Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лекции / Metodichka_Grishina (1)

.pdf
Скачиваний:
5
Добавлен:
17.05.2024
Размер:
6.66 Mб
Скачать

 

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)

Соседние файлы в папке Лекции