Знакочередующиеся ряды. Признак Лейбница.
Абсолютная и условная сходимость

Для того чтобы понять примеры данного урока необходимо хорошо ориентироваться в положительных числовых рядах: понимать, что такое ряд, знать необходимый признак сходимости ряда, уметь применять признаки сравнения, признак Даламбера, признаки Коши. Тему можно поднять практически с нуля, последовательно изучив статьи Ряды для чайников и Признак Даламбера. Признаки Коши . Логически этот урок является третьим по счёту, и он позволит не только разобраться в знакочередующихся рядах, но и закрепить уже пройденный материал! Какой-то новизны будет немного, и освоить знакочередующиеся ряды не составит большого труда. Всё просто и доступно.

Что такое знакочередующийся ряд? Это понятно или почти понятно уже из самого названия. Сразу простейший пример.

Рассмотрим ряд и распишем его подробнее:

А сейчас будет убийственный комментарий. У членов знакочередующегося ряда чередуются знаки: плюс, минус, плюс, минус, плюс, минус и т.д. до бесконечности.

Знакочередование обеспечивает множитель : если чётное, то будет знак «плюс», если нечётное – знак «минус» (как вы помните ещё с урока о числовых последовательностях , эта штуковина называется «мигалкой»). Таким образом, знакочередующийся ряд «опознается» по минус единичке в степени «эн».

В практических примерах знакочередование членов ряда может обеспечивать не только множитель , но и его родные братья: , , , …. Например:

Подводным камнем являются «обманки»: , , и т.п. – такие множители не обеспечивают смену знака . Совершенно понятно, что при любом натуральном : , , . Ряды с обманками подсовывают не только особо одаренным студентам, они время от времени возникают «сами собой» в ходе решения функциональных рядов .

Как исследовать знакочередующийся ряд на сходимость? Использовать признак Лейбница. Про немецкого гиганта мысли Готфрида Вильгельма Лейбница я рассказывать ничего не хочу, так как помимо математических трудов, он накатал несколько томов по философии. Опасно для мозга.

Признак Лейбница : Если члены знакочередующегося ряда монотонно убывают по модулю, то ряд сходится.

Или в два пункта:

1) Ряд является знакочередующимся.

2) Члены ряда убывают по модулю: , причём, убывают монотонно.

Если выполнены эти условия, то ряд сходится .

Краткая справка о модуле приведена в методичке Горячие формулы школьного курса математики , но для удобства ещё раз:

Что значит «по модулю»? Модуль, как мы помним со школы, «съедает» знак «минус». Вернемся к ряду . Мысленно сотрём ластиком все знаки и посмотрим на числа . Мы увидим, что каждый следующий член ряда меньше , чем предыдущий. Таким образом, следующие фразы обозначают одно и то же:

– Члены ряда без учёта знака убывают.
– Члены ряда убывают по модулю .
– Члены ряда убывают по абсолютной величине .
– Модуль общего члена ряда стремится к нулю:

// Конец справки

Теперь немного поговорим про монотонность. Монотонность – это скучное постоянство.

Члены ряда строго монотонно убывают по модулю, если КАЖДЫЙ СЛЕДУЮЩИЙ член ряда по модулю МЕНЬШЕ, чем предыдущий: . Для ряда выполнена строгая монотонность убывания, её можно расписать подробно:

А можно сказать короче: каждый следующий член ряда по модулю меньше, чем предыдущий: .

Члены ряда нестрого монотонно убывают по модулю, если КАЖДЫЙ СЛЕДУЮЩИЙ член ряда по модулю НЕ БОЛЬШЕ предыдущего: . Рассмотрим ряд с факториалом: Здесь имеет место нестрогая монотонность, так как первые два члена ряда одинаковы по модулю. То есть, каждый следующий член ряда по модулю не больше предыдущего: .

В условиях теоремы Лейбница должна выполняться монотонность убывания (неважно, строгая или нестрогая). Кроме того, члены ряда могут даже некоторое время возрастать по модулю , но «хвост» ряда обязательно должен быть монотонно убывающим.

Не нужно пугаться того, что я нагородил, практические примеры всё расставят по своим местам:

Пример 1

В общий член ряда входит множитель , и это наталкивает на естественную мысль проверить выполнение условий признака Лейбница:

1) Проверка ряда на знакочередование. Обычно в этом пункте решения ряд расписывают подробно и выносят вердикт «Ряд является знакочередующимся».

2) Убывают ли члены ряда по модулю? Здесь нужно решить предел , который чаще всего является очень простым.

– члены ряда не убывают по модулю, и из этого автоматически следует его расходимость – по той причине, что предела не существует *, то есть, не выполнен необходимый признак сходимости ряда .

Пример 9

Исследовать ряд на сходимость

Пример 10

Исследовать ряд на сходимость

После качественной проработки числовых положительных и знакопеременных рядов с чистой совестью можно перейти к функциональным рядам , которые не менее монотонны и однообразны интересны.

Ряд называется знакочередующимся, если любые два соседних его члена имеют разные знаки, т.е. ряды вида u 1 – u 2 + u 3 – u 4 +… + u n + …, где u 1 , u 2 , …, u n , … положительны.

Теорема Лейбница. Если члены знакочередующегося ряда, взятые по абсолютной величине, монотонно убывают и модуль общего члена ряда стремится к нулю при , т.е.
, то ряд сходится.

Пример 1.

Исследовать сходимость знакочередующегося ряда:

.

Члены ряда, взятые по абсолютной величине, монотонно убывают:

Ряд сходится.

1.6. Знакопеременные ряды. Абсолютная и условная сходимость ряда

Ряд u 1 + u 2 +…+ u n +… называется знакопеременным, если среди его членов имеются как положительные, так и отрицательные.

Знакочередующиеся ряды являются частным случаем знакопеременных рядов.

Теорема. Дан знакопеременный ряд u 1 + u 2 +…+ u n +…(1). Составим ряд | u 1 |+| u 2 |+…+| u n |+… (2). Если ряд (2), составленный из абсолютных величин членов ряда (1), сходится, то ряд (1) сходится.

Определение. Знакопеременный ряд u 1 + u 2 +…+ u n +… называется абсолютно сходящимся, если сходится ряд, составленный из абсолютных величин его членов |u 1 |+| u 2 |+…+| u n |+… .

Если же знакопеременный ряд (1) сходится, а ряд (2), составленный из абсолютных величин его членов, расходится, то данный знакопеременный ряд (1) называется условно или неабсолютно сходящимся рядом.

Пример 1.

Исследовать на сходимость и абсолютную сходимость ряд:
.

Знакочередующийся ряд сходится по теореме Лейбница, т.к.
. Члены ряда монотонно убывают и
. Теперь исследуем данный ряд на абсолютную сходимость. Рассмотрим ряд, составленный из абсолютных величин членов данного ряда:. Исследуем сходимость этого ряда с помощью признака Даламбера:
. Ряд сходится. Значит, заданный знакочередующийся ряд сходится абсолютно.

Пример 2.

Исследовать на сходимость и абсолютную сходимость ряд:
.

По теореме Лейбница
. Ряд сходится. Ряд, составленный из абсолютных величин членов данного ряда, имеет вид
. По признаку Даламбера получим
. Ряд сходится, значит, заданный знакопеременный ряд сходится абсолютно.

2. Функциональные ряды. Область сходимости функционального ряда

Рассмотрим последовательность функций, заданных на некотором промежутке [ a , b ] :

f 1 (x ), f 2 (x ), f 3 (x ) … f n (x ), ….

Приняв эти функции в качестве членов ряда, образуем ряд:

f 1 (x ) + f 2 (x ) + f 3 (x ) + … + f n (x ) + …, (1)

который называется функциональным рядом .

Например: sin(x) + sin(2x) + sin(3x) + … + sin(nx) + …

В частном случае функциональным рядом является ряд:

который называется степенным рядом , где
постоянные числа, называемыекоэффициентами членов степенного ряда .

Степенной ряд может быть записан и в такой форме:

где
некоторое постоянное число.

При определенном фиксированном или числовом значении x получим числовой ряд, который может быть сходящимся или расходящимся.

Определение : Совокупность всех значений х (или всех точек х числовой прямой), при которых степенной ряд сходится, называется областью сходимости степенного ряда.

Пример 1.

Найти область сходимости степенного ряда:

Решение (1 способ) .

Применим признак Даламбера.

Так как признак Даламбера применим к рядам только с положительными членами , то выражение, стоящее под знаком предела, взято по абсолютной величине.

По признаку Даламбера ряд сходится, если
и
.

Т.е. ряд сходится, если < 1, откуда
или-3< x <3.

Получим интервал сходимости данного степенного ряда: (-3;3).

В крайних точках интервала x =
, будем иметь
.

В этом случае теорема Даламбера не дает ответа на вопрос о сходимости ряда.

Исследуем ряд на сходимость в граничных точках:

x = -3 ,

Получим знакочередующийся ряд. Исследуем его на сходимость по признаку Лейбница:

1.
члены ряда, взятые по абсолютной величине, монотонно убывают.

2.
Следовательно, ряд в точкеx = -3 сходится.

x = 3,

Получим положительный ряд. Применим интегральный признак Коши сходимости ряда.

члены ряда монотонно убывают.

Функция
на промежутке
:

.

Несобственный интеграл расходится, значит, ряд в точке x=3 расходится.

Ответ:

Второй способ определения области сходимости степенного ряда основан на применении формулы радиуса сходимости степенного ряда:

, где и
коэффициентыи
членов ряда.

Для данного ряда имеем:

. R =3.

ряд сходится

Интервал сходимости ряда: -3< x <3.

Далее, как и в предыдущем случае, надо исследовать в граничных точках: x =
.

Ответ: область сходимости ряда [-3;3).

Отметим, что второй способ определения области сходимости степенного ряда с использованием формулы радиуса сходимости ряда
более рационален.

Пример 2.

Найти область сходимости степенного ряда:
.

Найдем R – радиус сходимости ряда.

,
,
.

.
.

Интервал сходимости ряда (-;).

Исследуем ряд на сходимость в точках x = -иx = .

x = - ,

Получим знакочередующийся ряд. Применим признак Лейбница:

1.
члены ряда, взятые по абсолютной величине, монотонно убывают.

2.
, следовательно, ряд в точкеx = -сходится.

x = ,
.

Получили ряд с положительными членами. Применим интегральный признак Коши.

Здесь
:

, члены ряда
монотонно убывают.

Функция
на промежутке
:

.

Несобственный интеграл расходится, ряд расходится.

Ответ: [-;) – область сходимости ряда.

Знакочередующиеся ряды – частный случай знакопеременного ряда.

Теорема 1.

Если знакопеременный ряд (1)

таков, что ряд, составленный из абсолютных величин его членов

(2)

сходится, то и данный знакопеременный ряд также сходится.

Данная теорема позволяет судить о сходимости некоторых знакопеременных рядов. Исследование в данном случае сводится к исследованию ряда с положительными членами.

Данная теоремаявляется достаточным признаком сходимости знакочередующегося ряда, но не необходимым: существуют такие знакопеременные ряды, которые сами сходятся, но ряды, составленные из абсолютных величин их членов, расходятся.

Определение:

Знакопеременный ряд (1)

называется абсолютно сходящимся , если сходится ряд, составленный из абсолютных величин его членов: (2)

Если же знакопеременный ряд (1) сходится, а ряд (2) расходится, то данный знакопеременный ряд(1) называется условно или неабсолютно сходящимся рядом.

Теорема 2:

Если ряд сходится абсолютно, то он остается абсолютно сходящимся при любой перестановке его членов. При этом сумма ряда не зависит от порядка его членов.

Теорема 3:

Если ряд сходится условно, то какое бы мы ни задали число А , можно так переставить члены этого ряда, чтобы его сумма оказалась в точности равной А. Более того, можно так переставить члены условно сходящегося ряда, что ряд, полученный после перестановки, окажется расходящимся.

Пример:

Исследовать числовой ряд

Решение:

Исследуем данный числовой знакочередующийся ряд на абсолютную и условную сходимость, для чего составим ряд из абсолютных величин членов знакочередующегося ряда:

Исследуем полученный числовой ряд с положительными членами на сходимость, воспользовавшись предельным признаком сравнения. Сравним данный ряд с обобщенным гармоническим рядом . Так как , то ряд сходится.

Следовательно, оба ряда вместе сходятся.

Так как числовой ряд из абсолютных величин членов нашего знакочередующегося ряда сходится, то знакочередующийся числовой ряд сходится абсолютно.

Ответ: Ряд сходится абсолютно.

Пример .

Исследовать числовой ряд на абсолютную и условную сходимость.

Решение:

Знакочередующийся числовой ряд.

Воспользуемся признаком Лейбница:

То есть члены ряда монотонно убывают по абсолютной величине.

Следовательно, знакочередующийся ряд сходится по признаку Лейбница.

Составим ряд из модулей членов нашего знакочередующегося ряда:

Исследуем полученный числовой ряд с положительными членами на сходимость, воспользовавшись предельным признаком сравнения. Сравним данный ряд с расходящимся гармоническим рядом .

Следовательно, оба ряда вместе расходятся.

Таким образом, сам знакочередующийся ряд сходится, а ряд из его модулей расходится. Следовательно, наш знакочередующийся числовой ряд сходится условно.

Ответ: Ряд сходится условно.

Ряд называется знакопеременным , если среди его членов есть как положительные, так и отрицательные члены.

Составим ряд из модулей членов этого ряда:

Получился положительный ряд.

Достаточный признак сходимости знакопеременного ряда: если сходится ряд, образованный из модулей членов данного знакопеременного ряда, то сходится и данный ряд.

В этом случае знакопеременный ряд называется абсолютно сходящимся .

Если знакопеременный ряд сходится, а ряд, составленный из модулей его членов, расходится, то знакопеременный ряд называется условно сходящимся .

Пример .Исследовать ряд на сходимость.

Решение . Данный ряд знакопеременный, т.к. sinn может быть как положительным, так и отрицательным при различных n .

Составим ряд из модулей его членов:

Этот ряд положительный, поэтому его можно исследовать с помощью признака сравнения. Так как ≤ , а ряд сходится по признаку Даламбера (см. п. 4.2.3.3. ). Значит, ряд с меньшими членами также сходится, а данный ряд сходится абсолютно.

Все привыкли думать, что сумма не зависит от порядка слагаемых. И это действительно так, когда речь идёт о конечном числе слагаемых. С бесконечными суммами, т.е. с рядами, нужно быть осторожнее. Оказывается, сумма ряда может меняться при изменении порядка его членов, еслиряд сходится условно . Покажем это на примере знакочередующегося гармонического ряда.

Пример . Известна сумма такого ряда:

В данном ряде переставим местами слагаемые, воспользовавшись тем, что их бесконечно много:

Получилось, что число равно его половине, т.е. абсурд. Так произошло потому, что исходный ряд был условно сходящимся (действительно, ряд, составленный из модулей его членов, является гармоническим и расходится), а для такого ряда сумма может зависеть от порядка слагаемых. И, безусловно, для конечной суммы подобная перестановка была бы невозможна, потому что мы брали в скобках одно положительное слагаемое и два отрицательных, и тогда отрицательные члены закончились бы быстрее.

Кстати, при другой какой-то перестановке можно было получить и иной результат. Например, если в скобках поставить два положительных слагаемых и одно следующее отрицательное, то сумма будет такой:

Для условно сходящихся рядов справедлива теорема Римана : посредством надлежащего изменения порядка членов не абсолютно сходящегося ряда можно получить ряд, имеющий наперёд заданную сумму, или даже расходящийся ряд.

4.3.1. Знакочередующиеся ряды

Рассмотрим ряд

Где все > 0. Такой ряд называется знакочередующимся , и он является частным случаем знакопеременного ряда.

Достаточный признак сходимости знакочередующегося ряда (признак Лейбница ): если члены знакочередующегося ряда монотонно убывают по абсолютной величине и общий член ряда стремится к нулю, то ряд сходится, а его сумма не превосходит первого члена ряда.

Следствие . Остаток ряда по абсолютной величине меньше абсолютной величины первого члена остатка. Это свойство используется в приближённых вычислениях функций, интегралов и т.д.

Доказательство. Запишем, к примеру, частичную сумму ряда, состоящую из чётного числа слагаемых:

Так как по условию члены ряда убывают, то все скобки здесь положительны. И получается, что, с одной стороны, возрастает с ростом k , а с другой, не превышает первого члена а 1 . По теореме Больцано-Вейерштрасса имеет предел.

При исследовании сходимости знакопеременного ряда следует сначала использовать признак Лейбница, а затем проверить, сходится ли ряд, составленный из модулей членов этого ряда. После этого сделать вывод, сходится ряд абсолютно или условно.

Пример. Исследовать сходимость ряда .

Решение. Этот ряд знакочередующийся. Члены ряда обладают следующими свойствами:

1) модули членов ряда монотонно убывают: > > > … ;тоже расходится.

Получилось, что исходный ряд сходится, а ряд из модулей расходится. Следовательно, исходный ряд является условно сходящимся.

Ряд (1) называется знакопеременным , если среди его членов имеются как положительные, так и отрицательные члены.

Теорема (достаточный признак сходимости знакопеременного ряда ). Пусть задан знакопеременный ряд

a 1 + a 2 + … +a n + …. (13)

Если ряд, составленный из абсолютных величин членов данного ряда

|a 1 | + |a 2 | + … + |a n | +… , (14)

сходится, то сходится и данный ряд (13).

Ряд (13) называется абсолютно сходящимся, если сходится ряд (14), составленный из абсолютных величин членов ряда (13). Если же знакопеременный ряд (13) сходится, а ряд (14) расходится, то ряд (13) называется условно или неабсолютно сходящимся .

a 1 – a 2 + a 3 – a 4 +… + a n + …., (15)

где , называется знакочередующимся.

Теорема (признак Лейбница ). Знакочередующийся ряд (15) сходится, если абсолютные величины его членов не возрастают, а общий член стремится к нулю, т.е. если выполняются следующие два условия:

Замечание 1 . При решении задач на исследование сходимости ряда полезно знать особенности поведения следующих рядов:

1. Ряд, составленный из членов геометрической прогрессии : сходится при и расходится при , q – знаменатель прогрессии;

2. Обобщенный гармонический ряд : сходится при и расходится при . В частном случае () получаем гармонический ряд , который расходится.

Замечание 2. Если ряд (15) удовлетворяет условиям признака Лейбница, то ошибка, совершаемая при замене S на S n , не превосходит по абсолютной величине первого из отброшенных членов. Это свойство используется для приближенных вычислений.

Задание 1

Решение. Так как (второй замечательный предел), то в силу следствия из необходимого признака сходимости ряда получаем, что данный ряд расходится.

Задание 2 .

Решение . Выясним поведение данного ряда с помощью признака сравнения. Для этого сравним его с рядом (это – обобщенный гармонический ряд, который сходится, так как ). Имеем:

и, следовательно, из сходимости ряда по признаку сравнения следует сходимость и данного ряда.

Задание 3 . Исследовать на сходимость ряд .

Решение. Выясним поведение данного ряда с помощью предельного признака сравнения. Сравним данный ряд с рядом (это - гармонический ряд, который расходится). Имеем:

и, следовательно, ряды и данный ведут себя одинаково. Таким образом, по предельному признаку сравнения исследуемый ряд расходится.

Задание 4. Исследовать на сходимость ряд .

Решение. Применим к данному ряду признак Даламбера. Имеем:

Тогда . Следовательно, по признаку Даламбера данный ряд сходится.

Задание 5. Исследовать на сходимость ряд .

Решение . Применим к данному ряду признак Коши. Имеем:

и, следовательно, в силу признака Коши данный ряд сходится.

Задание 6 . Исследовать на сходимость ряд .

Решение . Применим к данному ряду интегральный признак Коши. Имеем:

Для исследования исходного ряда на условную сходимость применим к нему признак Лейбница. Имеем:

1) и очевидно, что

Следовательно, условия признака Лейбница выполнены. Таким образом, исходный ряд сходится условно.