Математика Вычислить несобственный интеграл Дифференциальные уравнения Степенные ряды Неопределенный интеграл Основные методы интегрирования Метод интегрирования по частям

Типовой расчет по высшей математике

Числовые ряды. Основные определения.

 Определение. Сумма членов бесконечной числовой последовательности  называется числовым рядом.

При этом числа  будем называть членами ряда, а un – общим членом ряда.

 Определение. Суммы , n = 1, 2, … называются частными (частичными) суммами ряда.

 Таким образом, возможно рассматривать последовательности частичных сумм ряда S1, S2, …,Sn, …

 Определение. Ряд  называется сходящимся, если сходится последовательность его частных сумм. Сумма сходящегося ряда – предел последовательности его частных сумм.

 Определение. Если последовательность частных сумм ряда расходится, т.е. не имеет предела, или имеет бесконечный предел, то ряд называется расходящимся и ему не ставят в соответствие никакой суммы.

22.2. Свойства рядов.

 

 1) Сходимость или расходимость ряда не нарушится если изменить, отбросить или добавить конечное число членов ряда.

 2) Рассмотрим два ряда  и , где С – постоянное число.

 Теорема. Если ряд сходится и его сумма равна S, то ряд тоже сходится, и его сумма равна СS. (C ¹ 0)

 3) Рассмотрим два ряда и . Суммой или разностью этих рядов будет называться ряд , где элементы получены в результате сложения (вычитания) исходных элементов с одинаковыми номерами.

 Теорема. Если ряды и сходятся и их суммы равны соответственно S и s, то ряд  тоже сходится и его сумма равна S + s.

Разность двух сходящихся рядов также будет сходящимся рядом.

Сумма сходящегося и расходящегося рядов будет расходящимся рядом.

О сумме двух расходящихся рядов общего утверждения сделать нельзя.

 При изучении рядов решают в основном две задачи: исследование на сходимость и нахождение суммы ряда.

22.3. Критерий Коши.

(необходимые и достаточные условия сходимости ряда)

 Для того, чтобы последовательность была сходящейся, необходимо и достаточно, чтобы для любого  существовал такой номер N, что при n > N и любом p > 0, где р – целое число, выполнялось бы неравенство:

.

 Доказательство. (необходимость)

Пусть , тогда для любого числа найдется номер N такой, что неравенство

 выполняется при n>N. При n>N и любом целом p>0 выполняется также неравенство . Учитывая оба неравенства, получаем:

Необходимость доказана. Доказательство достаточности рассматривать не будем.

 Сформулируем критерий Коши для ряда.

 Для того, чтобы ряд был сходящимся необходимо и достаточно, чтобы для любого  существовал номер N такой, что при n>N и любом p>0 выполнялось бы неравенство

.

 Однако, на практике использовать непосредственно критерий Коши не очень удобно. Поэтому как правило используются более простые признаки сходимости:

 1) Если ряд сходится, то необходимо, чтобы общий член un стремился к нулю. Однако, это условие не является достаточным. Можно говорить только о том, что если общий член не стремится к нулю, то ряд точно расходится. Например, так называемый гармонический ряд  является расходящимся, хотя его общий член и стремится к нулю.

 Пример. Исследовать сходимость ряда

Найдем  - необходимый признак сходимости не выполняется, значит ряд расходится.

 2) Если ряд сходится, то последовательность его частных сумм ограничена.

Однако, этот признак также не является достаточным.

Например, ряд 1-1+1-1+1-1+ … +(-1)n+1+… расходится, т.к. расходится последовательность его частных сумм в силу того, что

 Однако, при этом последовательность частных сумм ограничена, т.к.   при любом n.

22.4. Ряды с неотрицательными членами.

 При изучении знакопостоянных рядов ограничимся рассмотрением рядов с неотрицательными членами, т.к. при простом умножении на –1 из этих рядов можно получить ряды с отрицательными членами.

 Теорема. Для сходимости ряда с неотрицательными членами необходимо и достаточно, чтобы частные суммы ряда были ограничены.

Лекция 23. Сходимость рядов.

23.1. Признак сравнения рядов с неотрицательными членами.

Пусть даны два ряда  и  при un, vn ³ 0.

 

 Теорема. Если un £ vn при любом n, то из сходимости ряда следует сходимость ряда , а из расходимости ряда следует расходимость ряда .

 

 Доказательство. Обозначим через Sn и sn частные суммы рядов  и . Т.к. по условию теоремы ряд сходится, то его частные суммы ограничены, т.е. при всех n sn < M, где М – некоторое число. Но т.к. un £ vn, то Sn £ sn то частные суммы ряда тоже ограничены, а этого достаточно для сходимости.

 Пример. Исследовать на сходимость ряд

Т.к. , а гармонический ряд  расходится, то расходится и ряд .

 Пример. Исследовать на сходимость ряд

Т.к. , а ряд   сходится ( как убывающая геометрическая прогрессия), то ряд  тоже сходится.

 Также используется следующий признак сходимости:

Теорема. Если  и существует предел , где h – число, отличное от нуля, то ряды  и ведут одинаково в смысле сходимости.

23.2. Признак Даламбера.

(Жан Лерон Даламбер (1717 – 1783) – французский математик)

 Если для ряда  с положительными членами существует такое число q<1, что для всех достаточно больших n выполняется неравенство

то ряд  сходится, если же для всех достаточно больших n выполняется условие

то ряд  расходится.

23.3. Предельный признак Даламбера.

 Предельный признак Даламбера является следствием из приведенного выше признака Даламбера.

 Если существует предел , то при r < 1 ряд сходится, а при r > 1 – расходится. Если r = 1, то на вопрос о сходимости ответить нельзя.

 

 Пример. Определить сходимость ряда .

Вывод: ряд сходится.

 Пример. Определить сходимость ряда

Вывод: ряд сходится.

23.4. Признак Коши. (радикальный признак)

 Если для ряда с неотрицательными членами существует такое число q<1, что для всех достаточно больших n выполняется неравенство

,

то ряд сходится, если же для всех достаточно больших n выполняется неравенство

то ряд расходится.

 Следствие. Если существует предел , то при r<1 ряд сходится, а при r>1 ряд расходится.

 Пример. Определить сходимость ряда .

Вывод: ряд сходится.

 Пример. Определить сходимость ряда .

Т.е. признак Коши не дает ответа на вопрос о сходимости ряда. Проверим выполнение необходимых условий сходимости. Как было сказано выше, если ряд сходится, то общий член ряда стремится к нулю.

,

таким образом, необходимое условие сходимости не выполняется, значит, ряд расходится.

23.5. Интегральный признак Коши.

 Если j(х) – непрерывная положительная функция, убывающая на промежутке [1;¥), то ряд j(1) + j(2) + …+ j(n) + … =  и несобственный интеграл  одинаковы в смысле сходимости.

 Пример. Ряд  сходится при a>1 и расходится a£1 т.к. соответствующий несобственный интеграл  сходится при a>1 и расходится a£1. Ряд  называется общегармоническим рядом.

 Следствие. Если f(x) и j(х) – непрерывные функции на интервале (a, b] и  то интегралы  и  ведут себя одинаково в смысле сходимости.

Знакопеременные ряды. Признак Лейбница. Знакочередующийся ряд можно записать в виде: ьгде

Степенные ряды. Понятие степенного ряда. На практике часто применяется разложение функций в степенной ряд. Определение. Степенным рядом называется ряд вида

. Для исследования на сходимость степенных рядов удобно использовать признак Даламбера.

Первообразная, неопределенный интеграл и простейшие способы нахождения Определение. Функция F(х) называется точной первообразной для функции f(x) на (a, b), если F¢(x) = f(x), x Î (a, b), или, что то же самое, f(x) dx служит дифференциалом для F(x): dF(x) = f(x) d


На главную