Лекции / Metodichka_Grishina (1)
.pdf
|
an |
1 |
p |
1 |
|
. Если b |
|
|
1 |
, то |
bn |
|
||
|
|
|
|
|
|
n |
|
q |
|
|||||
|
|
|
o |
|
|
|
|
bn 1 |
||||||
|
an 1 |
|
n |
n |
|
|
|
|
n |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
выберем число q :1 q p . Тогда ряд bn |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
(n 1)q |
|
|
1 |
q |
|
1 |
|
|
|
nq |
|
|||
|
|
n |
||
сходится и
1 |
q |
o |
1 |
|
. Пусть |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
n n |
|
|
||
|
|
a |
|
|
b |
|
a |
1 |
|
b |
|
|
n0 : n n0 |
|
n |
|
n |
|
n |
|
n 1 |
, что по лемме означает сходимость ряда (1). |
|||
a |
|
b |
a |
|
b |
|||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
n |
|
n 1 |
|
n |
|
n |
|
|
||
Пусть p 1 |
. Выберем число q : p q 1 |
. Тогда ряд (2) расходится и |
||||||||||
a |
|
|
b |
|
b |
|
a |
|
n n |
|
|
n |
|
n |
|
n 1 |
|
n 1 |
для |
. Тогда по лемме ряд (1) расходится. |
|
|
0 |
|||||||||
a |
|
b |
b |
a |
||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
||||
n |
|
n 1 |
|
n |
|
n |
|
|
|
В завершении приведем формулировку достаточного признака сходимости рядов с положительными членами, объединяющий признаки Даламбера и Раабе.
Теорема 9 (признак Гаусса)
p 1
и
Если для ряда
an , n 1
an
0
найдутся числа
n |
, , , |
0 |
|
0,C
0
, для которых
|
an |
|
n |
|
с ограниченной последовательностью |
|
: |
|
C, n n |
, то |
||
|
|
|
|
n |
n |
|||||||
|
a |
|
n |
|
n1 |
|
|
|
0 |
|
||
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. |
При 1 |
ряд сходится. |
|
|
|
|
|
|||||
2. |
При 1 |
ряд расходится. |
|
|
|
|
|
|||||
3. |
При 1, 1 |
ряд сходится |
|
|
|
|
|
|||||
4. |
При 1, 1 |
ряд расходится |
|
|
|
|
|
|||||
ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ.
1.Понятие сходимости числового ряда. Критерий Коши для сходимости числового ряда. Необходимое условие сходимости.
2.Числовые ряды с положительными членами. Необходимое и достаточное условие сходимости ряда с положительными членами.
3.Числовые ряды с положительными членами. Признак сравнения 1 рядов с положительными членами.
4.Числовые ряды с положительными членами. Признак сравнения 2 рядов с положительными членами.
5.Числовые ряды с положительными членами. Признак Даламбера.
6.Числовые ряды с положительными членами. Интегральный признак Коши.
7.Числовые ряды с положительными членами. Радикальный признак Коши.
8.Числовые ряды с положительными членами. Признак Раабе.
Ф-03-Лекция 12. Знакопеременные ряды. П.1 Абсолютная и условная сходимости.
|
|
ОПР. Ряд an |
(1) называется абсолютно сходящимся, если сходится ряд |
n 1 |
|
составленный из модулей членов ряда (1). Теорема 1. Абсолютно сходящийся ряд сходится.
ДОК. Если ряд (2) сходится, то по критерию Коши:
an 
n 1
(2),
0 N
Поскольку
a |
n |
a |
n 1 |
... a |
m |
|
|
|
|
|
N
a |
n |
|
: n N , m n
an 1
...
am
a |
n |
a |
n 1 |
|
|
|
|
||
, для ряда(1) |
||||
... am |
. |
выполняется критерий Коши и ряд
сходится.
Любой из достаточных признаков сходимости рядов с положительными членами может быть использован как достаточный признак абсолютной сходимости знакопеременного ряда. Например, ПРИЗНАК ДАЛАМБЕРА абсолютной сходимости знакопеременного ряда.
Если для общего члена
a |
n |
|
знакопеременного ряда
an
n 1
(1) выполняется одно из условий:
|
|
|
a |
1 |
1. |
n0 , : 0 1: n n0 |
|
n |
|
a |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
;
2. |
lim |
|
n |
a |
1 |
n |
|
a |
n |
|
1
, то ряд (1) абсолютно сходится.
|
|
|
|
|
ОПР. Числовой ряд an (1) называется условно сходящимся, если (1) сходится, а ряд |
||||
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
an (2), составленный из модулей его членов, расходится. |
||||
n 1 |
|
|
|
|
|
|
x |
n |
|
|
|
|||
Пример 1. При каких x |
|
? |
||
сходится ряд n! |
|
|||
|
n 1 |
n |
|
|
Применим признак Даламбера для установления абсолютной сходимости:
|
an 1 |
|
|
|
(n 1)! x n 1 nn |
|
1 n |
n |
x |
1 x e; e |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
x |
|
|
|
|
|
||||
|
an |
(n |
1)n 1 x |
n |
n! |
|
e |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
При |
|
x |
|
e |
ряд сходится абсолютно. При x e |
ряд расходится по невыполнению |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
необходимого признака. При x e |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
a |
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
n |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
. Из условия монотонного возрастания последовательности |
e |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|||||||||||||||
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
a |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
следует, что an 1 1и общий член к нулю не стремится. an
Чтобы понять разницу между абсолютной и условной сходимостями числовых рядов докажем теорему, утверждающую, что члены абсолютно сходящегося ряда можно менять местами без потери сходимости и изменения суммы ряда. Условно сходящиеся ряды при изменении порядка слагаемых могут изменять свою сумму.
Теорема 2. (Дирихле)
|
|
|
|
|
|
Пусть ряд |
an |
(1) сходится абсолютно и m1, m2 ,..., mn ,... любая перестановка множества |
|||
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
натуральных чисел. Тогда ряд bn |
(3) с общим членом bn |
am |
также сходится |
||
|
|
|
|
|
n |
|
|
n 1 |
|
|
|
абсолютно и имеет ту же сумму.
ДОК. Для каждой частичной суммы n
сумма m(n)
a1 
a2
...
am(n)
ряда
n 1
b |
b |
1 |
2 |
a |
n |
, (2) |
|
|
|
|
|
... bn |
ряда bn |
, найдется частичная |
|
n 1 |
|
, включающая все слагаемые суммы n . В
свою очередь,
найдется частичная сумма
|
N (n) |
|
ряда
bn
, содержащая все
n 1
слагаемые суммы m(n) . Тогда n |
m(n) |
N (n) . Из абсолютной сходимости ряда (1) |
|
|
|||||||||||||||||
следует, что частичные суммы m(n) |
имеют предел, а поэтому ограничены. Тогда в силу |
|
|||||||||||||||||||
неравенства ограничены частичные суммы |
n |
и ряд (3) сходится абсолютно. Пусть S 1 |
, S |
2 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
n |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и Sn частичные суммы рядов (1), (2) и (3) соответственно и S –сумма ряда (1). |
|
|
|||||||||||||||||||
Тогда из абсолютной сходимости ряда (1) следует, что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
0 N : m N , n m SN S |
|
, Sn Sm |
|
|
, |
Sn |
Sm |
|
|
. |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
3 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
Существует число p p N такое, что для любого m p |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
содержит |
|
|
||||||||||
частичная сумма Sm |
|
|
|||||||||||||||||||
первые N членов ряда (1) и поэтому |
3 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Sm S N содержит сумму членов ряда (3) с номерами |
|
||||||||||||||||||||
большими N, что по выбору числа N означает S |
1 |
S 3 |
|
.Тогда |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
m |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
S S 3 |
S S 1 S 1 |
S 3 |
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
m |
N |
N |
m |
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
т.е. суммы рядов (1) и (3) совпадают. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Для условно сходящегося ряда справедлива |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Теорема 3. (Риман) (без доказательства) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, существует |
|
|
|||||||
Если ряд an (1) сходится условно, то для любого числа |
|
|
|||||||||||||||||||
n 1
перестановка членов ряда (1), при которой он сходится и имеет сумму . П.2. Знакочередующиеся ряды. Признак Лейбница. Оценка остатка ряда.
Опр. Пусть
a |
n |
|
0
числовая последовательность. Ряд
|
|
|
( 1) |
n 1 |
an |
|
||
n 1 |
|
|
(4) называется
знакочередующимся.
Теорема 4. (признак Лейбница)
Если последовательность an , an 0 монотонно убывающая и lim an 0 , то ряд (4)
n 1 n
сходится. Док.
S2k 1 a1 (a2 a3 ) (a4 a5 ) ... (a2k a2k 1) a1 , поскольку каждая из скобок неотрицательная. Тогда все частичные суммы ряда (4) с нечетными номерами ограничены. Ограниченными являются также и частичные суммы с четными номерами, поскольку S2k S2k 1 a2k 1 S2k 1 a1 . Кроме того, последовательность S2k монотонно
возрастающая:
S2k (a1 a2 ) (a3 a4 ) ... (a2k 1 a2k ) S2k 2 , k N
На основании теоремы Вейерштрасса последовательность S2k |
имеет предел S |
. Тогда тот |
|||
же предел имеют и частичные суммы с нечетными номерами, поскольку S2k 1 |
S2k a2k 1 |
||||
|
|
|
|
|
|
Для знакочередующихся рядов остаток ряда ( 1) |
k |
ak 1 |
также является |
|
|
|
|
||||
k m |
|
|
|
|
|
знакочередующимся рядом с суммой Rm |
, поэтому Rm |
am 1 |
. Последнее неравенство |
.
называется оценкой остатка знакочередующегося ряда: отбрасывание из ряда всех слагаемых с номерами большими m приводят к ошибке вычисления суммы ряда меньшей модуля первого отброшенного члена.
|
|
|
|
( 1) |
n |
||
Пример 2. При каких x сходится ряд |
? |
||||||
n |
x |
||||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
n 1 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
При x 0 последовательность |
1 |
монотонно стремится к нулю и ряд сходится по |
|||||
n |
x |
||||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
признаку Лейбница. При x 1 |
сходимость абсолютная. |
||||||
Замечание. Требование монотонности в признаке Лейбница существенно.
|
|
|
|
|
|
|
( 1) |
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Действительно, ряд |
n |
||||||||
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|||
n : |
1 |
|
1 |
0 |
, а для нечетных |
||||
n |
n |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
монотонности.
П.3. Преобразования АБЕЛЯ
n:
1 n 1 n
|
знакочередующийся, поскольку для четных |
||||
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
, но расходящийся, поскольку нет |
||
n |
|||||
|
|
|
|
||
Рассмотрим преобразование конечной суммы
m ak bk
, которое связывают с именем Абеля.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Для любых чисел ak |
и bk , k 1, 2,..m справедливо представление: |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ak bk |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
am Bm ak Bk , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
ak 1 ak |
, |
Bk |
b1 b2 |
... bk |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
где ak |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
ДОК. (индукцией по числу m ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
При m=2 формула справедлива: a1b1 |
a2b2 a2 |
(b1 b2 ) (a2 |
a1 )b1 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
Предположим, что формула верна для m и докажем ее справедливость m+1: |
||||||||||||||||||||||||||||||||
m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a b |
a |
|
b |
|
|
|
a b |
a |
|
b |
|
a |
B |
|
|
a |
B |
k |
a |
|
|
b |
a |
m |
B |
|
|||||
k |
k |
|
m 1 m 1 |
|
|
k |
k |
|
m 1 m 1 |
|
m m |
|
k |
|
|
m 1 m 1 |
|
m |
|
|||||||||||||
k 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
Bk + am 1 am Bm = am 1Bm 1 |
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
Bk . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
- ak |
ak |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
k 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Теорема 5. (Признак АБЕЛЯ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Пусть 1) ряд |
|
a |
|
сходится 2) последовательность b |
монотонна и ограничена. Тогда |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ряд an bn |
(5) сходится. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДОК. Воспользуемся преобразованием Абеля для оценки отрезка ряда (5): |
||||||||||||||||||||||||||||||||
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ak bk |
bm an |
an 1 |
... am |
bk 1 |
bk an an 1 |
... ak |
|
|
|
(@) |
||||||||||||||||||||||
k n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для любого 0 N : n N , m n an an 1 |
... am |
|
|
|
и bm bn |
B. |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2B |
|
|
|
|
||
Здесь константа B 0 |
ограничивает значения модулей членов последовательности bn : |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
b |
n |
B для все n . Пусть последовательность b монотонно растет: |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
bk 1 |
|
bk |
0 (в противном случае (bk 1 |
bk ) 0 ). Тогда второе слагаемое оценивается |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
(bk 1 |
bk )(an |
an 1 |
... ak ) |
|
(bk 1 |
bk ) an |
an 1 |
... ak |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
k n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
2B |
bk 1 bk |
|
|
|
(bm bn ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
k |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2B |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Первое слагаемое оценивается: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
bm (an |
an 1 ... am ) |
bm an |
|
an 1 ... am |
|
B |
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2B |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда |
ak bk |
|
|
2 |
|
|
2 |
для всех n N, m n и для ряда(5) выполняется критерий |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
k n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Коши, что завершает доказательство теоремы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( 1)n n n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Пример 3. |
|
|
Исследовать ряд |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на сходимость. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
ln n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Применим признак Абеля: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
( 1) |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln n |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Ряд |
|
|
|
сходится по признаку Лейбница, последовательность bn |
|
n |
n e |
n |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ln n |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( 1) |
n n |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
монотонная и ограниченная. Ряд |
|
|
сходится. Абсолютной сходимости нет, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
ln n |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
n |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
поскольку |
|
|
|
|
|
|
|
|
, а ряд |
|
|
|
расходится. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
ln n |
|
ln n |
|
ln n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Теорема 6. (Признак Дирихле) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
Пусть |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1) частичные суммы Sm an |
|
ограничены; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2) последовательность bn монотонно стремится к нулю. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда ряд |
an bn |
сходится. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ДОК. Воспользуемся преобразованием Абеля (@). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
0 N : n N , m n b |
|
, b |
|
b |
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
2A |
|
|
|
|
|
|
n |
|
2 A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
где |
A |
– константа, ограничивающая значения отрезков ряда |
a |
n |
a |
n 1 |
... a |
k |
A, n, k |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Первое слагаемое в (@) оценивается: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
b (a |
|
|
a |
|
|
... a |
|
) b |
|
|
a |
|
|
a |
|
|
... a |
|
|
|
|
A . |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
n |
n 1 |
m |
|
|
n |
n 1 |
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 A |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Второе слагаемое, с учетом знакопостоянства bk 1 bk |
0 для всех k , |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(монотонность bn ), (или (bk 1 bk ) 0 ) оценивается: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
(bk 1 |
bk )(an |
an 1 |
... ak ) |
|
(bk 1 |
bk ) an |
an 1 |
... ak |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
k n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
.
|
m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
A bk 1 bk A(bm bn ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
k n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Тогда |
ak bk |
|
2 |
|
2 |
|
для всех n N, m n |
и для ряда выполняется критерий Коши, |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
k n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
что завершает доказательство теоремы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Пример 4. Исследовать ряд |
на сходимость. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
an |
sin n, bn |
|
0 |
. Докажем ограниченность частичных сумм ряда sin n : |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin |
1 |
sin1 sin |
1 |
sin 2 ... sin |
1 |
sin m |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
2 |
|
|
|
|
||||||||||||||
sin1 sin 2 ... sin m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
cos |
1 |
cos |
3 |
cos |
3 |
cos |
5 |
... |
cos |
2m 1 |
cos |
2m 1 |
|
cos |
1 |
cos |
2m 1 |
|||||||||||||
|
2 |
2 |
2 |
2 |
|
|
2 |
|
2 |
|
|
2 |
|
2 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2sin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2sin |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Тогда справедлива оценка sin1 sin 2 ...
|
sin n |
|
|
|
|
|
|
|
Дирихле ряд |
сходится. Докажем, |
|||||||
n |
||||||||
n 1 |
|
sin |
|
n |
|
1 cos 2n |
||
|
sin n |
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Действительно, |
n |
|
|
n |
|
|
2 n |
|
|
|
|
|
|
||||
sin m |
|
|
1 |
1 |
для всех m |
.Тогда по признаку |
||||||
|
||||||||||||
|
|
|||||||||||
|
|
|
sin |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
что сходимость ряда условная. |
||||||||||||
m |
sin n |
|
|
1 |
m |
1 |
|
1 |
m |
cos 2n |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
n |
|
2 |
|
n |
|
2 |
|
n |
|
n 1 |
|
|
|
|
n 1 |
|
n 1 |
|||||
|
|
|
cos 2n |
|
|
|
|
|
|
Сходимость ряда |
доказывается аналогично, обобщенный гармонический ряд |
||||||||
n |
|||||||||
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
||
|
1 |
|
|
m |
n |
|
|||
|
расходится, поэтому частичные суммы |
sin |
неограниченные и абсолютной |
||||||
|
|
|
|
||||||
n |
n |
||||||||
n 1 |
|
|
n 1 |
|
|||||
сходимости ряда нет П.4. Общая схема исследования числового ряда.
1.Проверяют выполнение необходимого признака сходимости. Если он не выполнен, исследование закончено - ряд расходится.
2.Выясняют, является ли данный ряд знакоопределенным? (все члены положительные или отрицательные). Если да, то подбирают подходящий достаточный признак (сравнения с известным рядом, Даламбера, радикальный или интегральный Коши, Раабе и др.).
3.Если ряд знаконеопределен, то рассматривают ряд из модулей его членов и подбирают подходящий достаточный признак абсолютной сходимости. Если ряд из модулей сходится, то исследование заканчивается – ряд сходится абсолютно.
4.Если ряд из модулей расходится, то ряд исследуется на условную сходимость. Если он знакочередующийся, то применяют признак Лейбница, если произвольный, то признак Абеля или Дирихле.
ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ.
1.Понятие абсолютной и условной сходимости. Теорема о сходимости абсолютно сходящегося ряда. Пример достаточного признака абсолютной сходимости.
2.Знакочередующиеся ряды. Признак Лейбница.
3.Знаконеопределенные ряды. Преобразование Абеля. Признак Абеля сходимости ряда.
4. Признак Дирихле сходимости числового ряда. Примеры.
Ф-03-Лекция 13. Функциональные последовательности и ряды. П.1 Функциональные последовательности.
ОПР. Областью определения D функциональной последовательности множество значений x R , для которых определены все функции fn (x) , ОПР. Областью сходимости Dсх функциональной последовательности f
f n (x) называется n 1,2,... n (x) называется
множество значений x Dсх , для которых существует lim |
f n (x) f (x) (поточечная |
|||||
|
|
n |
|
|
|
|
сходимость), т.е. |
|
|
|
|
|
|
0, x D |
сх |
N N (x, ) : n N f |
n |
(x) f (x) |
(1) |
|
|
|
|
|
|||
ОПР. Функциональная последовательность f n (x) сходится к функции f (x) на |
D Dсх |
|||||
равномерно, обозначение fn0 N
D (x)
N (
f )
(x) , : n
если
N , x D |
f |
(x) f (x) |
|
n |
|
(2)
Отличие сходимости от равномерной сходимости проявляется в том, что в первом случае число N зависит от точки x и может неограниченно расти при изменении x, а во втором - N выбирается единым для всех x D .
Необходимый и достаточный признак равномерной сходимости последовательности
|
D |
|
|
f |
(x) f (x) 0 |
N N ( ) : n N sup f |
(x) f (x) |
n |
|
n |
|
|
|
x D |
|
(3)
Пример 1. Последовательность f n (x) |
1 |
|
|
сходится к f (x) |
0 |
на множестве Dсх |
R / 0 |
||||||||||||||||||||||||||||
nx |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Действительно, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0, x D N |
|
1 |
|
|
1 |
1: n N n |
|
1 |
|
f |
|
(x) f (x) |
1 |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
сх |
|
|
x |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n x |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Эта сходимость равномерная на любом множестве вида |
D |
|
; a |
|
|
|
a; |
, a 0 |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
Действительно, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0 N |
1 |
|
: x |
D, n N n |
1 |
|
|
1 |
f (x) |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
nx |
|
|
|
|
|
n x |
|
na |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Пример 2. Последовательность |
f n (x) x |
n |
на множестве D |
1;1 сходится к функции |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
0, x 1;1 |
неравномерно, поскольку sup f n (x) f (x) |
|
sup |
x |
n |
|
f (x) |
1 для |
|||||||||||||||||||||||||||
f (x) |
1, x |
1 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x ( 1;1) |
|
|
|
|
|
|
|||||
.
любого n . |
|
|
|
Пример 3. Последовательность |
f |
n |
(x) |
|
|
||
множестве D 0; , но неравномерно, |
|||
sup f n (x) f (x) 1. |
|
|
|
x D |
|
|
|
|
|
|
|
n sin(nx), |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0, x |
||
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
поскольку
x |
|
0; |
||||
|
||||||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
||
n |
|
|
||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
lim |
|
f |
n |
( |
||
n |
|
|
||||
|
|
|
||||
n
x)
сходится к
f (x) |
x 1/ n |
2 |
|
||
|
|
f
(x) 0
1 и
на
Пример 4. Последовательность f |
n |
(x) |
x |
2 |
на отрезке |
|
|
2 |
|||||||
|
|
|
|
0;1 сходится к функции |
|||
|
|
1 |
n x |
|
|
|
|
f (x) 0 не только поточечно, но и равномерно.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1 n |
2 |
x |
2 |
) |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|||||
Действительно, f |
|
|
|
|
|
0 x |
|
В точке x |
0;1 функция |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
n |
(x) |
(1 n |
2 |
x |
2 |
) |
2 |
n |
n |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
f |
|
(x) |
x |
|
|
достигает максимальное значение на отрезке 0;1 , равное |
1 |
. |
||||||||||||||||||||||||
n |
|
2 |
|
2 |
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
1 n |
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2n |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
, x 0;1 . |
|
|
Тогда sup |
fn (x) f (x) |
max |
1 n |
2 |
x |
2 |
|
2n |
|
для n N |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
x 0;1 |
|
|
|
|
|
|
|
x 0;1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
КРИТЕРИЙ КОШИ равномерной сходимости.
Последовательность функций f n (x) сходится на множестве D равномерно в том и только в том случае, если
0 N N : n N и m n sup f m (x) f n (x) x D
Свойства равномерно сходящихся последовательностей. 1. О возможности предельного перехода по x .
(4)
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Теорема 1. Пусть fn (x) f (x) |
и lim fn |
(x) an |
. Тогда lim an |
A, lim |
f (x) A |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
x a |
|
|
||
Док. Заметим, что x a |
предполагает, |
что x D , поэтому a |
предельная точка для D . |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Пусть xk |
|
|
, xk |
D : lim xk |
a - произвольная последовательность (предел по Гейне). |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
k |
1 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Из условия |
|
lim |
f |
n |
(x) a |
|
|
0 N |
: k N |
|
|
f |
n |
(x ) a |
n |
|
/ 3 (*) |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
x a |
|
n |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Тогда из (4) |
0 N |
2 |
N |
2 |
( ) : m, n N |
2 |
|
|
f |
n |
(x |
) f |
m |
(x |
|
) |
|
|
/ 3, k |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Переходя в последнем неравенстве к пределу по k , получим |
a |
m |
a |
|
/ 3 |
. Последнее |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
n |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
означает фундаментальность последовательности |
a |
n |
и существование у нее предела |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A lim a и неравенства |
|
A a |
n |
|
/ 3, n N |
3 |
(**) |
. Предельный переход в том же |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
n |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
неравенстве по
m
, приведет к неравенству
f |
n |
(x |
) f (x |
) / 3, k |
|
k |
k |
|
(***)
.
Объединяя неравенства (*), (**), (***) для
n, k max(N ; N |
; N |
) |
|
1 |
2 |
3 |
|
получим
f (x ) A f (x ) f |
n |
(x ) f |
n |
(x ) a |
n |
a |
n |
A |
. |
|||
k |
k |
k |
|
k |
|
3 |
3 |
3 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Последнее означает, что lim |
f (x) A . |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
x a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Об ограниченности предельной функции.
Теорема 2. Если последовательность ограниченных на множестве D функций f n (x)
равномерно сходится на D к функции f (x) , то функция f (x) |
ограничена на D. |
ДОК. Из ограниченности |
fn (x) следует, что существуют константы Cn , для которых |
f n (x) Cn x D . Из условия равномерной сходимости f n (x) следует, что
для 1 |
N : x D, n N |
f |
n |
(x) f (x) 1 |
. |
|
|
|
Тогда
f (x)
f N (x)
f (x) f N (x)
CN 1, для всех x D . 3. О непрерывности предельной функции.
Теорема 3. Если последовательность непрерывных на множестве D функций f n (x) равномерно сходится на D к функции f (x) , то функция f (x) также непрерывна на D.
ДОК. Пусть x0 - произвольная точка множества D . Из равномерной сходимости следует, |
|
|||
что 0 N N : n N |
и x D f (x) f n (x) |
, в частности, |
f N (x0 ) f (x0 ) |
|
|
3 |
|
|
3 |
Из непрерывности функции |
f N (x) в точке x0 следует, что |
|
|
|
: x D : x x0 |
f N (x) f N (x0 ) |
|
. Тогда |
x D : |
x x |
|
|
|||||
3 |
0 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
f (x) f (x0 ) f (x) f N (x) |
f N (x) f N (x0 ) |
f N |
(x0 ) f (x0 ) |
|
|
|
|
|
. |
|||
3 |
3 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
||||
Упражнение. На каком множестве последовательность функций f n |
(x) |
|
1 |
сходится |
||||||||
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 x |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
равномерно?
4. Интегрирование равномерно сходящихся последовательностей Теорема 4. (О интегрировании функциональной последовательности)
Пусть f n (x) последовательность непрерывных на a;b функций равномерно сходится к функции f (x) . Тогда для любого x0 a;b функциональная последовательность
x |
|
|
x |
|
|
n (x) |
f n (t)dt |
равномерно сходится к функции (x) |
f (t)dt . |
||
|
|||||
|
|
x |
|
||
x |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
||
0 |
|
|
|
|
|
ДОК.
Из равномерной сходимости
0 N N |
|
: n N |
|
|
и
x a;b |
||
|
x |
f n (t) |
|
||
x |
|
|
|
0 |
|
|
f n |
(x) f (x) |
|
|
|
||||
b a |
||||
|
|
|
f (t) dt |
|
x x |
|
|
b a |
0 |
|||
|
|
|||
|
|
|
. Тогда n (x) (x)
|
для всех x a;b |
|
x f n (t) f (t) dt |
|
|
x0 |
|
. |
|
|
4. возможность дифференцировать равномерно сходящиеся последовательности. Теорема 5. (О дифференцировании последовательности функций)
Пусть f n (x) последовательность непрерывно дифференцируемых на a;b причем последовательность из производных f n (x) равномерно сходится на a,b к функции F(x) и существует x0 a;b , для которого числовая
последовательность f n (x0 ) сходится, причем lim f n (x0 ) A .
n
Тогда последовательность f n (x) равномерно сходится на a,b к функции
функций,
f (x) A |
|
x |
F (t)dt |
и поэтому f |
|
|
|
|
|
|
|||||
x |
(x) F(x) . |
|
|
||||
|
|
0 |
|
|
|
x0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДОК. Воспользуемся теоремой 4: последовательность |
x f n (t)dt f n |
(x) f n (x0 ) |
|||||
равномерно сходится к функции xx F (t)dt . Тогда последовательность f n (x) равномерно |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
сходится к A |
|
x |
F (t)dt . |
|||||||
|
||||||||||
x |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
5. Достаточные условия равномерной сходимости последовательности |
||||||||||
Теорема 6 (Дини) (без доказательства) |
||||||||||
Функциональная последовательность fn (x) , x a;b удовлетворяет условиям: |
||||||||||
А) |
f |
n |
(x) C |
|
a;b |
|
; |
|||
|
|
|
|
|
|
|||||
Б) x a;b |
числовая последовательность fn (x) монотонная; |
|||||||||
В) предельная функция f (x) lim fn (x) C a;b . |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
a;b |
|
|
|
|
|||
Тогда fn (x) |
f (x) |
|||||||||
П.2 Функциональные ряды.
|
|
ОПР. Функциональный ряд an (x) |
|
n 1 |
|
сходится последовательность |
Sk (x) |
(1) сходится на множестве D , если на этом множестве
k an (x) его частичных сумм, т.е. существует
n 1
функция S(x) , определенная на D , для которой lim Sk (x) S (x |
|
|
k |
|
|
ОПР. Функциональный ряд an (x) сходится на множестве D |
|
n 1 |
|
последовательность Sk (x) сходится к |
S(x) равномерно на D . |
)
.
равномерно, если
Справедлив КРИТЕРИЙ КОШИ равномерной сходимости функционального ряда: Ряд (1) сходится на D равномерно в том и только в том случае, если
0 N N |
: n, m N, m n и x D |
|
a |
n |
(x) a |
n 1 |
(x) ... a |
m |
(x) |
|
. |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( 1) |
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Пример 5. Исследовать на равномерную сходимость ряд |
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
x |
2 |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( 1) |
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Ряд знакочередующийся, поэтому его остаток |
|
(x) |
|
|
|
|
|
оценивается |
||||||||||||||||||||||||||||
m |
|
x |
2 |
n |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
m |
(x) |
|
|
2 |
1 |
|
1 |
, x ; и, по определению, ряд сходится равномерно для |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
x |
m |
1 |
m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
всех x . Ряд сходится условно для всех x . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
n |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Пример 6. Найти область сходимости функционального ряда |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
x |
|
n |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Для каждого x члены ряда положительные, применим радикальный признак Коши:
n a |
(x) |
|
x |
2 |
|
1 |
n |
2 |
|
|
|
x |
|
||||
n |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
1
сходится, при
x |
2 |
1 |
|
|
расходится. При
x |
2 |
1 |
|
|
ряд расходится
по невыполнению необходимого признака, т.е. |
D |
|
|
1;1 |
|||||
сх |
|
|
|||||||
любом отрезке |
a;b |
|
|
|
1;1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Свойства равномерно сходящихся функциональных рядов 1. О возможности предельного перехода
. Сходимость равномерная на
|
|
D |
Теорема 7. Если функциональный ряд an (x) |
||
|
n 1 |
|
|
|
|
1) числовой ряд an |
сходится и имеет сумму A ; |
|
n 1 |
|
|
2) lim f (x) A
x a
f
(x)
и n lim an (x) x a
an
, то
Док. см. теорему 1 для равномерно сходящейся последовательности частичных сумм ряда. Таким образом, для равномерно сходящихся рядов знак предела и суммы могут быть переставлены:
|
|
|
|
lim an |
(x) lim an (x) |
||
x a |
n 1 |
n 1 |
x a |
|
|
||
2. существование мажорирующего ряда
Теорема 8. (Достаточный признак равномерной сходимости Вейерштрасса)
