяет получить простую и удобную оценку ошибки, которую мы допускаем, заменяя сумму S данного ряда его частичной суммой.

Отброшенный ряд (остаток) представляет собой также знакочередующийся ряд, сумма которого по модулю меньше первого члена этого ряда, т.е.. Поэтому ошибка меньше модуля первого из отброшенных членов.

Пример. Вычислить приблизительно сумму ряда.

Решение: данный ряд Лейбницевского типа. Он сходится. Можно записать:

Взяв пять членов, т.е. заменивна

Сделаем ошибку, меньшую,

чем. Итак,.

Для знакопеременных рядов имеет место следующий общий достаточный признак сходимости.

Теорема. Пусть дан знакопеременный ряд

Если сходится ряд

составленный из модулей членов данного ряда, то сходится и сам знакопеременный ряд.

Признак сходимости Лейбница для знакочередующихся рядов служит достаточным признаком сходимости знакочередующихся рядов.

Знакопеременный ряд называется абсолютно сходящимся, если сходится ряд, составленный из абсолютных величин его членов, т.е. всякий абсолютно сходящийся ряд является сходящимся.

Если знакопеременный ряд сходится, а составленный из абсолютных величин его членов ряд расходится, то данный ряд называется условно (неабсолютно) сходящимся.

Упражнения

Исследовать на сходимость (абсолютную или условную) знакочередующийся ряд:

Следовательно, согласно признаку Лейбница, ряд сходится. Выясним, сходится ли этот ряд абсолютно или условно.

Ряд, составленный из абсолютных величин данного ряда, является гармоническим рядом, который, расходится. Поэтому данный ряд сходится условно.

Члены данного ряда по абсолютной величине монотонно убывают:

Ряд расходится, так как признак Лейбница не выполняется.

Используя признак Лейбница, получим

т.е. ряд сходится.

Это геометрический ряд вида, где, который сходится. Поэтому данный ряд сходится абсолютно.

Используя признак Лейбница, имеем

т.е. ряд сходится.

Рассмотрим ряд, составленный из абсолютных величин членов данного ряда:

Это обобщенный гармонический ряд, который расходится, так как. Следовательно, данный ряд сходится условно.

знакопеременный ряд сходимость слагаемое

Ряд называется знакочередующимся, если любые два соседних его члена имеют разные знаки, т.е. ряды вида u 1 – u 2 + u 3 – u 4 +… + u n + …, где u 1 , u 2 , …, u n , … положительны.

Теорема Лейбница. Если члены знакочередующегося ряда, взятые по абсолютной величине, монотонно убывают и модуль общего члена ряда стремится к нулю при , т.е.
, то ряд сходится.

Пример 1.

Исследовать сходимость знакочередующегося ряда:

.

Члены ряда, взятые по абсолютной величине, монотонно убывают:

Ряд сходится.

1.6. Знакопеременные ряды. Абсолютная и условная сходимость ряда

Ряд +…+ +… называется знакопеременным, если среди его членов имеются как положительные, так и отрицательные.

Знакочередующиеся ряды являются частным случаем знакопеременных рядов.

Теорема. Дан знакопеременный ряд +…+ +…(1). Составим ряд |+| |+…+| |+… (2). Если ряд (2), составленный из абсолютных величин членов ряда (1), сходится, то ряд (1) сходится.

Определение. Знакопеременный ряд +…+ +… называется абсолютно сходящимся, если сходится ряд, составленный из абсолютных величин его членов ||+| |+…+| |+… .

Если же знакопеременный ряд (1) сходится, а ряд (2), составленный из абсолютных величин его членов, расходится, то данный знакопеременный ряд (1) называется условно или неабсолютно сходящимся рядом.

Пример 1.

Исследовать на сходимость и абсолютную сходимость ряд:
.

Знакочередующийся ряд сходится по теореме Лейбница, т.к.
. Члены ряда монотонно убывают и
. Теперь исследуем данный ряд на абсолютную сходимость. Рассмотрим ряд, составленный из абсолютных величин членов данного ряда:. Исследуем сходимость этого ряда с помощью признака Даламбера:
. Ряд сходится. Значит, заданный знакочередующийся ряд сходится абсолютно.

Пример 2.

Исследовать на сходимость и абсолютную сходимость ряд:
.

По теореме Лейбница
. Ряд сходится. Ряд, составленный из абсолютных величин членов данного ряда, имеет вид
. По признаку Даламбера получим
. Ряд сходится, значит, заданный знакопеременный ряд сходится абсолютно.

2. Функциональные ряды. Область сходимости функционального ряда

Рассмотрим последовательность функций, заданных на некотором промежутке :

(), (), () … (), ….

Приняв эти функции в качестве членов ряда, образуем ряд:

() + () + () + … + () + …, (1)

который называется функциональным рядом .

Например: sin(x) + sin(2x) + sin(3x) + … + sin(nx) + …

В частном случае функциональным рядом является ряд:

который называется степенным рядом , где
постоянные числа, называемыекоэффициентами членов степенного ряда .

Степенной ряд может быть записан и в такой форме:

где
некоторое постоянное число.

При определенном фиксированном или числовом значении получим числовой ряд, который может быть сходящимся или расходящимся.

Определение Совокупность всех значений х (или всех точек х числовой прямой), при которых степенной ряд сходится, называется областью сходимости степенного ряда.

Пример 1.

Найти область сходимости степенного ряда:

Решение (1 способ) .

Применим признак Даламбера.

Так как признак Даламбера применим к рядам только с положительными членами , то выражение, стоящее под знаком предела, взято по абсолютной величине.

По признаку Даламбера ряд сходится, если
и
.

Т.е. ряд сходится, если < 1, откуда
или-3< <3.

Получим интервал сходимости данного степенного ряда: (-3;3).

В крайних точках интервала =
, будем иметь
.

В этом случае теорема Даламбера не дает ответа на вопрос о сходимости ряда.

Исследуем ряд на сходимость в граничных точках:

x = -3 ,

Получим знакочередующийся ряд. Исследуем его на сходимость по признаку Лейбница:

1.
члены ряда, взятые по абсолютной величине, монотонно убывают.

2.
Следовательно, ряд в точкеx = -3 сходится.

= 3,

Получим положительный ряд. Применим интегральный признак Коши сходимости ряда.

члены ряда монотонно убывают.

Функция
на промежутке
:

.

Несобственный интеграл расходится, значит, ряд в точке x=3 расходится.

Ответ:

Второй способ определения области сходимости степенного ряда основан на применении формулы радиуса сходимости степенного ряда:

, где и
коэффициентыи
членов ряда.

Для данного ряда имеем:

=3.

ряд сходится

Интервал сходимости ряда: -3< <3.

Далее, как и в предыдущем случае, надо исследовать в граничных точках: =
.

Ответ: область сходимости ряда [-3;3).

Отметим, что второй способ определения области сходимости степенного ряда с использованием формулы радиуса сходимости ряда
более рационален.

Пример 2.

Найти область сходимости степенного ряда:
.

Найдем – радиус сходимости ряда.

,
,
.

.
.

Интервал сходимости ряда (-;).

Исследуем ряд на сходимость в точках = —и.

= — ,

Получим знакочередующийся ряд. Применим признак Лейбница:

1.
члены ряда, взятые по абсолютной величине, монотонно убывают.

2.
, следовательно, ряд в точкеx = —сходится.

x = ,
.

Получили ряд с положительными членами. Применим интегральный признак Коши.

Здесь
:

, члены ряда
монотонно убывают.

Функция
на промежутке
:

.

Несобственный интеграл расходится, ряд расходится.

Ответ: [-;) – область сходимости ряда.

Ряд называется знакопеременным, если среди его членов имеются как положительные, так и отрицательные.

Рассмотренные в предыдущем параграфе знакочередующиеся ряды являются, очевидно, частным случаем знакопеременных рядов.

Мы рассмотрим здесь некоторые свойства знакопеременных рядов. При этом в отличие от соглашения, принятого в предыдущем параграфе, мы будем теперь полагать, что числа могут быть как положительными, так и отрицательными.

Прежде всего, дадим один важный достаточный признак сходимости зракопеременного ряда.

Теорема 1. Если знакопеременный ряд

таков, что ряд, составленный из абсолютных величин его членов,

сходится, то и данный знакопеременный ряд также сходится.

Доказательство. Пусть — суммы первых членов рядов (1) и (2).

По условию, имеет предел и — положительные возрастающие величины, меньшие а. Следовательно, они имеют пределы Из соотношения следует, что и имеет предел и этот предел равен , т. е. знакопеременный ряд (1) сходится.

Доказанная теорема дает возможность судить о сходимости некоторых знакопеременных рядов. Исследование вопроса о сходимости знакопеременного ряда сводится в этом случае к исследованию ряда с положительными членами.

Рассмотрим два примера.

Пример 1. Исследовать сходимость ряда

где а — любое число.

Решение. Наряду с данным рядом, рассмотрим ряды

Ряд (5) сходится (см. § 6). Члены ряда (4) не больше соответственных членов ряда (5); следовательно, ряд (4) тоже сходится. Но тогда в силу доказанной теоремы данный знакопеременный ряд (3) тоже сходится.

Пример 2. Исследовать сходимость ряда

Решение. Наряду с данным рядом, рассмотрим ряд

Этот ряд сходится, так как он является убывающей геометрической прогрессией со знаменателем 1/3. Но тогда сходится и заданный ряд (6), так как абсолютные величины его членов меньше соответствующих членов ряда (7).

Заметим, что признак сходимости, доказанной выше, является только достаточным признаком сходимости знакочередующегося ряда, но не необходимым: существуют такие знакопеременные ряды, которые сами сходятся, но ряды, составленные из абсолютных величин их членов, расходятся. В связи с этим полезно ввести понятия об абсолютной и условной сходимости. знакопеременного ряда и на основе этих понятий классифицировать знакопеременные ряды.

Определение. Знакопеременный ряд

называется абсолютно сходящимся, если сходится ряд, составленный из абсолютных величин его членов:

Если же знакопеременный ряд (1) сходится, а ряд (2), составленный из абсолютных величин его членов, расходится, то данный знакопеременный ряд (1) называется условно или неабсолютно сходящимся рядом.

Пример 3. Знакопеременный ряд является условно сходящимся, так как ряд, составленный из абсолютных величин его членов, есть гармонический ряд который расходится. Сам же ряд сходится, что легко проверить с помощью признака Лейбница.

Пример 4. Знакопеременный ряд есть ряд абсолютно сходящийся, так как ряд, составленный из абсолютных величин его членов сходится, как это было установлено в § 4.

С помощью понятия абсолютной сходимости теорему 1 часто формулируют следующим образом: всякий абсолютно сходящийся ряд есть ряд сходящийся.

В заключение отметим (без доказательства) следующие свойства абсолютно сходящихся и условно сходящихся рядов.

Теорема 2. Если ряд сходится абсолютно, то он остается абсолютно сходящимся при любой перестановке его членов. При этом сумма ряда не зависит от порядка его членов.

Это свойство не сохраняется для условно сходящихся рядов. Теорема 3. Если ряд сходится условно, то, какое бы мы ни задали число А, можно так переставить члены этого ряда, чтобы его сумма оказалась в точности равной А. Более того, — можно так переставить члены условно сходящегося ряда, чтобы ряд, полученный после перестановки, оказался расходящимся.

Доказательство эти теорем выходит за рамки данного курса. Его можно найти в более подробных учебниках (см., например, Фнхтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления, т. II. — М.: Физматгиз, 1962, с. 319-320).

Определение

Ряд называется знакопеременным , если он содержит как положительные, так и отрицательные члены.

Пример 16. Ряды

,
,

являются знакопеременными.

Знакочередующиеся ряды, очевидно, являются частным случаем знакопеременных рядов.

Для знакопеременного ряда  возникает вопрос о связи его сходимости со сходимостью знакоположительного ряда .

ТЕОРЕМА 9 (Признак абсолютной сходимости)

Если сходится ряд , то сходится и ряд .

Доказательство. Из сходимости ряда по свойству 3 сходящихся рядов следует сходимость ряда
. Действительно, поскольку
, где
, то по первому признаку сравнения сходится и ряд
.

Отсюда следует, что ряд
также сходится, так как является алгебраической суммой двух сходящихся рядов.

В доказанной теореме сформулирован достаточный признак сходимости ряда . Обратное утверждение в общем случае неверно.

Определения

Если сходится ряд , то ряд  называется абсолютно сходящимся.

Если же ряд  сходится, а ряд  расходится, то ряд  называется условно сходящимся .

Пример 17.
.

Общий член этого ряда
. Так как
, то ряд
расходится, ибо он является рядом Дирихле, в котором
. Ряд
согласно признаку Лейбница сходится. Следовательно, исследуемый ряд сходится условно.

Пример 18. Исследовать на сходимость ряд
.

Этот ряд сходится абсолютно, так как ряд
– сходящийся ряд Дирихле.

При исследовании знакочередующихся рядов на сходимость можно рассуждать по следующей схеме:

Ранее отмечалось, что в знакоположительных рядах можно произвольным образом переставлять и группировать члены. В знакопеременных рядах, если они абсолютно сходятся, это свойство сохраняется. Для условно сходящихся рядов дело обстоит иначе. Здесь группировка, перестановка членов ряда может нарушить сходимость ряда. Например, если из знакочередующегося условно сходящегося ряда выделить положительные члены, то полученный ряд может расходиться. Следует иметь в виду это обстоятельство и с условно сходящимися рядами обращаться с большой осторожностью. Для условно сходящихся рядов справедлива следующая теорема Римана.

ТЕОРЕМА 10

Изменяя порядок членов в условно сходящемся ряде, можно сделать его сумму равной любому наперед заданному числу и даже сделать ряд расходящимся.

К примеру, если в ряде
провести перестановку членов, то ряд можно представить в виде

Итак, сумма рассматриваемого ряда уменьшилась вдвое. Это происходит потому, что при условной сходимости осуществляется взаимное погашение положительных и отрицательных членов и, следовательно, сумма ряда зависит от порядка расположения членов, а при абсолютной сходимости ряда этого не происходило.

Пример 19. Исследовать на сходимость ряд
.

Данный ряд знакочередующийся. Исследуем ряд, составленный из модулей его членов, т.е. ряд
. Используя признак Коши, получаем

Следовательно, данный ряд сходится абсолютно.

Функциональные ряды Функциональный ряд и его область сходимости

Пусть
,
,…,
,…– последовательность функций, определенных на некотором множестве
.

Определение

Ряд вида

, (14)

членами которого являются функции, называется функциональным .

Придавая в (14) различные числовые значения из множества
, будем получать различные числовые ряды. В частности, при
из (14) получим числовой ряд
. Этот числовой ряд может быть сходящимся или расходящимся. Если он сходится, тоназываетсяточкой сходимости функционального ряда (14) .

Множество всех точек сходимости функционального ряда называют его областью сходимости и обозначают ее через
Очевидно,
. В частных случаях множество
может совпадать или не совпадать с множеством
или же может быть и пустым множеством. В последнем случае функциональный ряд расходится в каждой точке множества
.

Вид области
для произвольного функционального ряда может быть различным: вся числовая ось, интервал, объединение интервалов и полуинтервалов и т.д. В простейших случаях при исследовании функциональных рядов на сходимость можно применить рассмотренные выше признаки сходимости числовых рядов, если подx понимать фиксированное число.

Определения

Сумма первых членов функционального ряда

называется
ой частичной суммой , а функция
, определенная в области

,– суммой функционального ряда .

Функция , определенная в области
называется остатком ряда .

Функциональный ряд называется абсолютно сходящимся на множестве
, если в каждой точке
 сходится ряд
.

Определение 6.1 Числовой ряд, содержащий бесконечное множество положительных и бесконечное множество отрицательных членов, называется знакопеременным. Частным случаем знакопеременного ряда является знакочередующийся ряд, то есть такой ряд, в котором последовательные члены имеют противоположные знаки.

Признак Лейбница

Для знакочередующихся рядом действует достаточный признак сходимости Лейбница.

Пусть {an} является числовой последовательностью, такой, что

1. an+1 < an ;

Тогда знакочередующиеся ряды и сходятся.

Абсолютная и условная сходимость

Определение 6.2 Ряд называется абсолютно сходящимся, если ряд также сходится. Если ряд сходится абсолютно, то он является сходящимся (в обычном смысле). Обратное утверждение неверно.

Ряд называется условно сходящимся, если сам он сходится, а ряд, составленный из модулей его членов, расходится.

Применим достаточный признак Лейбница для знакочередующихся рядов. Получаем

поскольку. Следовательно, данный ряд сходится.

Исследовать на сходимость ряд.

Попробуем применить признак Лейбница:

Видно, что модуль общего члена не стремится к нулю при n > ?. Поэтому данный ряд расходится

Применяя признак Даламбера к ряду, составленному из модулей соответствующих членов, находим

Следовательно, данный ряд сходится абсолютно.

Определить, является ли ряд абсолютно сходящимся, условно сходящимся или расходящимся?

Сначала воспользуемся признаком Лейбница и найдем предел. Вычислим этот предел по правилу Лопиталя:

Таким образом, исходный ряд расходится.

Исследовать на сходимость ряд

Общий член данного ряда равен. Применим признак Даламбера к ряду, составленному из модулей:

Следовательно. исходный ряд сходится абсолютно.

Исследовать, является ли ряд абсолютно сходящимся, условно сходящимся или расходящимся?

Применяя признак Лейбница, видим, что ряд является сходящимся:

Рассмотрим теперь сходимость ряда, составленного из модулей соответствующих членов. Используя интегральный признак сходимости, получаем

Следовательно исходный ряд сходится условно.

Определить, является ли ряд абсолютно сходящимся, условно сходящимся или расходящимся?

Сначала применим признак Лейбница:

Следовательно, данный ряд сходится. Выясним, является ли эта сходимость абсолютной или условной. Воспользуемся предельным признаком сравнения и сравним соответствующий ряд из модулей с расходящимся гармоническим рядом:

Поскольку ряд, составленный из модулей, расходится, то исходный знакочередующийся ряд является условно сходящимся.

1. Ряды с положительными членами. Признаки сходимости

Определить сходимость ряда (1.1) и найти его сумму в случае сходимости непосредственно по определению 1.1 как предела последовательности частичных сумм, весьма затруднительно. Поэтому существуют достаточные признаки определения сходится ряд или расходится. В случае его сходимости приближенным значением его суммы с любой степенью точности может служить сумма соответствующего числа первых n членов ряда.

Здесь будем рассматривать ряды (1.1) с положительными (неотрицательными) членами, т. е. ряды, для которых Такие ряды будем называть положительными рядами.

Теорема 3.1. (признак сравнения)

Пусть даны два положительных ряда

и выполняются условия для всех n=1,2,…

Тогда: 1) из сходимости ряда (3.2) следует сходимость ряда (3.1);

2) из расходимости ряда (3.1) следует расходимость ряда (3.2).

Доказательство. 1. Пусть ряд (3.2) сходится и его сумма равна В. Последовательность частичных сумм ряда (3.1) является неубывающей ограниченной сверху числом В, т. е.

Тогда в силу свойств таких последовательностей следует, что она имеет конечный предел, т. е. ряд (3.1) сходится.

2. Пусть ряд (3.1) расходится. Тогда, если ряд (3.2) сходится, то в силу доказанного выше пункта 1 сходился бы и исходный ряд, что противоречит нашему условию. Следовательно ряд (3.2) также расходится.

Этот признак удобно применять к определению сходимости рядов, сравнивая их с рядами, сходимость которых уже известна.

Пример 3.1. Исследовать на сходимость ряд

Члены ряда положительны и меньше соответствующих членов сходящегося ряда геометрической прогрессии

т. к. , n=1,2,…

Следовательно, по признаку сравнения исходный ряд также сходится.

Пример 3.2. Исследовать на сходимость ряд

Члены данного ряда положительны и больше соответствующих членов расходящегося гармонического ряда

Следовательно, по признаку сравнения исходный ряд расходится.

Теорема 3.2. (Предельный признак Даламбера).

Тогда: 1) при q < 1 ряд (1.1) сходится;

  • 2) при q > 1 ряд (1.1) расходится;

Замечание: Ряд (1.1) будет расходиться и в том случае, когда

Пример 3.3. Исследовать на сходимость ряд

Применим предельный признак Даламбера.

В нашем случае.

Пример 3.4. Исследовать на сходимость ряд

Следовательно, исходный ряд сходится.

Пример 3.5. Исследовать на сходимость ряд

Применим предельный признак Даламбера:

Следовательно, исходный ряд расходится.

Замечание. Применение предельного признака Даламбера к гармоническому ряду не дает ответа о сходимости этого ряда, т. к. для этого ряда

Теорема 3.3. (Предельный признак Коши Коши Огюстен Луи (1789 — 1857), французский математик.).

Пусть члены положительного ряда (1.1) таковы, что существует предел

Тогда: 1) при q < 1 ряд (1.1) сходится;

  • 2) при q > 1 ряд (1.1) расходится;
  • 3) при q = 1 о сходимости ряда (1.1) ничего сказать нельзя, необходимы дополнительные исследования.

Пример 3.6. Исследовать на сходимость ряд

Применим предельный признак Коши:

Следовательно, исходный ряд сходится.

Теорема 3.4. (Интегральный признак Коши).

Пусть функция f(x) непрерывная неотрицательная невозрастающая функция на промежутке

Тогда ряд и несобственный интеграл сходятся или расходятся одновременно.

Пример 3.7. Исследовать на сходимость гармонический ряд

Применим интегральный признак Коши.

В нашем случае функция удовлетворяет условию теоремы 3.4. Исследуем на сходимость несобственный интеграл

Несобственный интеграл расходится, следовательно, исходный гармонический ряд расходится также.

Пример 3.8. Исследовать на сходимость обобщенный гармонический ряд

Функция удовлетворяет условию теоремы 3.4.

Исследуем на сходимость несобственный интеграл

Рассмотрим следующие случаи:

  • 1) пусть Тогда обобщенный гармонический ряд есть гармонический ряд, который расходится, как показано в примере 3.7.
  • 2) пусть Тогда

Несобственный интеграл расходится, и, следовательно, ряд расходится;

3) пусть Тогда

Несобственный интеграл сходится, и, следовательно, ряд сходится.

Окончательно имеем

Замечания. 1. Обобщенный гармонический ряд будет расходиться при, т. к. в этом случае не выполняется необходимый признак сходимости: общий член ряда не стремится к нулю.

2. Обобщенный гармонический ряд удобно использовать при применении признака сравнения.

Пример 3.9. Исследовать на сходимость ряд

Члены ряда положительны и меньше соответствующих членов сходящегося обобщенного гармонического ряда

т. к. и параметр

Следовательно, исходный ряд сходится (по признаку сравнения).

Перейдем к рассмотрению рядов, члены которых могут быть как положительными, так и отрицательными.

Поделиться:

Оставьте комментарий

17 − 5 =