§5. Функциональные ряды. Степенные ряды.

Обобщим понятие числового ряда следующим образом: рассмотрим ряд, в котором элементами являются не числа, а функции. Такой ряд называется функциональным.

Определение.Выражение вида

называется функциональным рядом.

Дадим определение степенного ряда, который является важным частным случаем функционального.

Определение. Функциональный ряд вида

,

где -- числа, не зависящие от, называетсястепенным рядом.

Ряд вида

также является степенным и называется рядом по степеням , здесь-- число.

При любом фиксированном значении степенной ряд превращается в числовой, который либо сходится, либо расходится.

Определение.Множество всех значений переменной, при которых степенной ряд сходится, называется егообластью сходимости.

Всякий степенной ряд сходится при, соответственно рядсходится при.

Область сходимости степенного ряда – это числовой интервал

,

симметричный относительно нуля для ряда

и числовой интервал

,

симметричный относительно точки для ряда.

При этом число называетсярадиусом сходимостистепенного ряда. Числоможет принимать любые неотрицательные значения. В частности, если, то ряд сходится в одной точке, еслистепенной ряд сходится на всей числовой прямой.

Для нахождения области сходимости степенного ряда обычно используют признак Даламбера. Кроме того, существует формула (Коши-Адамара) для нахождения радиуса сходимости степенного ряда:

.

При и приряд расходится, а поведение ряда приподлежит отдельному исследованию.

Задача №1. Найти область сходимости степенного ряда.

Решение.Применим признак Даламбера:

,, тогда

.

Ряд сходится, если

, т.е..

Таким образом, .

Исследуем поведение ряда на концах интервала сходимости.

Пусть . Подставим это значение в формулу для исходного ряда. Получим положительный ряд

.

Он расходится как обобщенный гармонический, .

Следовательно, значение не принадлежит области сходимости.

Пусть . Тогда получаем числовой ряд

,

который является знакопеременным. Исследуем его на абсолютную сходимость. Для этого рассмотрим ряд, составленный из абсолютных величин членов этого ряда:

.

Получили положительный обобщенный гармонический ряд, который расходится, поскольку . Следовательно, исследуемый знакопеременный рядне сходится абсолютно.

Дальнейшее исследование на сходимость проведем, используя признак Лейбница.

1. Ряд является знакочередующимся.

2. Модули членов ряда монотонно убывают: .

3. Модуль -го члена ряда стремиться к нулю:.

Поскольку все условия признака Лейбница выполняются и ряд не сходится абсолютно, то ряд сходится условно. Таким образом, при степенной ряд сходится.

Теперь можно записать ответ.

Ответ: .

Степенной ряд вида

имеет интервал сходимости, симметричный относительно точки ,

интервал сходимости имеет вид

,

поведение ряда при иподлежит, как и в предыдущем случае, дополнительному исследованию.

Задача №2. Найти область сходимости степенного ряда.

Решение.Для нахождения интервала сходимости используем, как и прежде, признак Даламбера:

,,

Степенной ряд сходится, если

,

отсюда имеем:

,

следовательно, радиус сходимости степенного ряда .

,

интервал сходимости симметричен относительно точки .

Теперь необходимо выяснить, как ведет себя степенной ряд на концах интервала сходимости.

Пусть . После подстановки этого значения в степенной ряд получим:

.

Это сходящийся обобщенный гармонический ряд и значит число принадлежит интервалу сходимости.

Пусть . Подставим это значение в исходный ряд вместо:

.

Получили знакочередующийся числовой ряд, который будем исследовать на абсолютную сходимость, т.е. будем исследовать ряд

.

Этот положительный ряд сходится как обобщенный гармонический при .

Отсюда следует, что знакопеременный ряд

сходится абсолютно и значение принадлежит интервалу сходимости.

Ответ: .

Задача №3. Найти область сходимости ряда.

Решение.,.

Вычислим предел:

Интервал сходимости находим из неравенства

:

, т.е.

радиус сходимости ,.

Интервал сходимости имеет вид: .

Исследуем поведение ряда на границах интервала сходимости.

Подставим значение в исходный ряд:

.

Ряд расходится. Таким образом, пристепенной ряд расходится.

При получим:

,

Следовательно, при степенной ряд расходится.

Ответ: .

Задача №4. Найти область сходимости ряда.

Решение.,

Мы получили, что независимо от значения, следовательно,

при любом степенной ряд сходится, поэтому область сходимости ряда – вся числовая прямая.

Ответ: .

Задача №5. Найти область сходимости ряда.

Решение. ,

Степенной ряд расходится при любом значении .

Ответ: .