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

.pdf
Скачиваний:
22
Добавлен:
21.02.2016
Размер:
543.16 Кб
Скачать

МIНIСТЕРСТВО ТРАНСПОРТУ та ЗВ'ЯЗКУ УКРА НИ Днiпропетровський нацiональний унiверситет залiзничного транспорту

iменi академiка В. Лазаряна

Кафедра "Прикладна математика"

Вища математика. Модуль III

Частина 2 Ряди

Методичнi вказiвки та завдання до третього модульного контролю з вищо¨ математики

Укладач Ю.П. Бабич. Для студентiв I курсу спецiальностi ¾Економiчна кiбернетика¿

Днiпропетровськ 2007

ÓÄÊ 512.64

Укладач

канд. фiз.-мат. наук, доцент Юрiй Панасович Бабич

Рецензенти:

канд.фiз.-мат. наук, доц. В.М. Трактинська (ДНУ), д-р фiз.-мат. наук, проф. С.О. Пiчугов (ДIIТ)

Вища математика. Модуль III. Частина 2. Ряди: Методичнi вказiвки та завдання до третього модульного контролю з вищо¨ математики/ Днiпропетр. нац. ун-т залiзн. трансп. iм. акад. В.Лазаряна; Укл. Ю.П. Бабич.Д., 2007. 50 с.

Вказiвки складенi у вiдповiдностi до типово¨ програми курсу ¾Вища математика¿ для економiчних спецiальностей i охоплюють такi теми з роздiлу ¾Математичний аналiз¿: числовi ряди, функцiональнi ряди, ряди Фур'¹.

У методичних вказiвках викладено необхiдний теоретичний матерiал та наведено розв'язання типових задач. Вказiвки мiстять завдання для самостiйно¨ роботи. Виконання завдань студентами сприятиме поглибленому засво¹нню теоретичного матерiалу та виробленню практичних навичок.

Ië. 8. Áiáëiîãð.: 7 íàçâ.

c Бабич Ю.П., укладання, 2007

c Вид-во Днiпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна, 2007

Передмова

Друга частина третього модульного контролю передбача¹ вивчення таких тем:

1.Числовi ряди.

2.Функцiональнi ряди. Степеневi ряди. Ряд Тейлора.

3.Ðÿäè Ôóð'¹.

Данi вказiвки мiстять стислi теоретичнi вiдомостi та приклади розв'я- зування типових задач. Наводяться задачi для iндивiдуальних завдань.

Задачi для iндивiдуальних завдань згрупованi за темами i подаються наприкiнцi кожно¨ теми.

3

Òåìà 1

Числовi ряди

1.1. Основнi поняття

Означення 1. Нехай задана числова послiдовнiсть a1, a2, . . . , an, . . .

Вираз

 

 

 

 

 

a1 + a2 + · · · + an + · · · =

ai

(1.1.1)

 

=1

 

 

 

Xi

 

 

називають ч и с л о в и м р я д о м. Числа

a1, a2, . . . , an, . . . називають

÷ ë å í à ì è ð ÿ ä ó.

 

 

 

Означення 2. Ñóìó n перших членiв ряду

 

 

 

n

 

 

sn = a1 + a2 + · · · + an =

ai

(1.1.2)

 

=1

 

 

 

Xi

 

 

називають n÷ à ñ ò è í í î þ ñ ó ì î þ ðÿäó.

 

 

Якщо iсну¹ скiнченна границя lim sn

= S, то ¨¨ називають с у -

n→∞

 

ç á i ã à ¹ ò ü ñ ÿ. ßêùî

м о ю р я д у (1.1.1) i кажуть, що ряд (1.1.1)

lim sn = ∞ або не iсну¹, то кажуть, що ряд (1.1.1) р о з б i г а ¹ т ь с я.

n→∞

П р и к л а д 1. Найпростiшим прикладом ряду ¹ геометрична прогресiя

a + aq + aq2 + · · · + aqn−1 + · · ·

Якщо знаменник прогресi¨ q 6= 1, òî ñóìà n ¨¨ перших членiв дорiвню¹

1 − qn sn = a 1 − q .

4

Ïðè

|

q

|

< 1 iсну¹ скiнченна границя

lim s

 

= lim a

1 − qn

=

 

a

, тобто при

n

1 − q

1 − q

 

 

 

n→∞

n→∞

 

 

| q| < 1 ма¹мо збiжний ряд нескiнченно спадну геометричну прогресiю. При | q| > 1 геометрична прогресiя да¹ приклад розбiжного ряду:

ïðè

|

q

|

> 1

lim s

= lim a

1 − qn

=

;

1 − q

 

 

 

n→∞ n

n→∞

 

nlim sn = ;

ïðè q = 1

sn = a + a + · · · + a = na,

 

 

 

 

 

 

|

 

 

{z

 

 

}

 

 

→∞

n доданкiв

ïðè q = −1 s1 = a, s2 = a − a = 0, s3 = a, . . . , s2k−1 = a, s2k = 0, k = 1, 2, . . . ,

границя lim sn íå iñíó¹.

n→∞

П р и к л а д 2. Розглянемо ряд

1

 

1

1

 

 

+

 

+ · · · +

 

+ · · ·

1 · 2

2 · 3

n(n + 1)

Éîãî n-на частинна сума ма¹ вигляд

 

1

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sn =

 

+

 

+ · · ·

+

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

1 · 2

2 · 3

n(n + 1)

3

+ · · · +

n

n + 1

= 1 − n + 1

 

 

 

 

=

1 − 2

+

2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

1

 

 

1

1

 

1

Оскiльки iсну¹ скiнченна границя S послiдовностi частинних сум {sn}, òî ðÿä çáiãà¹òüñÿ i éîãî ñóìà äîðiâíþ¹

n→∞ sn = n→∞

1 − n

S = lim

lim

1

= 1.

 

Означення 3. Ряд, утворений з ряду (1.1.1) вiдкиданням перших n

÷ëåíiâ

 

 

an+1 + an+2 + · · · =

kX

 

 

ak,

(1.1.3)

називають з а л и ш к о м ряду (1.1.1).

=n+1

 

 

 

 

Теорема 1. ßêùî ðÿä (1.1.1) çáiãà¹òüñÿ, òî çáiãà¹òüñÿ i ðÿä

(1.1.3), i

навпаки, якщо збiга¹ться ряд (1.1.3), то збiга¹ться i ряд (1.1.1).

Iз теореми 1 виплива¹, що вiдкидання скiнченно¨ кiлькостi членiв

ряду не вплива¹ на його збiжнiсть.

 

 

 

Нехай ряд (1.1.1) збiга¹ться i ма¹ суму

S, через sn позначимо ча-

стинну суму ряду (1.1.1), символом

 

rn позначимо суму ряду (1.1.3). Тодi

5

Теорема 2.

S = sn + rn. Перейдемо у цiй рiвностi до границi при n → ∞ (цей перехiд ¹ правомiрним, оскiльки {sn} i {rn} збiжнi послiдовностi):

nlim S = nlim sn + nlim rn S = S + nlim rn nlim rn = 0.

→∞

→∞

→∞

→∞

→∞

Тобто справджу¹ться твердження:

Якщо ряд (1.1.1) збiга¹ться, то сума ряду (1.1.3) пряму¹ до нуля, коли n → ∞.

1.2.Необхiдна умова збiжностi ряду

Розглянемо умови, за яких ряд (1.1.1) збiга¹ться. Нехай {sn} ïîñëi-

довнiсть його частинних сум. Тодi загальний член

an ряду можна можна

подати у виглядi

 

an = sn −sn−1. Якщо ряд збiга¹ться, тобто якщо sn → S

ïðè n → ∞, äå S деяке фiксоване число, то iсну¹ границя

 

nlim an = nlim (sn − sn−1) = S − S = 0.

 

→∞

→∞

 

 

Отже, ми отримали твердження:

 

 

Твердження 1.2. 1.

ßêùî ðÿä an çáiãà¹òüñÿ, òî

 

 

X

 

 

 

n=1

 

 

 

lim an = 0.

 

(1.2.1)

 

n→∞

 

 

Умова lim an = 0 ¹ н е о б х i д н о ю умовою збiжностi ряду. При невиконаннinöi¹¨→∞ умови ряд розбiга¹ться. Якщо ця умова викону¹ться, то ряд може бути як збiжним, так i розбiжним.

 

 

 

 

 

1

1

1

 

П р и к л а д 1. Очевидно, що для ряду 1 +

 

+

 

+ · · · +

 

+ · · · умова

2

3

n

(1.2.1) виконана: nlim an = nlim

1

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

→∞

→∞

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

Покажемо, що ряд ¹ розбiжним. Для будь-якого натурального n > 1 ìà¹ìî

1

1

1

1

1

 

 

 

1

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sn = 1 +

 

+

 

+ · · · +

 

>

 

+

 

+ · · · +

 

 

 

=

 

= n.

2

3

n

n

n

n

n

 

 

 

 

 

 

 

|

 

 

 

 

 

 

{z

 

 

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n доданкiв

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Звiдси виплива¹, що lim sn = ∞, тобто даний ряд розбiга¹ться.

n→∞

6

1.3.Достатнi умови збiжностi рядiв з додатними членами

1.3.1.Ознаки порiвняння

Нехай заданi два ряди з д о д а т н и м и членами

X

an

(A)

i=1

i

X

bn.

(B)

i=1

 

Теорема 3 (перша ознака порiвняння). Якщо, починаючи з деякого

n > N, викону¹ться нерiвнiсть

an 6 bn,

то iз збiжностi ряду (B) виплива¹ збiжнiсть ряду (A), iз розбiжностi ряду (A) виплива¹ розбiжнiсть ряду (B).

Теорема 4 (друга ознака порiвняння). ßêùî iñíó¹ âiäìiííà âiä íóëÿ

скiнченна границя

 

 

 

 

 

 

an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nlim

 

= K,

0 < K < ∞,

 

 

 

 

b

n

 

 

 

→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

то ряди (A) i (B) збiгаються або розбiгаються одночасно.

Ï ð è ê ë à ä 1. Ðÿä

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 +

 

 

 

 

+

 

 

+ · · · +

 

 

 

+ · · ·

 

 

 

22

 

33

nn

çáiãà¹òüñÿ, îñêiëüêè

1

1

 

 

äëÿ n > 2, à ðÿä

 

 

 

<

 

 

 

nn

2n

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

1 +

 

 

 

 

+

 

+

· · · +

 

 

+ · · ·

 

 

 

 

22

 

23

2n

¹ збiжним його члени, починаючи з другого, утворюють нескiнченно спадну геометричну прогресiю (¨¨ знаменник дорiвню¹ 12 ).

П р и к л а д 2. Посилаючись на збiжний ряд (див. прикл. 2 на с. 5)

1

 

1

1

 

 

 

+

 

+ · · · +

 

+ · · · ,

1 · 2

2 · 3

n(n + 1)

7

перекону¹мось у збiжностi ряду з меншими членами

 

 

 

1

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

+ · · · +

 

+ · · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22

 

32

(n + 1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin 1

 

X

 

 

 

 

 

Îòæå, ðÿä

n2 збiга¹ться, а разом iз ним збiга¹ться i ряд

n2 .

 

 

 

n=2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

sin 1

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

Ï ð è ê ë à ä 3. Ðÿä

 

n

çáiãà¹òüñÿ, îñêiëüêè

lim

 

 

 

= 1, à ðÿä

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

n2

 

 

 

Xi

 

2 ,

 

 

n=1

n

 

 

 

 

→∞

1

 

 

 

 

=n n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

як було показано в попередньому прикладi, ¹ збiжним.

1.3.2.Ознака Даламбера

Теорема 5 (ознака Даламбера). ßêùî äëÿ ðÿäó X an з додатними

членами an > 0, n = 1, 2, . . . iсну¹ границя

n=1

 

lim

an+1

= p,

(1.3.1)

 

n→∞

an

 

òî:

1)ðÿä çáiãà¹òüñÿ ïðè p < 1;

2)ðÿä ðîçáiãà¹òüñÿ ïðè p > 1.

У випадку p = 1 ознака Даламбера вiдповiдi н е

ä à ¹.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

Ï ð è ê ë à ä

4. Äîñëiäèòè íà çáiæíiñòü ðÿä

 

n!

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ð î ç â ' ÿ ç à í í ÿ. Òóò an =

 

 

, òîäi an+1

=

 

. Застосу¹мо ознаку Далам-

n!

(n + 1)!

áåðà:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

an+1

= lim

n!

= lim

 

1 · 2 · · · n

 

=

lim

 

1

 

= 0 < 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

an

n→∞ (n + 1)!

n→∞ 1 · 2

· · · n · (n + 1)

n→∞ n + 1

 

Ðÿä çáiãà¹òüñÿ.

X

2n

Ï ð è ê ë à ä 5. Äîñëiäèòè íà çáiæíiñòü ðÿä n=1 n2 . Р о з в ' я з а н н я. Знаходимо границю

 

an+1

 

2n+1 n2

 

 

n

 

2

 

= n→∞

 

 

n→∞

an

(n + 1)2

2n

n→∞

n + 1

 

 

lim

 

lim

 

 

= lim 2

 

 

 

 

= 2 > 1.

Ðÿä ðîçáiãà¹òüñÿ.

8

1.3.3.Ознака Кошi

Теорема 6 (ознака Кошi). ßêùî äëÿ ðÿäó X an з додатними членами

n=1

an > 0, n = 1, 2, . . . iсну¹ границя

lim an = p, (1.3.2)

n

n→∞

òî:

1)ðÿä çáiãà¹òüñÿ ïðè p < 1;

2)ðÿä ðîçáiãà¹òüñÿ ïðè p > 1.

У випадку p = 1 ознака Кошi вiдповiдi н е

ä à ¹.

 

 

При використаннi ознаки Кошi досить часто зустрiча¹ться границя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

âèäó lim nα, äå α фiксоване число. Покажемо, що ця границя до-

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рiвню¹ 1. Позначимо y = lim

 

, òîäi

 

 

 

 

nα

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

 

ln n

 

 

 

n

 

 

n

 

 

 

ln y = ln nlim

nα = nlim ln

nα = nlim

 

· ln n = α nlim

 

.

n

n

 

 

→∞

 

 

→∞

 

 

 

→∞

 

→∞

 

 

Границю з крайньо¨ право¨ частини цi¹¨ низки рiвностей знайдемо за правилом Лопiталя:

 

 

 

 

1

 

 

lim

ln x

=

lim

x

 

= 0.

x

 

 

x→+∞

 

x→+∞ 1

 

 

Îòæå, ln y = 0, тобто y = lim

 

 

= 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nα

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

2n

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

Ï ð è ê ë à ä

6. Äîñëiäèòè íà çáiæíiñòü ðÿä

n=1 n4

 

 

 

 

3n + 5

 

 

Р о з в ' я з а н н я. Знаходимо границю

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nlim

an = nlim

s

 

 

 

 

= nlim

n4 · 3n + 5 = 1 · 3 < 1.

n4

3n + 5

 

 

 

 

 

 

 

2n

n

 

n

 

 

2n

 

 

2

 

 

n

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

→∞

 

 

→∞

 

 

 

 

 

→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ðÿä çáiãà¹òüñÿ.

1.3.4.Iнтегральна ознака

Нехай члени ряду X an мають вигляд

n=1

an = f(n), n = 1, 2, . . .

9

Теорема 7 (iнтегральна ознака Кошi). Якщо функцiя f(x), визна-

÷åíà íà ïðîìiæêó [1, +∞), додатна i спада¹, то ряд

X

 

 

f(n)

 

n=1

i iнтеграл

+∞

 

 

Z

f(x)dx

 

1

 

збiгаються або розбiгаються одночасно.

Застосування iнтегрально¨ ознаки значно полегшу¹ться, якщо фун-

êöiÿ f(x) ¹ неперервною. У цьому випадку для функцi¨ f(x) iñíó¹ ïåðâi-

ñíà F (x) i

+∞

Z1

f x

dx

lim F (x)

F (1),

( )

 

= x→+∞

 

тобто ряд ¹ збiжним, якщо границя

lim F (x) скiнченна.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

Ï ð è ê ë à ä

7. Розглянемо ряд

 

 

. Öåé ðÿä ðîçáiãà¹òüñÿ: òóò an = f(n) =

 

,

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

n

 

 

ïåðâiñíà F (x) = Z

1

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

dx = ln x → +∞, êîëè x → +∞.

 

 

 

 

 

x

 

Ï ð è ê ë à ä

8. Ðÿä

 

1

 

 

α > 1 çáiãà¹òüñÿ, îñêiëüêè ïåðâiñíà F (x) äëÿ ôóí-

 

 

 

 

 

 

 

n=1

nα ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

êöi¨ f(x) =

 

ма¹ скiнченну границю при x → +∞:

 

xα

 

F (x) = Z

 

1

dx =

 

1

 

 

 

→ 0 ïðè x → +∞, ÿêùî α > 1.

 

 

 

 

xα

(1 − α)xα−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

Ï ð è ê ë à ä

9. Äîñëiäèòè ðÿä

 

íà çáiæíiñòü.

 

n ln n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

1

Ð î ç â ' ÿ ç à í í ÿ. Òóò an = f(n) = n ln n. Знаходимо первiсну для функцi¨ f(x):

F (x) = Z

x ln x dx = ln(ln x).

 

1

 

Знаходимо границю

lim F (x) = lim ln(ln x) = +∞.

x→+∞ x→+∞

Ðÿä ðîçáiãà¹òüñÿ.

10