После небольшой порции теоретического материала переходим к рассмотрению типового задания, которое практически всегда встречается на зачетах и экзаменах по высшей математике.
Пример 1
Найти область сходимости степенного ряда
Задание часто формулируют эквивалентно: Найти интервал сходимости степенного ряда и исследовать его сходимость на концах найденного интервала.
Алгоритм решения довольно прозрачен и трафаретен.
На первом этапе находим интервал сходимости ряда. Почти всегда необходимо использовать признак Даламбера и находить предел . Технология применения признака Даламбера точно такая же, как и для числовых рядов, с ней можно ознакомиться на урокеПризнак Даламбера. Признаки Коши. Единственное отличие – все дела у нас происходят под знаком модуля.
Итак, решаем наш предел:
(1) Составляем отношение следующего члена ряда к предыдущему.
(2) Избавляемся от четырехэтажности дроби.
(3) В числителе по правилу действий со степенями «отщипываем» один «икс». В знаменателе возводим двучлен в квадрат.
(4) Выносим оставшийся «икс» за знак предела, причем, выносим его вместе со знаком модуля. Почему со знаком модуля? Дело в том, что наш предел и так будет неотрицательным, а вот «икс» вполне может принимать отрицательные значения. Поэтому модуль относится именно к нему.
Кстати, почему можно вообще вынести за знак предела? Потому-что «динамической» переменной в пределе у нас является «эн», и от этого нашему «иксу» ни жарко ни холодно.
После того, как предел найден, нужно проанализировать, что у нас получилось.
Если в пределе получается ноль, то алгоритм решения заканчивает свою работу, и мы даём окончательный ответ задания: «Область сходимости степенного ряда: » (любое действительное число – случай №2 предыдущего параграфа). То есть, степенной ряд сходится при любом значении «икс». Ответ можно записать эквивалентно: «Ряд сходится при » (значок в математике обозначает принадлежность).
Если в пределе получается бесконечность, то алгоритм решения также заканчивает свою работу, и мы даём окончательный ответ задания: «Ряд сходится при » (или при либо »). Смотрите случай №3 предыдущего параграфа.
Если в пределе получается не ноль и не бесконечность, то у нас самый распространенный на практике случае №1 – ряд сходится на некотором интервале.
В данном случае предел равен . Как найти интервал сходимости ряда? Составляем неравенство:
В ЛЮБОМ задании данного типа в левой части неравенства должен находиться результат вычисления предела, а в правой части неравенства – строгоединица. Не буду объяснять, почему именно такое неравенство и почему справа единица. Уроки носят практическую направленность, и уже очень хорошо, что от моих рассказов не повесился профессорско-преподавательский состав стали понятнее некоторые теоремы.
Техника работы с модулем и решения двойных неравенств подробно рассматривалась на первом курсе в статье Область определения функции, но для удобства я постараюсь максимально подробно закомментировать все действия. Раскрываем неравенство с модулем по школьному правилу . В данном случае:
На втором этапе необходимо исследовать сходимость ряда на концах найденного интервала.
Сначала берём левый конец интервала и подставляем его в наш степенной ряд :
При
Получен числовой ряд, и нам нужно исследовать его на сходимость (уже знакомая из предыдущих уроков задача).
Используем признак Лейбница: 1) Ряд является знакочередующимся. 2) – члены ряда убывают по модулю. Каждый следующий член ряда по модулю меньше, чем предыдущий, значит, убывание монотонно.
Вывод: ряд сходится.
Исследуем ряд на абсолютную сходимость: – сходится (случай обобщенного гармонического ряда).
Таким образом, полученный числовой ряд сходится абсолютно.
Далее рассматриваем правый конец интервала , подставляем это значение в наш степенной ряд :
При – сходится.
Таким образом, степенной ряд сходится на обоих концах найденного интервала.
Ответ: Область сходимости исследуемого степенного ряда:
Имеет право на жизнь и другое оформление ответа: Ряд сходится, если
Иногда в условии задачи требуют указать радиус сходимости. Очевидно, что в рассмотренном примере .
Пример 2
Найти область сходимости степенного ряда
Решение: Найдем интервал сходимости данного ряда. Используем признак Даламбера:
Составляем стандартное неравенство: Ряд сходится при
Слева нам нужно оставить только , поэтому умножаем обе части неравенства на 3:
И раскрываем неравенство с модулем по правилу : – интервал сходимости исследуемого степенного ряда.
Исследуем сходимость степенного ряда на концах найденного интервала. 1) При
Обратите внимание, что при подстановке значения в степенной ряд у нас сократилась степень . Это верный признак того, что мы правильно нашли интервал сходимости ряда.
Исследуем полученный числовой ряд на сходимость.
Используем признак Лейбница. – Ряд является знакочередующимся. – – члены ряда убывают по модулю. Каждый следующий член ряда по модулю меньше, чем предыдущий, значит, убывание монотонно. Вывод: Ряд сходится.
Исследуем ряд на абсолютную сходимость: Сравним данный ряд с расходящимся рядом . Используем предельный признак сравнения: Получено конечное число, отличное от нуля, значит, ряд расходится вместе с рядом .
Таким образом, ряд сходится только условно.
2) При – расходится (по доказанному).
Ответ: Область сходимости исследуемого степенного ряда: . При ряд сходится только условно.
В рассмотренном примере областью сходимости степенного ряда является полуинтервал, причем во всех точках интервала степенной ряд сходится абсолютно (см. предыдущий параграф), а в точке , как выяснилось – сходится только условно.
Пример 3
Найти интервал сходимости степенного ряда и исследовать его сходимость на концах найденного интервала
Это пример для самостоятельного решения.
Рассмотрим пару примеров, которые встречаются редко, но встречаются.
Пример 4
Найти область сходимости ряда:
Решение: Найдем интервал сходимости данного ряда. Используем признак Даламбера:
(1) Составляем отношение следующего члена ряда к предыдущему.
(2) Избавляемся от четырехэтажности дроби.
(3) Кубы и по правилу действий со степенями подводим под единую степень. В числителе хитро раскладываем степень , т.е. раскладываем таким образом, чтобы на следующем шаге сократить дробь на . Факториалы расписываем подробно.
(4) Под кубом почленно делим числитель на знаменатель, указывая, что . В дроби сокращаем всё, что можно сократить. Множитель выносим за знак предела, его можно вынести, поскольку в нём нет ничего, зависящего от «динамической» переменной «эн». Обратите внимание, что знак модуля не нарисован – по той причине, что принимает неотрицательные значения при любом «икс».
В пределе получен ноль, а значит, можно давать окончательный ответ:
Ответ: Ряд сходится при
А сначала-то казалось, что этот ряд со «страшной начинкой» будет трудно решить. Ноль или бесконечность в пределе – почти подарок, ведь решение заметно сокращается!
Пример 5
Найти область сходимости ряда
Это пример для самостоятельного решения. Будьте внимательны ;-) Полное решение ответ в конце урока.
Рассмотрим еще несколько примеров, содержащих элемент новизны в плане использования технических приемов.
Пример 6
Найти интервал сходимости ряда и исследовать его сходимость на концах найденного интервала
Решение: В общий член степенного ряда входит множитель , обеспечивающий знакочередование. Алгоритм решения полностью сохраняется, но при составлении предела мы игнорируем (не пишем) этот множитель, поскольку модуль уничтожает все «минусы».
Найдем интервал сходимости данного ряда. Используем признак Даламбера:
Составляем стандартное неравенство: Ряд сходится при Слева нам нужно оставить только модуль, поэтому умножаем обе части неравенства на 5: Теперь раскрываем модуль уже знакомым способом:
В середине двойного неравенства нужно оставить только «икс», в этих целях из каждой части неравенства вычитаем 2:
Исследуем сходимость ряда на концах найденного интервала:
1) Подставляем значение в наш степенной ряд :
Будьте предельно внимательны, множитель не обеспечивает знакочередование, при любом натуральном «эн» . Полученный минус выносим за пределы ряда и забываем про него, поскольку он (как и любая константа-множитель) никак не влияет на сходимость или расходимость числового ряда.
Еще раз заметьте, что в ходе подстановки значения в общий член степенного ряда у нас сократился множитель . Если бы этого не произошло, то это бы значило, что мы либо неверно вычислили предел, либо неправильно раскрыли модуль.
Итак, требуется исследовать на сходимость числовой ряд . Здесь проще всего использовать предельный признак сравнения и сравнить данный ряд с расходящимся гармоническим рядом. Но, если честно, предельный признак сравнения до ужаса мне надоел, поэтому внесу некоторое разнообразие в решение.
Используем интегральный признак. Подынтегральная функция непрерывна на . Таким образом, полученный числовой ряд расходится вместе с соответствующим несобственным интегралом.
2) Исследуем второй конец интервала сходимости. При
Используем признак Лейбница: – Ряд является знакочередующимся. – – члены ряда убывают по модулю. Каждый следующий член ряда по модулю меньше, чем предыдущий, значит, убывание монотонно. Вывод: ряд сходится
Рассматриваемый числовой ряд не является абсолютно сходящимся поскольку – расходится (по доказанному).
Ответ: – область сходимости исследуемого степенного ряда, при ряд сходится только условно.
Пример 7
Найти интервал сходимости ряда и исследовать его сходимость на концах найденного интервала
Это пример для самостоятельного решения.
Кто утомился, может сходить покурить, а мы рассмотрим еще два примера.
Пример 8
Найти интервал сходимости ряда и исследовать его сходимость на концах найденного интервала
Решение: Найдем интервал сходимости данного ряда. Используем признак Даламбера:
Предел по той причине, что числитель и знаменатель одного порядка роста. Более подробно об этом моменте и «турбо»-методе решения читайте в статьеПризнак Даламбера. Признаки Коши.
Итак, ряд сходится при
Умножаем обе части неравенства на 9: Извлекаем из обеих частей корень, при этом помним старый школьный прикол : Раскрываем модуль: И прибавляем ко всем частям единицу:
Исследуем сходимость степенного ряда на концах найденного интервала:
1) Если , то получается следующий числовой ряд:
Множитель бесследно пропал, поскольку при любом натуральном значении «эн» .
И в третий раз обращаю внимание на то, что в результате подстановки сократились степени , а значит, интервал сходимости найден правильно.
По всем признакам для полученного числового ряда следует применить предельный признак сравнения. Какой ряд подобрать для сравнения? Об этой методике я уже рассказывал на урокеРяды для чайников. Повторим.
Определяем старшую степень знаменателя, для этого мысленно или на черновике отбрасываем под корнем всё, кроме самого старшего слагаемого: . Таким образом, старшая степень знаменателя равна . Старшая степень числителя, очевидно, равна 1. Из старшей степени знаменателя вычитаем старшую степень числителя: .
Таким образом, наш ряд нужно сравнить со сходящимся рядом . Используем предельный признак сравнения:
Получено конечное, отличное от нуля число, значит, ряд сходится вместе с рядом .
2) Что происходит на другом конце интервала? При – сходится.
А вот и вознаграждение за мучения в предыдущем пункте! Получился точно такой же числовой ряд, сходимость которого мы только что доказали.
Ответ: область сходимости исследуемого степенного ряда:
Чуть менее сложный пример для самостоятельного решения:
Пример 9
Найти область сходимости ряда
Достаточно для начала =)
В заключение остановлюсь на одном моменте. Во всех примерах мы использовали признак Даламбера и составляли предел . Всегда ли при решении заданий такого типа нужно применять признак Даламбера? Почти всегда. Однако в редких случаях невероятно выгодно использовать радикальный признак Коши и составлять предел , при этом техника и алгоритм решения задачи остаются точно такими же! Что это за случаи? Это те случаи, когда из общего члена степенного ряда «хорошо» (полностью) извлекается корень «энной» степени.
Следующий урок по теме – Разложение функций в степенные ряды. Примеры решений.
Желаю успехов!
Решения и ответы:
Пример 3: Решение: Найдем интервал сходимости данного ряда. Используем признак Даламбера: Ряд сходится при Слева нужно оставить только модуль, поэтому умножаем обе части неравенства на 7 – интервал сходимости исследуемого степенного ряда. Исследуем сходимость ряда на концах найденного интервала. 1) При Используем признак Лейбница. – Ряд является знакочередующимся. – члены ряда не убывают по модулю. Вывод: Ряд расходится 2) При Ряд расходится, так как не выполнен необходимый признак сходимости ряда. Ответ: – область сходимости исследуемого степенного ряда
Пример 5: Решение: Найдем интервал сходимости данного ряда. Используем признак Даламбера: Ответ: Ряд сходится при
Почему получилась двойка, а не ноль? Перечитайте классификацию области сходимости степенного ряда. Хотя, наверное, многие уже понимают, почему.
Пример 7: Решение: Найдем интервал сходимости данного ряда. Используем признак Даламбера: Ряд сходится при Слева нужно оставить только модуль, умножаем обе части неравенства на : В середине нужно оставить только «икс», вычитаем из каждой части неравенства 3: – интервал сходимости исследуемого степенного ряда. Исследуем сходимость ряда на концах найденного интервала: 1) При Степень сократилась, значит, мы на верном пути. Используем признак Лейбница. Ряд является знакочередующимся. – члены ряда убывают по модулю. Каждый следующий член ряда по модулю меньше, чем предыдущий, значит, убывание монотонно. Ряд сходится по признаку Лейбница. Исследуем ряд на абсолютную сходимость: Используем интегральный признак. Подынтегральная функция непрерывна на . Таким образом, ряд расходится вместе с соответствующим несобственным интегралом. Ряд сходится только условно. 2) При – расходится (по доказанному). Ответ: Область сходимости исследуемого степенного ряда: , при ряд сходится только условно. Область сходимости окончательно можно записать так: , или даже так: . Примечание: Ряд можно было исследовать на сходимость с помощью предельного признака сравнения.
Пример 9: Решение: Найдем интервал сходимости данного ряда. Используем признак Даламбера: Ряд сходится при – интервал сходимости исследуемого степенного ряда. Исследуем сходимость ряда на концах найденного интервала. 1) При Сравним данный ряд с расходящимся гармоническим рядом . Используем предельный признак сравнения. Получено конечное число, отличное от нуля, значит, полученный числовой ряд расходится вместе с гармоническим рядом. 2) При – расходится (по доказанному). Ответ: область сходимости исследуемого степенного ряда:
. Технология применения признака Даламбера точно такая же, как и для числовых рядов, с ней можно ознакомиться на урокеПризнак Даламбера. Признаки Коши. Единственное отличие – все дела у нас происходят под знаком модуля.
и так будет неотрицательным, а вот «икс» вполне может принимать отрицательные значения. Поэтому модуль относится именно к нему.
можно вообще вынести за знак предела? Потому-что «динамической» переменной в пределе у нас является «эн», и от этого нашему «иксу» ни жарко ни холодно.
стандартным способом.
» (любое действительное число – случай №2 предыдущего параграфа). То есть, степенной ряд сходится при любом значении «икс». Ответ можно записать эквивалентно: «Ряд сходится при 
» (значок 
в математике обозначает принадлежность).
» (или при 
либо 
»). Смотрите случай №3 предыдущего параграфа.
. В данном случае:
– интервал сходимости исследуемого степенного ряда.
и подставляем его в наш степенной ряд 
– члены ряда убывают по модулю. Каждый следующий член ряда по модулю меньше, чем предыдущий, значит, убывание монотонно.
– сходится (случай обобщенного гармонического ряда).
, подставляем это значение в наш степенной ряд 
– сходится.
.
– интервал сходимости исследуемого степенного ряда.
в степенной ряд 
. Это верный признак того, что мы правильно нашли интервал сходимости ряда.
– члены ряда убывают по модулю. Каждый следующий член ряда по модулю меньше, чем предыдущий, значит, убывание монотонно.
. 
расходится вместе с рядом 
сходится только условно.
– расходится (по доказанному).
. При 
ряд сходится только условно.
степенной ряд сходится абсолютно (см. предыдущий параграф), а в точке 
и 
по правилу действий со степенями подводим под единую степень. В числителе хитро раскладываем степень 
, т.е. раскладываем таким образом, чтобы на следующем шаге сократить дробь на 
. Факториалы расписываем подробно.
. В дроби сокращаем всё, что можно сократить. Множитель 
выносим за знак предела, его можно вынести, поскольку в нём нет ничего, зависящего от «динамической» переменной «эн». Обратите внимание, что знак модуля не нарисован – по той причине, что 
принимает неотрицательные значения при любом «икс».
, обеспечивающий знакочередование. Алгоритм решения полностью сохраняется, но при составлении предела 
мы игнорируем (не пишем) этот множитель, поскольку модуль уничтожает все «минусы».
– интервал сходимости исследуемого степенного ряда.
в наш степенной ряд 
:
не обеспечивает знакочередование, при любом натуральном «эн» 
. Полученный минус выносим за пределы ряда и забываем про него, поскольку он (как и любая константа-множитель) никак не влияет на сходимость или расходимость числового ряда.
. Если бы этого не произошло, то это бы значило, что мы либо неверно вычислили предел, либо неправильно раскрыли модуль.
. Здесь проще всего использовать предельный признак сравнения и сравнить данный ряд с расходящимся гармоническим рядом. Но, если честно, предельный признак сравнения до ужаса мне надоел, поэтому внесу некоторое разнообразие в решение.
.
– члены ряда убывают по модулю. Каждый следующий член ряда по модулю меньше, чем предыдущий, значит, убывание монотонно.
– расходится (по доказанному).
– область сходимости исследуемого степенного ряда, при 
ряд сходится только условно.
по той причине, что числитель и знаменатель одного порядка роста. Более подробно об этом моменте и «турбо»-методе решения читайте в статьеПризнак Даламбера. Признаки Коши.
:
– интервал сходимости исследуемого степенного ряда.
, то получается следующий числовой ряд:
бесследно пропал, поскольку при любом натуральном значении «эн» 
.
, а значит, интервал сходимости найден правильно.
следует применить предельный признак сравнения. Какой ряд подобрать для сравнения? Об этой методике я уже рассказывал на урокеРяды для чайников. Повторим.
. Таким образом, старшая степень знаменателя равна 
. Старшая степень числителя, очевидно, равна 1. Из старшей степени знаменателя вычитаем старшую степень числителя: 
.
.
.
– сходится.
, при этом техника и алгоритм решения задачи остаются точно такими же! Что это за случаи? Это те случаи, когда из общего члена степенного ряда «хорошо» (полностью) извлекается корень «энной» степени.
– интервал сходимости исследуемого степенного ряда.
– члены ряда не убывают по модулю.
:
– интервал сходимости исследуемого степенного ряда.
сократилась, значит, мы на верном пути.
– члены ряда убывают по модулю. Каждый следующий член ряда по модулю меньше, чем предыдущий, значит, убывание монотонно.
расходится вместе с соответствующим несобственным интегралом. Ряд 
сходится только условно.
– расходится (по доказанному).
ряд сходится только условно.
, или даже так: 
.
можно было исследовать на сходимость с помощью предельного признака сравнения.
– интервал сходимости исследуемого степенного ряда.
. Используем предельный признак сравнения.
– расходится (по доказанному).