Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
_eBook__-_Math_Calculus_Bible.pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
23.08.2019
Размер:
1.23 Mб
Скачать

8.5. ALTERNATING SERIES

341

 

 

 

Xk

 

63. Suppose that 0 < ak for each natural number k and

ak converges.

 

=1

 

 

 

 

Xk

 

Prove that

akp converges for every p > 1.

 

 

=1

 

 

 

 

Xk

 

64. Suppose that 0 < ak for each natural number k and

ak diverges.

 

=1

 

 

 

 

Xk

 

Prove that

akp, for 0 < p < 1.

 

 

=1

 

65.

Suppose that 0 < r < 1 and |ak+1/ak| < r for all k ≥ N. Prove that

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

ak converges absolutely.

 

=1

 

 

 

 

n

an

 

Xk

(−1)

 

 

66.

Prove that

3 + bn converges absolutely if 0 < a < b.

 

=1

 

 

 

8.5Alternating Series

Definition 8.5.1 Suppose that for each natural number n, bn is positive or

P

negative. Then the series k=1 bk is said to converge

(a)

absolutely if the series Pk=1 |bk| converges;

 

(b)

conditionally if the series Pk=1 bk converges but Pk=1 |bk| diverges.

Theorem 8.5.1 If a series converges absolutely, then it converges.

 

|bk| converges. For each natural number k, let

Proof. Suppose that

 

=1

 

 

 

 

Xk

 

 

 

ak = bk + |bk| and ck = 2|bk|. Then 0 ≤ ak ≤ ck for each k. Since

 

 

 

X

X

Xk

|bk|,

 

k=1

ck =

2|bk| = 2

 

k=1

=1

 

342

 

CHAPTER 8.

INFINITE SERIES

 

 

X

 

Xk

 

the series

ck converges. by the comparison test

ak also converges. It

k=1

 

=0

 

follows that

 

 

 

 

 

 

Xbk = X(ak − |bk|)

 

k=1 k=1

 

 

X

X

 

=

ak

|bk|

 

 

k=1

k=1

 

 

 

and the series

X

 

 

bk converges. This completes the proof of the theorem.

 

k=1

 

 

Definition 8.5.2 Suppose that for each natural number n, an > 0. Then an alternating series is a series that has one of the following two forms:

 

n

(a) a1 − a2 + a3 − · · · + (−1)n+1an + · · · =

Xk

(−1)k+1ak

 

=1

 

(b) −a1 + a2 − a3 + · · · + (−1)nan + · · · =

Xk

(−1)kak.

 

=1

Theorem 8.5.2 Suppose that 0 < an+1 < an for all natural numbers m, and

lim an = 0. Then

n→∞

XX

(a)(−1)nan and (−1)n+1an both converge.

n=1 n=1

(b)

 

(−1)k+1an n

(−1)k+1an

 

< an+1, for all n;

 

k=1

k=1

 

 

 

 

 

 

 

X

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(c)

 

 

(−1)kak − (−1)kak

< an+1, or all n.

 

k=1

k=1

 

 

 

 

 

 

 

X

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Proof.

 

 

 

 

 

 

8.5. ALTERNATING SERIES

343

 

n

 

Xk

Part (a) For each natural number n, let sn =

(−1)k+1ak. Then,

 

=1

2n+2

2n

XX

s2n+2 s2n =

(−1)k+1ak − (−1)k+1ak

k=1

k=1

=(−1)2n+3a2n+2 + (−1)2n+2a2n+1

=a2n+1 a2n+2 > 0.

Therefore, s2n+2 > s2n and {s2n}n=1 is an increasing sequence. Similarly,

s2n+3 − s2n+1 = (−1)2n+4a2n+3 − (−1)2n+2a2n+1 = a2n+3 − a2n+1 < 0.

Therefore, s2n+3 < s2n+1 and {s2n+1}n=0 is a decreasing sequence. Furthermore,

s2n = a1 − a2 + a3 − a4 + · · · + (−1)2n+1a2n

= a1 − (a2 − a3) − (a4 − a5) − · · · − (a2n−2 − a2n−1) − a2n < a1.

Thus, {s2n}n=1 is an increasing sequence which is bounded above by a1. Therefore, {s2n}n=1 converges to some number s ≤ a1. Then

lim s2n+1

= lim s2n

+ lim a2n+1

 

n→∞

n→∞

n→∞

 

 

= lim s2n

 

 

 

n→∞

 

 

 

= s.

 

 

It follows that

 

 

 

 

lim sn = s

 

n→∞

 

 

 

and the series (−1)n+1ak converges to s and the series

(−1)nak con-

n=1

 

 

n=1

X

 

 

X

verges to −s.

 

 

 

Part (b) In the proof of Part (a) we showed that

 

s2n < s < s2n+1 < s2n−1 . . .

(1)

for each natural number n. It follows that

 

 

0 < s s2n < s2n+1 s2n = a2n+1

 

344

 

 

 

 

 

 

 

CHAPTER 8.

INFINITE SERIES

and

(−1)k+1ak 2n (−1)k+1ak

 

 

 

 

 

< a2n+1.

 

k=1

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Similarly,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s2n s2n−1 < s s2n−1

 

 

 

 

 

 

 

s2n−1 s2n > s2n−1 s

 

 

 

 

 

 

s s2n−1 < s2n−1 s2n = a2n

 

 

 

(−1)k+1ak 2n−1(−1)k+1ak

 

< a2n.

 

 

k=1

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

It follows that for all

natural numbers n,

 

 

 

 

 

(−1)k+1ak n

(−1)k+1ak

< an+1.

 

k=1

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Part (c) k=1(−1)kak k=1(1)kak

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

(−1) (

 

 

 

 

 

 

 

 

=

k=1

(−1)k+1ak − (−1)k+1ak)

 

 

 

 

 

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

n

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

k+1a

 

k+1a

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

< a

.

 

 

 

(−1)

k

 

(−1)

k

 

2n+1

 

 

k=1

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This concludes the proof of this theorem.

P

Theorem 8.5.3 Consider a series k=1 ak. Let

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

an+1

 

=

L ,

lim

a

n|

1/n = M

an

n→∞

 

n→∞

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(a)

If L < 1, then the series

ak

converges absolutely.

 

 

k=1

 

 

 

 

Pk

 

 

(b)

If L > 1, then the series P=1 ak

does not converge absolutely.

(c)

If M < 1, then the series Pk=1 ak

converges absolutely.

P
k=1 ak may or may not converge
lim |an|1/n = M.
n→∞

8.5. ALTERNATING SERIES

345

P

(d) If M > 1, then the series k=1 ak does not converge absolutely.

(e) If L = 1 or M = 1, then the series absolutely.

 

Proof. Suppose that for a series

Xk

ak,

 

=1

an+1

lim = L and

n→∞ an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

Part (a) If L < 1, then the series

|ak| converges to the ratio test, since

n→∞ |

 

 

 

=1

 

 

 

 

an

|

 

n→∞

an

 

lim

an+1

 

= lim

 

an+1

 

= L < 1.

 

| |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

Hence, the series ak converges absolutely.

k=1

X

Part (b) As in Part (a), the series |ak| diverges by the ratio test if L > 1,

k=1

since

 

 

n→∞ |

 

an

 

|

n→∞

 

an

 

 

 

 

 

 

lim

 

an+1

 

= lim

 

an+1

 

= L > 1.

 

 

 

 

 

|

 

 

 

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

nlim |ak|1/n

= M < 1.

 

 

 

 

 

 

|ak| converges by the root test, since

Part (c) If M < 1, then the series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

|ak| diverges by the root test as in

Part (d) If M > 1, then the series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

Part (c).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

X

 

 

Part (e) For the series

 

 

k

and

 

k2

, L = M = 1, but

k

diverges

 

=1

 

 

 

 

 

k=1

 

 

 

 

 

k=1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

and

 

converges by the p-series test. Thus, L = 1 and M = 1 fail to

k2

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

determine convergence or divergence.

346

CHAPTER 8. INFINITE SERIES

This completes the proof of Theorem 8.5.3.

Exercises 8.3 Determine the region of convergence of the following series.

71.

 

(−1)nxn

72.

 

(−1)n(x + 2)n

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

2n

 

n=1

 

 

 

 

3nn2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

73.

 

(−1)n(x − 1)n

74.

 

(−1)nn!(x − 1)n

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

n!

 

n=1

 

 

 

 

 

5n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x + 2)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

75.

X

(−2)nxn

76.

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

n=1

 

 

2nn2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

77.

(

1)n (x + 1)n

78.

(−1)n(x − 3)n

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

3nn3

 

n=1

 

 

 

 

n3/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

79.

(2x)n

80.

 

(−1)nxn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

n!

 

n=1

 

 

(2n)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

81.

 

(n + 1)!(x − 1)n

82.

(−1)n(2n)!xn

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

4n

 

n=1

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

83.

n2(x + 1)n

84.

 

 

(−1)nn!(x − 1)n

 

X

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

·

3

· · ·

5

· · ·

(2n + 1)

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

85.

 

(−1)n(n!)2(x − 1)n

86.

 

(−1)n3nxn

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

3n(2n)!

 

n=1

 

 

 

23n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

87.

 

(−1)n(x + 1)n

88.

ln(n + 1)2n(x + 1)n

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

(n + 1) ln(n + 1)

 

n=1

 

 

 

 

 

n + 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

89.

 

(−1)n(ln n)3nxn

 

90.

 

(−1)n1 · 3 · 5 · · · (2n + 1)

xn

X

X

 

 

 

 

4nn2

 

 

 

 

2

·

4

·

6

· · ·

(2n + 2)

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1