Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Пензенский Государственный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

умк_Цывис_Диф.уравнения_Ряды

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

18.05.2015

Размер:

5.68 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1718 / 2218 19 20 21 22 > Следующая >>>

Теорема 1 (признак Вейерштрасса). Если члены ряда

∞

∑ un (x)

(2)

n =1

удовлетворяют неравенствам

∞

un (x)

£ an

"n Î N , "x Î D

(3)

и ряд ∑ an , an ³ 0

сходится, то функциональный ряд (2) сходится равно-

n =1

мерно в области D.

∞

Доказательство. В силу того, что числовой ряд ∑ an сходится, то

n =1

его остаток rn ® 0 , т.е. "e > 0 $n0 (e) :

< e, "n ³ n0 (e) .

В силу неравенства (3) имеем

∞

rn ( x)

∑ uk ( x)

£ ∑

uk ( x)

∑ ak

= rn < e, "n ³ n0 (e), "x Î D .

(4)

k = n +1

Это означает равномерную сходимость ряда (2) в области D.

∞

Числовой ряд

∑ an , члены которого удовлетворяют неравенствам

n =1

(3), называется мажорантным рядом для функционального ряда (2), кото- рый в этом случае называется мажорируемым.

Из теоремы 1 следует, что условие мажорируемости ряда является достаточным для равномерной сходимости.

5.3. Свойства равномерно сходящихся функциональных рядов

Теорема 2 (о непрерывности суммы функционального ряда). Если на множестве D функциональный ряд (2) с непрерывными членами сходится

равномерно, то его сумма S(x)

непрерывна на D.

Доказательство. Так как ряд (2) равномерно сходится в области D,

то ε > 0 $n (x), "n ³ n (e)

(x)

< ε

r (x)

S (x) - S

"x Î D .

Так как функция Sn

(x) =

∑ un (x) непрерывна в D, то "x0 Î D и вы-

n =1

< ε

бранного ε > 0 δ > 0 , такое, что

(x) - S

(x )

при

x - x

< d, x Î D .

171

Тогда при

ε > 0

имеем

( x)

− Sn

( x0 )

Sn ( x) + rn

( x) − Sn ( x0 ) − rn ( x)

≤

( x) − S

( x

)

( x)

≤ ε + ε

+ ε = ε

x − x0

< δ ,

при

что означает непрерывность функции

S(x) в произволь-

ной точке x0 D .

Из теоремы 2 следует, что если сумма

S(x) функционального ряда с

непрерывными коэффициентами разрыва в области

D, то сходимость это-

го ряда не может быть равномерной в области D.

Следствие

Если

данный

ряд

сходится

равномерно,

то

∞

x0 D , т.е. в равномерно

lim

∑ un (x)

= ∑ lim

un (x) = ∑ un (x0 );

схо-

x → x0 n =1

n =1 x → x0

n =1

дящемся функциональном ряду возможен почленный переход к пределу.

∞

cos kx

Пример 1. Найти

lim ∑

x →0 n =1 10k

cos kx

∞

Решение. Так как

x R

≤

, а ряд

∑

сходится, то

10k

k =110k

по признаку Даламбера,

исходный

функциональный ряд сходится равно-

мерно для любого x R . Тогда в последствии из теоремы (2) имеем

∞

cos kx

∞

lim ∑

= ∑

−

x →0 k =1 10k

k =110k

Теорема 3 (о почленном интегрировании функциональных рядов). Если функциональны ряд (2) с непрерывными членами сходится к функ-

ции S(x) равномерно на		[ab] ,	то ряд (2) можно почленно интегрировать на
любом отрезке	[x0 , x] [ab] ,		и справедливо равенство
	x	x		∞		∞	x
	∫ S (t)dt = ∫			∑ uk	(t) dt = ∑		∫ uk (t)dt ,	(4)
	x	x	k =1			k =1 x
	0	0					0
∞	x							[ab] .
причем ряд ∑	∫ uk (t)dt	сходится равномерно на отрезке						[ab] .

k =1 x0

172

Доказательство. В силу равномерной сходимости ряда (2) имеем

ε > 0

n0 (ε);

S (x) − Sn (x)

x [ab]

n > n0 (ε) . Тогда

− a

∫ S (t)dt − ∑ ∫ uk (t)dt

∫

S (t) − ∑ uk (t) dt

≤

k =1 x

k =1

< ε, x [ab], n > n0 (ε).

≤

∫

S (t) − Sn (t)

≤

x − x0

− a

∞

Это значит,

что ряд

∑

∫ uk (t)dt

сходится равномерно к функции

k =1 x

∫ S (t)dt на отрезке [ab] ,

т.е.

справедливо равенство (4).

∞ 1

Пример 2. Исследовать на сходимость ряд

∑

arctg

n =1 n

∞

Решение.

Введем в

рассмотрение ряд

∑

. Так

как для

n =1 x2 + n2

x R

справедливо неравенство

, а знакоположительный

+ x2

∞

числовой ряд

∑

сходится, то по признаку Вейерштрасса исходный

n =1 n2

ряд сходится равномерно для

x R . Интегрируя почленно на

[0; x] , по-

∞ x

∞

лучим

∑

= ∑

arctg

n =1 0∫ n2

+ x2

n =1 n

Теорема 4 (о почленном дифференцировании функционального ряда).

Если ряд (2) с непрерывно дифференцируемыми на [ab] членами сходится

∞

к функции S(x), ряд ∑ un′ (x) сходится равномерно на [ab] , а его сумма

n =1

S(x) – непрерывно дифференцируемая функция, то справедливо равенство

∞

S ′(x) = ∑ un′ (x) .

n =1

173

∞

Пример 3. Вычислить сумму ряда

∑ n × xn −1 .

n =1

∞

Решение. Рассмотрим функциональный ряд

∑ xn , который сходит-

n =0

ся при

(геометрическая прогрессия со знаменателем

<1), и сум-

∞

ма его

. Ряд ∑ n × xn −1

получим дифференцированием ряда ∑ xn ,

1 - x

n =1

n =0

который сходится равномерно при

£ q <1, на основании признака Вей-

ерштрасса, т.к. он мажорируется числовым

знакоположительным сходя-

∞

щимся рядом ∑ n × qn −1

(по признаку сравнения или Даламбера). На осно-

n =1

вании теоремы 4 имеем

∞

∑ n × xn −1

∑ xn

- x)2

n =1

dx n = 0

dx 1

- x

∞

Таким образом, для x (−1; 1)

∑ n × xn −1 =

(1 - x)2

n =1

Замечание. Теоремы 3 и 4 являются достаточными условиями для непрерывности суммы функционального ряда, почленной интегрируемо- сти и дифференцируемости функциональных рядов.

174

§ 6.

СТЕПЕННЫЕ РЯДЫ

Ряд вида

∞

+ a (x − x

) + ... + a

(x − x

)n ,

+ ... = ∑a

(1)

n =

где

an , x, x0

– действительные числа, членами которого являются сте-

пенные функции,

называется степенным рядом по степеням x − x0 , а

числа

an –

коэффициентами степенного ряда.

Если

x0 = 0

получаем степенной ряд по степеням x

∞

a0 + a1x + ... + an xn + ... = ∑ an xn .

(2)

n =0

Заменой

x - x0 = X

ряд (1) можно привести к ряду (2). Степенной

ряд (2) всегда сходится в точке x = 0 .

Теорема 1 (Абеля). Если степенной ряд (2) сходится в точке x0 ¹ 0 ,

то он сходится абсолютно в интервале

−

< x <

и сходится равно-

мерно на отрезке

− q ≤ x ≤ q , где 0 < q <

∞

Доказательство. По условию теоремы имеем, что числовой ряд

lim an x0n = 0 ,

M > 0 ,

∑an x0n

сходится,

то

и,

следовательно,

что

n =0

n →0

n N

an x0n

< M .

∞

an xn

≤

Пусть

тогда

∑

∑ M

n =0

∞

Члены ряда

∑ M

– геометрическая прогрессия со знаменате-

n =0

< 1, что означает сходимость данного ряда.

лем

Следовательно, ряд (2) в точке

x ¹ 0

Если же −

≤ q <

, то

≤

∞

жорируется числовым рядом

∑ M

n = 0

сходимость ряда (2) на отрезке [−q;q] .

сходится абсолютно.

< 1. Это значит, что ряд (2) ма-

, что означает равномерную

175

lim

n →∞

Следствие. Из теоремы Абеля следует, что всякая точка его сходи- мости расположена не дальше от точки x = 0 , чем всякая точка расходи-

мости. Из нее следует также, что существует интервал	− R < x < R , для
всех точек x которого степенной ряд сходится, а для всех		x	> R – расхо-

дится. Этот интервал называется интервалом сходимости, а число R – ра-

диусом сходимости степенного ряда (2). Таким образом, неотрицательное число R, такое, что степенной ряд (2) сходится в (−R; R) и расходится при

	x	> R , называется радиусом сходимости, а интервал		(−R; R) – интерва-
	x	> R , называется радиусом сходимости, а интервал		(−R; R) – интерва-
лом сходимости степенного ряда (2).
		Если ряд (2)	сходится только в точке x = 0 , то	R = 0 ; если ряд (2)
сходится для всех			x R , то R = ∞ .

Исследовать степенной ряд на сходимость – значит найти его ин-

тервал сходимости и выяснить, сходится или расходится ряд в граничных точках интервала сходимости. Область сходимости степенного ряда всегда состоит из его интервала сходимости и, быть может, граничных точек это- го интервала.

Для нахождения радиуса сходимости степенного ряда можно ис- пользовать признаки Даламбера и Коши. Так, если существует предел

nan = L ,

тогда lim n

an xn

= L

и в силу признака Коши при L

< 1, ряд сходит-

n →∞

> 1

ся абсолютно, а при L

расходится. Следовательно,

R =

= lim

(3)

n →∞ n

= L > 1 влечет за собой расходимость

Замечание. Условие

lim n

n →∞

∞

как ряда ∑

, так и ряда

∑an ,

так как нарушается необходимый при-

n =1

знак его сходимости: т.е. из того, что L > 1

→ ∞ , следует, что an не

стремится к нулю.

an +1

= L , то соглас-

Таким же образом, если существует предел

lim

n →∞

но признаку Даламбера получим

an +1

R = lim

(4)

n →∞

Формулами (3) и (4) нельзя пользоваться в тех случаях, когда беско- нечное число коэффициентов степенного ряда равно нулю или когда ряд содержит лишь четные или нечетные степени x.

176

∞

Пример 1. Найти область (промежуток) сходимости ряда ∑n!xn .

n = 0

Решение. Найдем радиус сходимости данного ряда, применяя признак Далам-

бера

lim

un +1 (x)

lim

(n + 1)xn +1

× lim (n + 1) =

× L

× L <1

= R .

n →∞

un (x)

n →∞

n!xn

n →∞

В нашем случае

L = ∞ , следовательно,

R = 0 ,

т.е. данный ряд сходится

только в точке x = 0 . В этом случае область сходимости –

одна точка

x = 0 .

∞ x2n

Пример 2. Найти область сходимости ряда

∑

n = 0 3n

Решение.

По

признаку

Коши

имеем

x2n

<1;

x2 < 3

R =

lim n

3 . Исследуем на

сходимость дан-

n →∞

x = ±

. При x =

ный ряд в точках

3 получаем числовой ряд вида

∞

lim un

= lim (1)n ¹ 0 .

∑(1)n , который расходится, т.к.

n = 0

n →∞

x = -

∞

При

получим ряд

∑(1)n , который тоже расходится. Таким

n = 0

образом, область сходимости данного ряда (-

3) .

∞ xn

Пример 3. Найти область сходимости ряда

∑

n =1 n!

Решение. По признаку Даламбера находим радиус сходимости

un +1 (x)

= lim

xn +1 × n!

× lim

× 0 . Таким образом,

R = ∞ ,

lim

n →∞

un (x)

n →∞

(n + 1)!xn

n→∞ n + 1

т.е.

ряд сходится для любого x R , следовательно, область сходимости

данного числового ряда R.

∞ (x - 3)n

Пример 4. Найти область сходимости ряда ∑ .

n =1 n × 5n

Решение. Определим радиус сходимости

lim

un +1 (x)

= lim

(x - 3)n +1 × n × 5

x - 3

< 5 .

(n + 1)5n +1

n →∞

un (x)

n →∞

× (x - 3)n

Значит

R = 5 , тогда − 2 < x < 8 . В точке

x = −2 имеем условно сходя-

∞

(-1)n

, а в точке x = 8

∞

щийся ряд ∑

получаем гармонический ряд

∑

, кото-

n =1 n

n =1n

рый является расходящимся. Следовательно, область сходимости ряда [− 2;8).

177

§ 7. СВОЙСТВА СТЕПЕННЫХ РЯДОВ

Пусть дан степенной ряд

∞

∑ an xn .

(1)

n =0

Свойство 1. Если

R ¹ 0

для ряда (1), то его сумма S (x)

есть функ-

ция непрерывная на интервале сходимости

(-R, R) .

Доказательство. Пусть

x Î(-R, R) , значит всегда существует число

q > 0 , что

< q < R . Тогда степенной ряд (1) сходится равномерно на от-

резке [-q, q]Î(-R, R)

в силу теоремы Абеля. В этом случае

S (x) непре-

рывна на

[-q, q] , а, следовательно, S (x) непрерывна в точке x, а так как x

выбрана произвольно, то функция S(x)

непрерывна и на (– R, R).

Свойство 2. Операции почленного дифференцирования и интегри-

рования на любом промежутке [x0 , x]Î(-R, R)

степенного ряда (1) не из-

меняют его радиус сходимости.

= R . Рас-

Доказательство. Пусть для ряда (1) существует

lim

an +1

n →∞

смотрим ряд, полученный дифференцированием ряда (1), и пусть

R1 – его

радиус:

∞

nan

∑ (an xn )¢ = ∑ nan xn −1 , тогда

R1 = lim

= lim

= R .

(n + 1)a

n = 0

n =1

n →∞

n +1

Пусть R2

– радиус сходимости ряда,

полученного почленным

интегрированием ряда (1):

∞

∑ ( ∫ antn dt) = ∑

xn +1

x0n +1

= ∑

xn +1 - ∑

x0n +1 .

n +

n = 0 x

n =0

n +

n = 0 n

∞

xn +1

Числовой ряд

∑

сходится абсолютно по признаку

n =0 n +

xn +1

× xn +1

сравнения и в силу неравенства

и сходимости ряда

n + 1

∞

x (−R, R) . Тогда

∑ a xn , так как

n = 0

= lim

an (n + 2)

= lim

= R .

n →∞

(n + 1)a

n →∞

n +1

178

Свойство 3. Если R – радиус сходимости ряда (1) R ¹ 0 , то данный ряд можно почленно дифференцировать на интервале сходимости (– R; R), а для суммы S(x) справедливо равенство

∞

S ′(x) = ∑ nan xn −1 .

n =1

Следствие 1. Степенной ряд (1) на интервале сходимости (R ¹ 0)

можно почленно дифференцировать любое число раз.

Свойство 4. Степенной ряд (1) можно почленно интегрировать на любом отрезке [ x0 , x] , принадлежащем интервалу сходимости.

Следствие 2. Степенной ряд (1) можно почленно интегрировать лю- бое число раз на отрезке [ x0 , x] (−R, R)

∞	x	2n +1
Пример 5. Найти сумму ряда ∑ (−1)n			.
	2n + 1
n =0
Решение. Для решения данной задачи рассмотрим ряд
	∞
1 − x2 + x4 − ... + (−1)n x2n = ∑ (−1)n x2n ,				(2)

n =0

который получен дифференцированием данного ряда.

Полученный ряд (2) – геометрическая прогрессия со знаменателем

(−x)2 , а его сумма

S (x) S (x) равна

S (x) =

< 1.

+ x2

Интегрируя ряд (2), получаем

x ∞

∞

2n +1

arctgx = ∫

= ∫ ∑ (−1)n y2n dy = ∑ (−1)n ∫ y2n dy = ∑ (−1)n

+ x2

2n + 1

0 1

0 n = 0

n = 0

∞

2n +1

Таким образом, получаем ∑

(−1)n

= arctgx

< 1.

2n +

n = 0

Задачи для самостоятельной работы

1. Найти радиус сходимости и область сходимости следующих рядов:

∞

(x − 2)n

∞

1.1)

∑

;

1.2)

∑

;

1.3) ∑ n!(x − 5)n ;

n =1

∞

n + 1 n

1.4)

∑

;

1.5)

∑

x5n ;

1.6) ∑

(x − 2)2n .

n =1 n!

n =1

2n − 1

2n + 1

179

Ответы:

1.1)

R = 1;

x (−1; 1) ; 1.2) R =1;

x Î[1; 3] ;

1.3) R = 0; x = 5 ;

R = ∞;

x (−∞; ∞) ; 1.5) R =

, положить x5

1.4)

;

x Î

;

= t ;

5 2

1.6) R = 2; x Î(2 - 2; = 2 + 2) .

2. Найти сумму следующих рядов:

∞

n × xn −1

∞

2.1)

∑

;

2.2)

∑

;

2.3)

∑

;

× 3n −1

n =1

x2n −1

n = 2 n

∞

n −1

∞

2n −1

∞

2.4)

∑

(-1)

;

2.5)

∑

(-1)

;

2.6)

∑

;

n =1

2n -1

n =1 xn

∞

(-1)n −1

∞

2n -1

2.7)

∑

;

2.8)

∑

n −1

n =1 (2n -1) × 3

n =1 2

Ответы:

2.1) S (x) = -ln(1 - x);

x Î[-1; 1) ;

2.2) S (x) =

< 2 ;

(2 - x)2

2.3) S (x) = 3ln

− x

, для x [−3; 3) ; 2.4) S (x) = ln(1 + x), x Î(-1; 1];

3 − x

2.5) S (x) = arctgx,

2.6) S (x) =

>1;

(x -

1)2

∞

(1-)n −1 x2n −1

x =

2.7)

S =

рассмотреть ряд ∑

при

;

n =1

2n -1

2.8) S = 3 .

180

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1718 / 2218 19 20 21 22 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке Высшая математика (РТФ)

#
18.05.20153.63 Mб42умк_Вакульчик_Опред интеграл.pdf
#
18.05.20154.76 Mб40умк_Вакульчик_Элементы векторной алгебры.pdf
#
18.05.20155.38 Mб46умк_Вакульчик_Элементы линейной алгебры.pdf
#
18.05.20151.33 Mб47умк_Мальцев_Осн дискретной матем.pdf
#
18.05.20153.75 Mб53умк_Пальчик_Теория вероятностей.pdf
#
18.05.20155.68 Mб35умк_Цывис_Диф.уравнения_Ряды.pdf
#
18.05.20154.7 Mб45умк_Цывис_Функции_Интеграл. исчисл..pdf
#
18.05.20153.54 Mб93умк_Яско_ Диф.уравнения_Ряды.pdf