Степенные ряды.
Среди функциональных рядов есть класс степенных и тригонометрических рядов.
Определение. Функциональный ряд вида
называется
степенным по степеням
.
Выражения
- постоянные числа.
Если
ряд
является степенным по степеням
.
Область сходимости степенного ряда. Теорема Абеля.
Теорема.
Если степенной ряд
сходится в точке
,
то он сходится и притом абсолютно для
всякого значения
,
по абсолютной величине меньшего
,
то есть
или в интервале
.
Доказательство.
Вследствие
сходимости рада
его общий член должен стремиться к нулю,
поэтому все члены этого ряда равномерно
ограничены: существует такое постоянное
положительное число
,
что при всяком
имеет место неравенство
.
Тогда данный ряд можно записать так:
В силу сделанного замечания можно записать ряд
,
который образует геометрическую
прогрессию со знаменателем
.
Если
,
то
,
и прогрессия сходится. Если больший ряд
сходится, то будет сходиться и данный
ряд. Теорема доказана.
Следствие.
Если степенной ряд расходится при
значении
,
то ряд расходится при всяком значении
,
большем по абсолютной величине
,
.
Из
теоремы Абеля и следствия из этой теоремы
вытекает следующее предположение. Для
каждого степенного ряда, имеющего как
точки сходимости, так и точки расходимости,
существует такое положительное число
,
что для всех
,
,
ряд абсолютно сходится, а для значений
,
,
ряд расходится.
Что
касается значений
или
,
то здесь возможны ситуации, когда ряд
сходится в обеих точках, или только в
одной из них, или ни в одной.
Определение.
Число
такое, что для всех
,
,
степенной ряд сходится, а для всех
,
,
расходится, называется радиусом
сходимости ряда, а интервал
называется интервалом сходимости.
Для
ряда
интервал сходимости имеет вид
с центром в точке
Для
ряда
интервал сходимости имеет вид
с центром в точке
-R cx. R x
расх 0 расх
В
граничных точках
поведение ряда требует дополнительного
исследования.
Можно указать правило для нахождения радиуса сходимости степенного ряда.
Вычисление радиуса сходимости.
Теорема.
Если существует предел
,
то радиус сходимости ряда равен
,
то есть
,
причем считаем
,
если
,
и
,
если
.
Доказательство.
Предположим, что
,
то есть рассмотрим числовой ряд
,
который является рядом абсолютных
величин данного степенного ряда.
Тогда
:
1. Пусть
-
конечное число, отличное от нуля, значит,
.
По радикальному признаку Коши ряд,
составленный из абсолютных величин
ряда, сходится при
,
отсюда следует, что
.
При
и
ряд расходится для всех значений
.
В самом деле, если
бы при
,
,
ряд сходился, то по теореме Абеля для
,
где
,
он должен был бы сходиться, чего быть
не может. Таким образом, ряд сходится
при
и расходится при
и, значит,
.
2. Пусть
.
Тогда
при всяком значении
,
и ряд сходится для любого
.
Значит, ряд абсолютно сходится во всякой
точке оси
и
.
3. Пусть
.
Тогда
при всяком значении
,
,
и значит, ряд не может сходиться ни при
каком
.
На основании теоремы Абеля заключаем,
что ряд во всех точках оси
(кроме нулевой) расходится и
.
Теорема.
Если
,
то радиус сходимости ряда равен
,
то есть
,
причем мы считаем
при
и
при
.
Степенные ряды в области сходимости сходятся абсолютно и поэтому можно использовать признаки сходимости рядов с положительными членами.
По признаку Даламбера:
Ряд
сходится, если
,
отсюда радиус сходимости -
.
По интегральному признаку Коши:
Ряд
сходится, если
,
отсюда следует, что
.
Пример.
Найдите область сходимости рядов: 1)
и 2)
.
.
Интервал
сходимости
Исследуем граничные точки.
расходится;
-
сходится
условно по признаку
Лейбница.
Область
сходимости ряда
.
2)
,
ряд сходится при всех
.
