- •Числовые ряды
- •Сходимость числового ряда
- •Простейшие свойства сходящихся рядов
- •Сходимость положительных рядов
- •Сходимость знакопеременных рядов
- •Ряд лейбницевского типа и его свойства
- •Абсолютная и условная сходимость ряда
- •Свойства сходящихся рядов
- •Умножение рядов
- •Бесконечные произведения
- •Задания для самостоятельной работы
- •Сходимость функциональных последовательностей
- •Арифметические операции с равномерно сходящимися функциональными последовательностями
- •Критерии равномерной сходимости функциональной последовательности
- •Сходимость функционального ряда
- •Функциональные свойства предельной функции и суммы ряда
- •Степенные ряды
- •Функциональные свойства степенного ряда
- •Разложение функций в ряд Тейлора
- •Задания для самостоятельной работы
- •Функциональные последовательности
- •Функциональные ряды
- •Несобственные интегралы
- •Определение несобственного интеграла
- •Методы вычисления несобственных интегралов
- •Несобственные интегралы от неотрицательных функций
- •Абсолютная и условная сходимость несобственных интегралов
- •Несобственные интегралы с несколькими особыми точками
- •Главное значение несобственного интеграла
- •Задания для самостоятельной работы
- •Интегралы, зависящие от параметра
- •Равномерная сходимость функции к предельной
- •Функциональные свойства предельной функции
- •Свойства cобственных интегралов, зависящих от параметра
- •Несобственные интегралы, зависящие от параметра
- •Признаки равномерной сходимости НИЗП
- •Функциональные свойства НИЗП
- •Примеры вычисления несобственных интегралов
- •Интеграл Дирихле
- •Интеграл Фруллани
- •Эйлеровы интегралы
- •Свойства B-функции
- •Задания для самостоятельной работы
- •Ряды Фурье
- •Ортогональные системы функций
- •Определение ряда Фурье по ортогональной системе
- •Ряды Фурье по тригонометрической системе
- •Интегральное представление частичных сумм ряда Фурье
- •Сходимость в точке тригонометрического ряда Фурье
- •Разложение функции только по синусам или косинусам
- •Ядра и многочлены Фейера
- •Теоремы Вейерштрасса об аппроксимации
- •Теорема Ляпунова
- •Дифференцирование и интегрирование тригонометрического ряда Фурье
- •Задания для самостоятельной работы
степенной ряд (2.14) сходится абсолютно в точках |x| < ρ1 и расходится в точках |x| > ρ1. Последнее означает, что R = ρ1.
Замечание. Если существует предел lim |an+1| = A, и для исследо-
n→∞ |an|
вания сходимости ряда (2.15) использовать признак Даламбера, то легко
доказать, что радиус сходимости степенного ряда (2.14) равен |
|
1 |
. |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
n! xn |
|
|
A |
|
||||||
Пример 2.14. Найти область сходимости ряда |
. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
=1 |
|
nn |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
n! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
n |
|
1 |
|
nX |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Так как an = |
|
и lim |
|
|an+1| |
= lim |
|
1 + |
!− |
= |
|
, то R = e и интервал |
||||||||||||||||||||||||||||||
n |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|an| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
сходимости данного степенного ряда — (−e, e). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
Исследуем поведение этого ряда в точках |
x = ±e. |
Если |
x = e |
, то |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
||||||||||||
исходный ряд принимает вид |
|
|
n! e |
. Положим bn = |
n! e |
|
, тогда |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
=1 |
|
nn |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
nn |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
nX |
|
|
|
|
|
|
!−n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|bn+1| |
|
= e 1 + |
1 |
1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|bn| |
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
→ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Но последовательность |
|
|
|
|
|
|
/n |
n |
} |
является возрастающей, |
|
поэтому |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
{(1 + 1n |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
последовательность |
e |
1 + |
1 |
! |
− |
является убывающей и |
|bn+1| |
> 1 для |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
N. |
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|bn| |
|
|
|
|
|||||||
всех n |
|
Согласно признаку Даламбера в непредельной форме, чис- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
∞ n! en |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ловой ряд |
|
|
|
|
расходится и bn |
6→0. Последнее означает, что и в |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
=1 nn |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
nX |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
точке x = −e исходный ряд расходится, то есть область его сходимости совпадает с интервалом сходимости (−e, e).
2.8 Функциональные свойства степенного ряда
Теорема 2.25 (о равномерной сходимости степенного ряда внутри интервала сходимости). Если радиус сходимости R степенного ряда (2.14) отличен от нуля, то степенной ряд равномерно и абсолютно сходится на любом отрезке [a, b] (−R; R).
Зафиксируем отрезок [a, b] (−R, R). Пo аксиоме непрерывности множества действительных чисел R найдётся r0 > 0 такое, что
[a, b] [−r0, r0] (−R, R).
Так как r0 (0, R), то числовой ряд |
nX |
∞ |an| r0n сходится. Но |
|
|
=0 |
|anxn| ≤ |an| r0n, x [a, b], n ≥ 0.
61
Если степенной ряд (2.14) имеет радиус сходимости R > 0 и сумму S(x) в области X сходимости ряда, то ряд(2.14) можно почленно интегрировать на отрезке с концами в точках 0 и x, где x (−R, R),
и |
|
|
|
|
|
x |
|
∞ an |
|
||
Z |
|
|
|||
S(x) dx = |
=0 |
|
xn+1. |
(2.16) |
|
n + 1 |
|||||
0 |
|
nX |
|
||
|
|
62 |
|
|
|
Ряд, полученный почленным интегрированием, имеет тот же радиус сходимости, что и ряд (2.14).
Для любого x из области сходимости ряда (2.14), согласно теоремам 2.25 и 2.27, степенной ряд (2.14) равномерно сходится на отрезке с концами в точках 0 и x. Пусть, далее, для определенности, x > 0. Поскольку члены степенного ряда непрерывны на R, то в силу теоремы 2.19 сумма S(x) ряда (2.14) интегрируема на отрезке [0, x] и имеет место формула (2.16).
Найдём радиус сходимости ряда (2.16). Так как ряд в (2.16) сходится
или расходится в точке x 6= 0 одновременно с рядом |
∞ |
an |
n |
и |
|||||||||||||||||||
=0 |
|
|
|
x |
|
||||||||||||||||||
n + 1 |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
nX |
|
|
|
|
|
||
|
|
n |
a |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
lim |
v |
| |
n| |
= lim |
n an lim |
|
|
|
= lim |
an , |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
n |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
u |
n + 1 |
q| | |
|
|
q| | |
|
|
||||||||||||||
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
то радиус сходимости ряда (2.16) совпадает c радиусом R сходимости ряда (2.14).
Теорема 2.30 (о почленном дифференцировании степенного ряда). Пусть степенной ряд (2.14) имеет радиус сходимости R > 0. Тогда его сумма S(x) является непрерывно дифференцируемой функцией на интервале сходимости (−R, R) и ее производная может быть получена почленным дифференцированием ряда (2.14) внутри интервала сходимости , то есть
∞ |
|
nX |
|
S0(x) = nanxn−1, x (−R, R). |
(2.17) |
=1 |
|
После почленного дифференцирования ряда (2.14) на (−R, R) полу-
чим ряд (2.17), который сходится или расходится одновременно с рядом |
|||
nX |
|
|
|
∞ nanxn. Пусть R1 — радиус сходимости последнего степенного ряда, а |
|||
=1 |
qn|an| = lim √n n lim |
q|an| = lim |
q|an|, |
значит и ряда (2.17). Так как lim |
|||
|
n |
n: |
n |
то R1 = R. Поэтому, в силу теоремы 2.25 и замечания к теореме 2.21, сумма ряда S(x) непрерывно дифференцируема внутри интервала сходимости (−R, R), (то есть на любом отрезке [a, b], лежащем в (−R, R)), а, значит, в интервале (−R, R) имеет место равенство (2.17).
Cледствие. Пусть степенной ряд (2.14) имеет радиус сходимости R > 0. Тогда его сумма S(x) принадлежит классу функций C∞(−R, R) и ее k-ая производная может быть получена k-кратным почленным дифференцированием степенного ряда (2.14), то есть
∞ |
|
n! |
|
|
|
nX |
|
|
|
|
|
(n |
− |
k)! an xn−k, x (−R, R). |
(2.18) |
||
S(k)(x) = |
|
||||
=k |
|
|
|
|
|
63
Замечание. Если R > 0 — радиус сходимости степенного ряда (2.14), то ряд, полученный его k-кратным (k N) почленным дифференцированием, имеет тот же радиус сходимости R.
2.9 Разложение функций в ряд Тейлора
Определение 2.12. Будем говорить, что функция f может быть разложена в степенной ряд на интервале Ux0 (h) = (x0−h, x0+h), h > 0,
x0 R, если существует степенной ряд |
nX |
∞ an(x − x0)n, сходящийся к |
|
функции f на интервале Ux0 (h). |
=0 |
|
Теорема 2.31. Для того, чтобы функцию f можно было разложить в степенной ряд на интервале Ux0 (h) = (x0 − h, x0 + h), необходимо, чтобы эта функция принадлежала классу C∞(Ux0 (h).
Теорема 2.31 вытекает из следствия к теореме 2.30.
Теорема 2.32. Если f C∞(Ux0 (h)) и f(x) = |
∞ an(x − x0)n, x |
||||
|
|
|
|
|
=0 |
|
f(n)(x0) |
|
nX |
||
Ux0 (h), то an = |
, n ≥ 0. |
|
|||
|
n! |
|
|
||
Пусть f(x) = |
|
∞ an (x−x0)n, x Ux0 (h), тогда f(x0) = a0. Дифферен- |
|||
|
=0 |
|
|
|
|
|
nX |
|
|
цируя этот ряд почленно k раз, получим для всех x Ux0 (h) равенство
∞ |
|
n! |
|
|
|
|
||
nX |
|
|
|
|
|
|
|
|
(n |
− |
k)!an (x − x0)n−k, |
|
|||||
f(k)(x) = |
|
|
||||||
=k |
|
|
|
|
|
|
|
|
подставляя в которое x = x0, находим, что |
|
|
||||||
f(k)(x0) = ak k! , то есть |
ak = |
f(k)(x0) |
, k ≥ 0. |
(2.19) |
||||
k! |
|
Cледствие. Если f C∞(Ux0 (h)) и эту функцию можно разложить в степенной ряд на Ux0 (h), то коэффициенты этого степенного ряда однозначно определяются формулой (2.19).
Определение 2.13. Если f C∞(Ux0 (h)), то степенной ряд
∞ |
f(n)(x0) |
|
n |
|
|
nX |
|
|
(x − x0) |
|
(2.20) |
n! |
|
||||
=0 |
|
||||
|
|
|
|
|
называется рядом Тейлора функции f, а числа f(n)(x0) — коэффици- n!
ентами Тейлора. Если x0 = 0, то ряд (2.20) называют рядом Тейло- ра-Маклорена (или, короче, рядом Маклорена) функции f.
64
Из теоремы 2.32 непосредственно вытекает следующий результат.
∞
X
Теорема 2.33. Пусть степенной ряд an(x − x0)n имеет отлич-
n=0
ный от нуля радиус сходимости. Тогда этот ряд является рядом Тейлора своей суммы.
Замечание. Если f C∞(Ux0 (h)) и степенной ряд |
nX |
∞ an(x − x0)n |
|
|
=0 |
является рядом Тейлора функции f, то есть an, n N0, определяются по формуле (2.19), то этот ряд не обязательно сходится при x 6= x0 и имеет суммой функцию f(x). Подтвердим сказанное примером.
Пример 2.15. Найти разложение в ряд Тейлора функции
|
f(x) = e−1/x2 , x 6= 0, |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0, |
x = 0. |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ясно, что f C(R) и для x 6= 0 имеем: |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
f0(x) = |
2 |
e−1/x2 , |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
x3 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
6 |
e−1/x |
2 |
4 |
|
e−1/x |
2 |
|||||||
|
f00(x) = − |
|
|
+ |
|
|
, |
|||||||||
|
x4 |
|
x6 |
|||||||||||||
|
24 |
|
|
2 |
36 |
2 |
8 |
2 |
||||||||
f(3) |
(x) = |
|
e−1/x |
|
− |
|
e−1/x |
+ |
|
e−1/x . |
||||||
x5 |
|
x7 |
x9 |
Пользуясь методом математической индукции можно показать, что для всех n N и x 6= 0 f(n)(x) есть сумма конечного числа функций ви-
да |
A |
e−1/x2 , k |
N |
. Так как lim x−k e−1/x2 = 0, |
|
k |
N |
, то f(n)(0) = 0, |
|
xk |
|||||||||
|
|
x→0 |
|
|
n N, и функции f(n) непрерывны в точке x = 0. Следовательно, ряд
Тейлора функции f в нуле представляет собой ряд |
nX |
0 |
· xn (все его |
∞ |
|||
|
=0 |
|
|
коэффициенты равны нулю). Радиус сходимости этого ряда R = +∞, то есть ряд сходится в каждой точке x R и его сумма S(x) = 0. Поскольку единственным степенным рядом, представляющим в некоторой окрестности нуля функцию f, может быть только её ряд Тейлора с центром в точке x0 = 0, то, рассматриваемая функция f не представляется степенным рядом в окрестности точки x = 0.
Замечание. Существуют функции f C∞(R), ряд Маклорена которых сходится лишь в одной точке x = 0 (см. [5, пример 24, с. 91]).
Теорема 2.34 (критерий разложения функции в ряд Тейлора).
n |
f(k)(x0) |
|
|
kX |
|
|
(x−x0)k + rn(x) — её разложение по |
Пусть f C∞(Ux0 (h)) и |
k! |
||
=0 |
|
|
|
65
формуле Тейлора с остаточным членом rn(x) на Ux0 (h). Для того чтобы ряд Тейлора функции f сходился на интервале Ux0 (h) к функции f, необходимо и достаточно, чтобы
nlim→∞ rn(x) = 0, x Ux0 (h) = (x0 − h, x0 + h).
Утверждение очевидно.
Теорема 2.35 (достаточное условие разложения функции в ряд Тейлора). Пусть f C∞(Ux0 (h)) и существуют числа A > 0, B > 0 такие, что |f(n)(x)| ≤ A · Bn, x Ux0 (h), n N0. Тогда
∞ |
f(n)(x0) |
n |
||
nX |
|
|
(x − x0) , x Ux0 (h). |
|
n! |
||||
f(x) = |
||||
=0 |
|
|
|
Так как f C∞(Ux0 (h)), то для любого x Ux0 (h) и n N0 функцию f(x) можно разложить по формуле Тейлора с остаточным членом в форме
Лагранжа
|
|
|
|
|
|
n |
|
f(k)(x0) |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
kX |
|
|
|
(x − x0)k + rn(x), |
||||||||
|
f(x) = |
|
|
|
k! |
|
|||||||||||
где |
|
|
|
=0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
rn(x) = |
f(n+1)(θx) |
|
(x − x0)n+1, |
θx = x0 + θ(x − x0), θ (0, 1). |
|||||||||||||
(n + 1)! |
|||||||||||||||||
В силу условий теоремы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
r |
(x) |
| ≤ |
A · Bn+1 |
hn+1, |
|
x |
|
U |
|
(h). |
||||||
|
| n |
|
|
|
(n + 1)! |
|
|
|
|
x0 |
|
||||||
Но, как известно, lim |
(Bh)n+1 |
= 0, и потому |
|
lim rn(x) = 0. Таким |
|||||||||||||
|
(n + 1)! |
|
|||||||||||||||
|
n→∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
n→∞ |
образом, выполнено достаточное условие критерия разложения функции в ряд Тейлора.
Cледствие. Если f C∞(Ux0 (h)) и существует число A > 0 такое, что |f(n)(x)| ≤ A для всех x Ux0 (h) и всех n N0, то функция f разлагается в ряд Тейлора в Ux0 (h).
Найдем ряд Маклорена для некоторых элементарных функций.
x |
∞ |
xn |
|
|
Лемма 2.1. e = |
nX |
|
|
x R. |
|
|
|||
=0 n! , |
Функция f(x) = ex C∞(R), f(n)(x) = ex, n N0. Следовательно, f(n)(0) = 1, n N0. Если h > 0, то |f(n)(x)| = |ex| ≤ eh, x (−h, h) и
по следствию теоремы 2.15
X
∞ xn
ex = n=0 n! , x (−h, h).
Так как h > 0 выбрано произвольно, нужное разложение получено.
66
Лемма 2.2. |
sin x = |
∞ |
|
(−1)n |
|
x2n+1 , |
|
x |
R |
. |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
=0 (2n + 1)! |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
nX |
|
|
|
|
|
|
|
|
n π |
|
|
|
|
||
Функция f(x) = sin x C∞(R), f(n)(x) = sin(x + |
), n N. Тогда |
|||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
2 |
||||||||||||||||||||
f(n)(0) = sin |
nπ |
= |
|
0 k |
, если n = |
2k |
|
, k |
|
N0. |
|
|||||||||
|
( |
, если n = |
2k + 1 |
|
||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
− |
1) |
|
|
|
|||||||||||
Кроме того, |f |
(n) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.15 |
функция |
|||
|
(x)| ≤ 1, x R. По следствию теоремы |
f(x) = sin x разлагается в указанный в условии леммы ряд Тейлора на любом промежутке (−h, h), h > 0, а, значит, на R.
Аналогично доказывается, и следующий результат.
Лемма 2.3. cos x = |
∞ |
(−1)n |
x2n , |
x . |
|
nX |
|||||
|
|
|
R |
||
|
=0 (2n)! |
Лемма 2.4. Для всех α R \ {0} и всех x (−1, 1)
(1 + x)α = 1 + ∞ |
α(α − 1) . . . (α − n + 1) |
xn . |
|
nX |
n! |
||
=1 |
|||
|
|
Если f(x) = (1 + x)α, α R \ {0}, то D(f) = (−1, +∞), f C∞(D(f)), f(0) = 1, и для всех n N
f(n)(x) = α(α−1) . . . (α−n+ 1)(1 + x)α−n, f(n)(0) = α(α−1) . . . (α−n+ 1).
Поэтому функции f соответствует ряд Маклорена
|
|
|
1 + ∞ |
α(α − 1) . . . (α − n + 1) |
xn , |
|
|
|
|||||||||
|
|
=1 |
|
|
n! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
nX |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
который называют биномиальным рядом. Заметим, что если α N, то |
|||||||||||||||||
биномиальные коэффициенты при xα+k, k N, равны нулю. |
|
|
|||||||||||||||
Изучим остаточный член rn(x) формулы Тейлора функции f(x) = |
|||||||||||||||||
(1 + x)α. В форме Коши он имеет вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
r |
(x) = f(n+1)(θ x) |
(1 − θ)n |
xn+1, |
|
x |
|
( |
1, 1), где θ |
|
(0, 1). |
||||||
|
n |
|
|
|
n! |
|
− |
|
|
|
|
|
|||||
Поэтому в данном случае |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
r |
(x) = |
α(α − 1) . . . (α − n)(1 + θx)α−n−1 |
(1 |
− |
θ)n xn+1, |
θ |
|
(0, 1). |
|||||||||
n |
|
|
|
|
n! |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Положим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
γ1,n(x) = |
α(α − 1)(α − 2) . . . (α − n) |
xn, |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
n! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
γ2,n(x) = αx(1 + θx)α−1, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
γ3,n(x) = |
1 − θ |
!n . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
1 + θx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
67
Тогда rn(x) = γ1,n(x) · γ2,n(x) · γ3,n(x). Ряд
∞ |
∞ |
α 1 . . . α n |
||
X |
nX |
|
|
|
| − | n! | − | · |xn| |
||||
|γ1,n(x)| = |
=1 |
|||
n=1 |
|
|
сходится на интервале (−1, 1) согласно признаку Даламбера, поэтому
nlim→∞ γ1,n(x) = 0, x (−1, 1).
Далее, так как 1 − |x| < 1 + θx < 1 + |x|, x (−1; 1), то последовательность {γ2,n(x)} ограничена на (−1, 1). Наконец, для всех x (−1, 1)
|
| |
γ3,n(x) |
| |
= |
1 − θ |
n |
≤ |
|
1 − θ |
|
< 1. |
|
|
||||||
|
1 + θx |
1 θ x |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
| |
| |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Следовательно, nlim rn(x) = 0, |
x (−1, 1), и по критерию 2.34 на (−1, 1) |
||||||||||||||||||
→∞ |
|
α |
разлагается в указанный в условии леммы |
||||||||||||||||
функция f(x) = (1 + x) |
|
|
|||||||||||||||||
степенной ряд. |
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
nX |
(−1)nxn, |
x |
(−1, 1). |
|
||||||||
Cледствие 1. |
|
|
(1 + x)−1 = |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
=0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cледствие 2. |
|
|
(1 − x)−1 |
nX |
xn, x (−1, 1). |
|
|
||||||||||||
|
|
= |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
=0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
nX |
|
|
|
|
|
xn |
|
|
|
|
|
|
Лемма 2.5. |
|
|
|
x |
|
∞ |
|
|
n−1 |
|
|
, |
|
x |
|
. |
|||
|
ln(1 + |
|
|
) = |
(−1) |
|
· |
|
n |
|
|
|
(−1; 1] |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Функция f(x) = ln(1+x) определена и дифференцируема на (−1, +∞),
причём f0(x) = 1 +1 x. По следствию 1 леммы 2.4
∞
f0(x) = X (−1)nxn, x (−1, 1).
n=0
Интегрируя это равенство на отрезке [0; x], когда x (−1, 1), получим
|
|
x |
|
|
|
|
∞ ( |
1)n |
|
|
|
|
|
|
||
ln(1 + x) = Z |
f0(x)dx = |
=0 |
− |
xn+1 , x (−1, 1). |
|
|||||||||||
n + 1 |
|
|||||||||||||||
|
|
0 |
|
|
|
|
nX |
|
|
|
|
|
|
|
||
Так как последний степенной ряд сходится в точке x = 1, то его |
||||||||||||||||
сумма S(x) непрерывна в точке x = 1 слева, то есть S(1) = |
lim S(x). |
|||||||||||||||
Но функция ln(1 + x) непрерывна в точке x = 1, поэтому |
x→1−0 |
|||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||
S(1) = |
lim S(x) = |
lim |
ln(1 + x) = ln 2 = |
∞ |
(−1)k−1 |
, |
||||||||||
x |
1 0 |
|
x |
1 0 |
|
|
|
|
|
|
=1 |
|
k |
|
||
|
→ − |
|
|
|
|
→ − |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kX |
|
|
|
||
и потому |
|
|
|
|
(−1)k−1xk |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ln(1 + x) = |
∞ |
, |
|
x |
( 1, 1] . |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
=1 |
|
k |
|
− |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
kX |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
68