Если функциональный ряд (13.10) сходится в каждой точке некоторого множества, то ряд называется сходящимся на этом множестве, а функция , определяется формулой
,
называется суммой этого ряда на данном множестве.
Степенным рядом называется функциональный ряд вида
(13.11),
где – постоянные коэффициенты степенного ряда.
Иногда рассматривают степенной ряд более общего вида
,
где . Этот ряд легко приводится к виду (13.11), если положить . Поэтому дальше будем рассматривать степенные ряды вида (13,11).
Структура области сходимости степенного ряда устанавливается теоремой Абеля.
1) Если ряд (13.11) сходится при некотором значении , то он абсолютно сходится при всех значениях , для которого .
2) Если степенной ряд (13.11) расходится при , то он расходится для всех , для которых .
Доказательство.
1. По условию ряд (13.11) сходится при , следовательно, выполняется необходимый признак сходимости . Отсюда следует, что последовательность ограниченна, т.е. существует такое число , что для всех справедливо неравенство
. (13.12)
Представим ряд (13.11) в виде
и рассмотрим ряд составленный из абсолютных членов этого ряда
(13.13)
Члены ряда (13.13) согласно неравенству (13.12) меньше соответствующих членов ряда
,
представляющего геометрический ряд, сходящийся при , т.е . Следовательно, на основании первого признака сравнения ряд (13.11) сходится абсолютно.
2. По условию ряд (13.11) расходится при . Покажем, что он расходится для всех , удовлетворяющих условию предположим противное , т.е. при ряд (13.11) сходится. Тогда по доказанному выше он должен сходится и в точке (ибо ), что противоречит условию, что в точке ряд расходится. Следовательно, для всех х таких, что степенной ряд (13.11) расходится. Теорема доказана.
Из теоремы Абеля следует, что для любого степенного ряда (13.11) существует такое неотрицательное число , что при ряд сходится, а при расходится. Число называется радиусом сходимости, а интервал - интервалом сходимости степенного ряда. На концах интервала сходимости, т.е при и , ряд может как
Рис. 13.1
сходиться так и расходиться.
В простейших случаях радиус сходимости степенного ряда (13.11) может быть определен, например, с помощью признака Даламбера. Для этого рассмотрим ряд, составленный из абсолютных величин его членов
(13.14)
в котором все коэффициенты , по крайней мере начиная с некоторого номера , отличны от нуля. По признаку Даламбера ряд (13.14) сходится, если
будет меньше 1, т.е.
или .
Если этот предел существует, то он и является радиусом сходимости ряда (13.11), т.е.
(13.15)
Замечание 1. Если , то интервал сходимости представляет собой всю числовую прямую. В случае, если , то степенной ряд (13.11) сходится лишь в точке , т.е интервал вырождается в точку.
Пример 3. Найти область сходимости степенного ряда .
Решение. Здесь , . Используя формулу (13.15), находим
Следовательно, исследуемый ряд сходится в интервале .
Чтобы решить вопрос о сходимости ряда на концах интервала, положим сначала . Тогда исследуемый ряд имеет вид
.
Этот знакочередующийся ряд сходится в силу теоремы Лейбница. На правом конце интервала сходимости при получаем ряд
который расходится, как обобщенный гармонический ряд при . Тогда область сходимости исследуемого ряда – промежуток .
Замечание 2. Для степенного ряда
радиус сходимости вычисляется по той же формуле (13.15), но областью сходимости будет промежуток радиуса с центром в точке
Рис. 13.2
Замечание 3. Другую формулу для нахождения радиуса сходимости степенного ряда можно получить из радикального признака Коши
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.