
Глава 14. Степенные ряды.
14.1 Функциональные ряды.
Ряд
называется функциональным, если его
члены являются функциями от
:
.(1).
Давая
определенные числовые значения, получим
различные числовые ряды, которые могут
сходится и расходится.
Совокупность тех
значений
,
при которых функциональный ряд сходится,
называетсяобластью сходимости ряда.
В области сходимости
ряда его сумма является функцией х:.
Пример. .
Этот ряд сходится при
(убывающая геометрическая прогрессия).
Очевидно,
=
при
.
Пусть
– сумма первыхnчленов
ряда (1). Если этот ряд сходится и его
сумма равна
,
то
=
+
,
где
=
– остаток ряда.
Для всех хв
области сходимости ряда,
поэтому
.
14.2. Степенные ряды.
Степенным рядом
называется функциональный ряд вида
(1), где
– числа – коэффициенты ряда.
Теорема Абеля.
Если степенной ряд сходится при некотором значении
, то он абсолютно сходится при всяком значении
, для которого
.
Если ряд расходится при некотором значении
, то он расходится при всяком
, для которого
.
Доказательство.
Т.к. числовой ряд
сходится, то его общий член
при
. Это значит, что существует такое число
, что все члены ряда по модулю
. Перепишем ряд (1) в виде:
и запишем ряд из модулей:
. Члены этого ряда меньше соответствующих членов ряда:
. При
последний ряд – геометрическая прогрессия со знаменателем
, который сходится, поэтому сходится и ряд из модулей.
Пусть в точке
ряд расходится. Тогда он будет расходится в любой точкехудовлетворяющей условию
. Действительно, если бы в какой-либо точке
удовлетворяющей этому условию, ряд сходится, то в силу 1 он должен был бы сходится и в точке
, т.к.
, что противоречит условию, что в точке
ряд расходится .
Из теоремы Абеляследует, что если– точка сходимости, то весь интервал
заполнен точками абсолютной сходимости,
т.е. существует число
,
такое что при всеххтаких, что
- степенной ряд сходится, а при
– расходится.
Теорема. Областью сходимости степенного ряда является интервал с центром в начале координат.
Определение.Интервалом сходимости степенного ряда
называется такой интервал отдо
,
что для всякой точки
,
лежащей внутри интервала, ряд сходится
абсолютно, для точек
,
лежащих вне него – расходится. Число
– радиус сходимости степенного ряда.
На концах интервала
(при
и
)
вопрос о сходимости решается индивидуально
для каждого ряда.
Для определения
радиуса сходимости
применяют признаки Даламбера и Коши
длямодулейчленов ряда.
Для определения
используем признак
Даламбера для модулей:
.
Если
,
то ряд сходится, если
- расходится. Поэтому
.
Аналогично,
– по признаку Коши.
Пользоваться этими
формулами следует осторожно, т.к. пределы
часто не существуют. Например, если
бесконечное множество коэффициентов
обращается в нуль (т.е. ряд содержит
члены только с четными или нечетными
степенямих), то пользоваться этими
формулами нельзя.
Пример..
По Даламберу:
.
,
.
Тогда при
- ряд сходится, при
– расходится. Радиус сходимости
.
При
– ряд расходится.
Пример..
.
При
ряд сходится, т.е. при
,
при
– расходится,
,
при
сходится, при
– расходится.
14.3. Интегрирование и дифференцирование степенных рядов
1. Если степенной
ряд
(1) имеет интервал сходимости
,
то ряд
(2), полученный почленным дифференцированием
ряда (1), имеет тот же интервал сходимости
и
при
,
т.е. внутри интервала сходимости
производная от суммы ряда равна сумме
производных от членов ряда.
Замечание.Полученный ряд снова можно почленно дифференцировать и продолжать так сколько угодно раз.
2. Пусть дан ряд
(1). Тогда
,
если
и х принадлежат интервалу сходимости
.
Т.е. если пределы интегрирования лежат
внутри интервала сходимости степенного
ряда, то интеграл от суммы ряда равен
сумме интегралов от членов ряда
Пример 1.Рассмотрим ряд(
– это геометрическая прогрессия с
).
Почленно интегрируя, получим:
.
Поскольку ряд в правой части сходится
прих = 1, то
.
Пример 2.Найти
сумму ряда.
Умножим обе части нахи проинтегрируем
от 0 дох:
.
Дифференцируя, находим
,
или
.
Пример 3.Найти
сумму ряда.
Продифференцируем:
(разложение в ряд Маклорена). Тогда
.
Чтобы найтиС, положим в исходном
ряде и в последнем равенствех=0:
,
т.е.
,
т.е.
.
Пример 4.Найти
сумму ряда(1). Трижды продифференцируем (1):
,
(2);
,
(3);
.
Получим исходный ряд, т.е.
.
,
,
,
тогда
.
Для вычисления
,
,
подставим
в формулы (1), (2), (3):
;
,
тогда
и
.
Тогда
;
или
;
;
.
14.4. Ряды Тейлора и Маклорена.
Имеется формула
Тейлорадля функции,
имеющий производные до
включительно, в окрестности точки
:
,
где остаточный член
,
.
Если
имеет производныевсех порядков в
окрестности точки
,
то в формуле Тейлора число
можно брать сколь угодно большим.
Допустим, что
,
тогда, переходя в формуле Тейлора к
пределу при
,
получим справа бесконечный ряд,Тейлора:
.
Если в формуле ряда Тейлора положить
,
то получимряд Маклорена:
.
Для каждой
элементарной функции существуют
и
,
такие, что в интервале
она разлагается в ряд Тейлора (или
Маклорена).
Пример 1.Разложить в ряд Маклорена функцию.
,
.
,
.
,
.
.
Тогда:
Пример 2.Разложить в ряд Маклорена.
,
,
поэтому
Пример 3.Разложить в ряд Маклорена.
,
,
,
,
,
,
и т.д., поэтому:
.
Приведем еще несколько основных разложений
,
,
,
(найдено в пример 1 из 14.3)
(из разложения
при
,
получаем, что
..
Подставляя вместох(
),
получим
,
тогда
.