13. Szeregi liczbowe#

13.1. Suma częściowa ciągu#

Narration

Niech \((a_n)_{n\in \nn}\) będzie ciągiem liczb rzeczywistych.

Definicja 13.1

Dla \(k\in\nn\),

\[ S_k = \sum_{n=1}^k a_n = a_1 +\ldots + a_k \ \]

nazywamy \(k\)-tą sumą częściową ciągu \((a_k).\)

Uwaga 13.1

Sumę częściową ciągu \((a_n)\) można zadać również rekurencyjnie:

\[ S_1 = a_1, \quad \Forall{k\in \nn}{S_{k+1} = S_k + a_{k+1}} . \]

Przykład 13.1

  1. Dla ciągu arytmetycznego o wyrazach \(a_n = a + (n-1)\cdot r\), mamy

    \[ S_k = a + (a + r) + (a + 2\cdot r) + \ldots + (a + (k-1)\cdot r) = k\cdot a + \frac {k(k-1)}{2}\cdot r. \]
  2. Dla ciągu geometrycznego o wyrazach \(a_n = a\cdot q^{n-1}\), mamy

    \[\begin{split} S_k = a + a\cdot q + a\cdot q^2 + \ldots + a\cdot q^{k-1} = \begin{cases} \displaystyle a\cdot \frac {1 - q^k} {1-q} & \text{dla } q\neq 1 \\ a\cdot k & \text{dla } q = 1 \end{cases} . \end{split}\]

Ćwiczenie 13.1

Policzmy sumy częściowe ciągu o wyrazach \(a_n = \cos(n\pi) = (-1)^{n}.\)

Ćwiczenie 13.2

Policzmy sumy częściowe ciągu o wyrazach \(\displaystyle a_n = \frac 1 {n(n+1)}.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 14.6.

13.2. Definicja szeregu liczbowego#

Narration

Niech \((a_n)_{n\in \nn}\) będzie ciągiem liczb rzeczywistych.

Definicja 13.2

Ciąg sum częściowych \((S_k)\) ciągu \((a_n)\) nazywamy szeregiem liczbowym o wyrazie ogólnym \(a_n\) i oznaczamy symbolem

\[\sum_{n = 1}^\infty a_n.\]

Szereg liczbowy \(\sum_{n = 1}^\infty a_n\) nazywamy zbieżnym jeśli istnieje granica właściwa

\[\sum_{n = 1}^\infty a_n = \LimInfty[k]{S_k} = \LimInfty[k]{\sum_{n = 1}^k a_n,}\]

którą nazywamy sumą szeregu.

W przeciwnym przypadku szereg nazywamy rozbieżnym .

Uwaga 13.2

Należy podkreślić, że symbol \(\sum_{n = 1}^\infty a_n\) ma dwa, podane wyżej, znaczenia.

Z~jednej strony jest to ciąg sum częściowych, a z drugiej – granica tego ciągu!

Odpowiednia interpretacja wynika z kontekstu w jakim używamy tego oznaczenia.

Przykład 13.2

  1. Szereg arytmetyczny o wyrazie ogólnym \(a_n = a + (n-1)\cdot r\) jest zbieżny \(\Leftrightarrow a = r = 0.\)

    Istotnie, tylko wtedy istnieje granica właściwa

    \[ \LimInfty[k]{S_k} = \LimInfty[k] {k\cdot a + \frac {k(k-1)}{2}\cdot r} = 0. \]
  2. Szereg geometryczny o wyrazie ogólnym \(a_n = a\cdot q^{n-1}\) jest zbieżny \(\Leftrightarrow a = 0 \vee |q|< 1.\)

    Istotnie, tylko wtedy istnieje granica właściwa

    \[ \displaystyle\LimInfty[k]{S_k} = \LimInfty[k]{a\cdot \frac {1 - q^k} {1-q}} = \frac a {1-q}. \]

Ćwiczenie 13.3

Zbadajmy zbieżność szeregów:

  1. \(\displaystyle\Series (-1)^{n} \)

  2. \(\displaystyle\Series \frac 1 {n(n+1)} \)

  3. \(\displaystyle\Series \frac 1 {n^2} .\)

13.3. Działania na szeregach#

Definicja 13.3

Szereg \(\displaystyle \Series (a_n + b_n)\) nazywamy sumą szeregów \(\displaystyle \Series a_n\) i \(\displaystyle \Series b_n.\)

Dla ustalonego \(c\in\rr\) przyjmujemy \( \quad \displaystyle c\cdot \Series a_n = \Series c\cdot a_n.\)

Stwierdzenie 13.1

Niech \(c\in \rr\) oraz \(\displaystyle \Series a_n = A \in \rr\) i \(\displaystyle \Series b_n = B \in \rr.\)

Wówczas:

  1. \(\displaystyle \Series c\cdot a_n = c\cdot A\ \),

  2. \(\displaystyle \Series (a_n + b_n) = A+B\ \).

Przykład 13.3

Ze zbieżności sumy szeregów \(\displaystyle \Series (a_n + b_n)\) nie wynika zbieżność szeregów \(\displaystyle \Series a_n\) lub \(\displaystyle \Series b_n.\)

Dla przykładu,

\[\displaystyle \Series 0 = \Series (1 + (- 1))\]

jest szeregiem zbieżnym (do \(0\)), ale szeregi \(\displaystyle \Series 1\) i \(\displaystyle \Series (-1)\) są rozbieżne.

13.4. Reszta szeregu#

Narration

Niech \(N\in\nn.\)

Wówczas dla \(k > N\), sumę częściową \(S_k\) możemy podzielić na dwie części:

\[S_k = \sum_{n = 1}^N a_n + \sum_{n = N+1}^k a_n .\]

Definicja 13.4

Drugi składnik jest sumą częściową ciągu \((b_n) = (a_{N+n})_{n\in\nn} = (a_{N+1}, a_{N+2}, \ldots)\) i definiuje szereg oznaczany symbolem

\[R_N =\sum_{n = N+1}^\infty a_n = \LimInfty[k] \sum_{n = N+1}^k a_n,\]

nazywany \(N\)-tą resztą szeregu \(\displaystyle \Series a_n.\)

Narration

Zatem dla \(n\in\nn\) mamy

\[\displaystyle \Series a_n = S_N + R_N = \sum_{n = 1}^N a_n + \sum_{n = N+1}^\infty a_n.\]

Stwierdzenie 13.2

Dla \(N\in\nn\), szeregi \(\displaystyle\Series a_n\) oraz \(\displaystyle\sum_{n = N+1}^\infty a_n\) są jednocześnie zbieżne lub rozbieżne.

Stwierdzenie 13.3

Jeśli szereg \(\displaystyle \Series a_n\) jest zbieżny, to \(\LimInfty[N] R_{N} = 0.\)

Przykład 13.4

Skoro szereg \(\displaystyle \Series \frac 1 {n^2}\) jest zbieżny, to dla dowolnego \(N\in \nn\) zbieżny jest również szereg \(\displaystyle \sum_{n = N}^\infty \frac 1 {n^2}.\)

13.5. Warunek konieczny zbieżności szeregu#

Twierdzenie 13.4 (WK)

Jeśli szereg \(\displaystyle \Series a_n\) jest zbieżny, to \(\LimInfty a_{n} = 0.\)

Przykład 13.5

Podany w twierdzeniu warunek nie jest dostateczny.

Dla wyrazu ogólnego \(a_n = \frac 1 n\) mamy \(\LimInfty a_n = 0\), a jednak szereg harmoniczny \(\displaystyle \Series \frac 1 n\) jest rozbieżny.

Istotnie, dla \(k > 2N\) mamy

\[ \sum_{n = N+1}^k \frac 1 n > \sum_{n = N+1}^{2N} \frac 1 n > \sum_{n = N+1}^{2N} \frac 1 {2N} = N\cdot \frac 1 {2N} = \frac 1 2. \]

Ponieważ lewa strona tej nierówności jest \(k\)-tym wyrazem ciągu sum częściowych definiującym szereg \(R_N\), to wnioskujemy, że dla \(N\in\nn\) zachodzi

\[R_N = \LimInfty[k] \sum_{n = N+1}^k\frac 1 n > \frac 1 2.\]

To implikuje, że \(\LimInfty[N] R_N \neq 0.\)

Ćwiczenie 13.4

Pokażmy, że rozbieżne są szeregi:

  1. \(\displaystyle \Series \cos \frac 1 n \)

  2. \(\displaystyle \Series \frac {e^n \cdot n!}{n^n} .\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 14.7, Ćw. 14.9, Ćw. 14.10.

13.6. Kryteria zbieżności szeregów o wyrazach nieujemnych#

Uwaga 13.3

Jeśli \(\forall n\in \nn \ a_n \geq 0\), czyli szereg \(\displaystyle \Series a_n\) jest o wyrazach nieujemnych, to dla \(k\in \nn\) zachodzi

\[S_{k+1} = S_k + a_k \geq S_k,\]

więc ciąg \((S_k)\) jest niemalejący.

W szczególności jest zbieżny wtedy i tylko wtedy, gdy jest ograniczony z góry.

Stwierdzenie 13.5

Szereg \(\displaystyle \Series a_n\) o wyrazach nieujemnych jest zbieżny wtedy i tylko wtedy, gdy ciąg \((S_k)\) jest ograniczony z góry.

Ćwiczenie 13.5

Zbadajmy zbieżność szeregu \(\displaystyle \Series \frac 1 {2^n}\cos^2 n.\)

Twierdzenie 13.6 (Kryterium porównawcze)

Niech \(\Forall{n\in \nn}{ a_n \geq 0,\ b_n \geq 0 } .\)

Jeśli

\[ \Exists[\quad]{N \in \nn}{ \forall n > N \quad 0 \leq a_n \leq b_n } , \]

wówczas:

  1. \(\displaystyle \Series b_n\) jest zbieżny \(\quad\imply\quad\) \(\displaystyle \Series a_n\) jest zbieżny;

  2. \(\displaystyle \Series a_n\) jest rozbieżny \(\quad\imply\quad\) \(\displaystyle \Series b_n\) jest rozbieżny.

Przykład 13.6

Zbadajmy uogólniony szereg harmoniczny rzędu \(\alpha\), czyli

\[ \quad \displaystyle\Series \frac 1 {n^\alpha} . \]
  1. Dla \(\alpha \leq 1\), mamy

    \[ \forall n \in \nn \quad n \geq {n^\alpha} \quad \imply \quad \forall n \in \nn \quad 0 \leq \frac 1 n \leq \frac 1 {n^\alpha}. \]

    Ponieważ szereg harmoniczny \(\displaystyle\Series \frac 1 n\) jest rozbieżny, to z kryterium porównawczego szereg \(\displaystyle\Series \frac 1 {n^\alpha}\) jest również rozbieżny.

  2. Dla \(\alpha \geq 2 \), mamy

    \[ \forall n \in \nn \quad n^\alpha \geq {n^2} \quad \imply \quad \forall n \in \nn \quad 0 \leq \frac 1 {n^\alpha} \leq \frac 1 {n^2}. \]

    Ponieważ uogólniony szereg harmoniczny \(\displaystyle\Series \frac 1 {n^2}\) jest zbieżny, to z kryterium porównawczego szereg \(\displaystyle\Series \frac 1 {n^\alpha}\) jest również zbieżny.

Twierdzenie 13.7 (Kryterium ilorazowe)

Niech \(\Forall{n\in \nn}{ a_n \geq 0,\ b_n \geq 0 } .\)

Jeśli istnieje granica właściwa

\[\LimInfty{\frac {a_n}{b_n}} = K > 0,\]

to szeregi \(\displaystyle \Series a_n\) oraz \(\displaystyle \Series b_n\) są jednocześnie zbieżne lub rozbieżne.

Ćwiczenie 13.6

Zbadajmy zbieżność szeregu \(\displaystyle \Series \sin \frac 1 n.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 14.7, Ćw. 14.8, Ćw. 14.9.

Twierdzenie 13.8 (Kryterium całkowe)

Niech \(m\in \nn\) i \(f:[m,+\infty)\to \rr\) będzie całkowalna na przedziałach domkniętych, nierosnąca i nieujemna.

Wówczas

\[ \text{całka } \displaystyle\IntDef{m}{+\infty}{f(x)}, \qquad \text{szereg } \sum_{n=m}^\infty f(n) \]

są jednocześnie zbieżne lub rozbieżne.

Przykład 13.7

Pokażmy, że dla \(\alpha > 1\) szereg \(\displaystyle\Series \frac 1 {n^\alpha}\) jest zbieżny.

W tym celu weźmy funkcję

\[ f: [1,+\infty) \to \rr, \quad f(x) = \frac 1 {x^\alpha}, \]

która jest całkowalna, nierosnąca i nieujemna.

Ponieważ, jak wiemy, dla \(\alpha > 1\), całka

\[ \IntDef{1}{+\infty}{\frac 1 {x^\alpha}} \]

jest zbieżna to również szereg \(\displaystyle \Series f(n) = \Series \frac 1 {n^\alpha}\) jest zbieżny.

Podsumowując, uogólniony szereg harmoniczny rzędu \(\alpha\),

\[\begin{split} \Series \frac 1 {n^\alpha} \quad \qtq[jest] \begin{cases} \text{zbieżny} & \text{dla } \alpha > 1 \\ \text{rozbieżny} & \text{dla } \alpha \leq 1 \end{cases}. \end{split}\]

Ćwiczenie 13.7

Zbadajmy zbieżność szeregów:

  1. \(\displaystyle \sum_{n = 2}^{\infty} \frac 1 {n\ln n} \)

  2. \(\displaystyle \Series \frac {n\sqrt n + 5} {n^3 + 4n^2 + 2026} .\)

Twierdzenie 13.9 (Kryterium d’Alemberta)

Niech \(\Forall{n\in \nn}{ a_n > 0} .\)

Jeśli istnieje granica właściwa lub niewłaściwa

\[ \LimInfty \frac {a_{n+1}}{a_n} = g, \]

wówczas

  1. jeśli \(g < 1\), to \(\displaystyle \Series a_n\) jest zbieżny

  2. jeśli \(g > 1\), to \(\displaystyle \Series a_n\) jest rozbieżny.

Ćwiczenie 13.8

Zbadajmy zbieżność szeregu \(\displaystyle \Series \frac {2^n\cdot n!}{n^n}.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 14.7, Ćw. 14.9.

Twierdzenie 13.10 (Kryterium Cauchy’ego)

Niech \(\Forall{n\in \nn}{ a_n \geq 0 } .\)

Jeśli istnieje granica właściwa lub niewłaściwa

\[ \LimInfty \sqrt[n]{a_n} = g, \]

wówczas

  1. jeśli \(g < 1\), to \(\displaystyle \Series a_n\) jest zbieżny

  2. jeśli \(g > 1\), to \(\displaystyle \Series a_n\) jest rozbieżny.

Ćwiczenie 13.9

Zbadajmy zbieżność szeregu \(\displaystyle \Series \Brack{\arctg\Paren{\cos \frac 1 n}}^{3n}.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 14.7, Ćw. 14.9, Ćw. 14.10.

Przykład 13.8

  1. Zauważmy, że dla \(\displaystyle a_n = \frac 1 {n^\alpha}\) mamy

    \[ \begin{aligned} \LimInfty \frac {a_{n+1}} {a_n} & = \left(\LimInfty \frac {n} {n+1}\right)^\alpha = 1, & \LimInfty \sqrt[n]{a_{n}} & = \left(\frac 1 {\LimInfty \sqrt[n]{n}} \right)^\alpha = 1, \end{aligned} \]

    a zatem ani kryterium d’Alemberta, ani kryterium Cauchy’ego nie rozstrzyga zbieżności uogólnionego szeregu harmonicznego \(\displaystyle \Series \frac 1 {n^\alpha}.\)

  2. Jeśli dla danego ciągu \((a_n)\) o wyrazach dodatnich, granice

    \[ \LimInfty \frac {a_{n+1}}{a_n}, \quad \LimInfty \sqrt[n]{a_n} \]

    istnieją, to są sobie równe i oba kryteria: d’Alemberta i Cauchy’ego, dają tę samą wiedzę na temat zbieżności szeregu \(\displaystyle \Series a_n.\)

    Jednak zdarza się, ża tylko druga z tych granic istnieje i można skorzystać jedynie z kryterium Cauchy’ego.

    Przykładem jest szereg

    \[ \displaystyle \Series \frac{2 + (-1)^n} {4^n}. \]

    Jego wyrazy są dodatnie, więc można próbować zbadać jego zbieżność z obu kryteriów.

    Zauważmy, że dla \(k \in \nn\):

    \[ a_{2k-1} = \frac 1 {4^{2k-1}} , \quad a_{2k} = \frac 3 {4^{2k}}. \]
    • Chcąc skorzystać z kryterium d’Alemberta obliczamy:

      \[\begin{split} \begin{aligned} \frac{a_{2k}}{a_{2k-1}} & = \frac 3 {4^{2k}} \cdot \frac {4^{2k-1}} 1 = \frac 3 4 , \\ \frac{a_{2k+1}}{a_{2k}} & = \frac 1 {4^{2k+1}} \cdot \frac {4^{2k}} 3 = \frac 1 {12} , \end{aligned} \end{split}\]

      a więc ciąg \(\Paren{\frac {a_{n+1}}{a_n}}\) ma na zmianę wyrazy \(\frac 3 4\) lub \(\frac 1 {12}.\)

      Zatem \(\LimInfty \frac {a\_{n+1}}{a_n} \) nie istnieje.

    • Chcąc skorzystać z kryterium Cauchy’ego zauważamy, że

      \[ \frac 1 4 = \sqrt[n]{\frac 1 {4^n}} \leq \sqrt[n]{\frac {2 + (-1)^n} {4^n}} \leq \sqrt[n]{\frac {3} {4^n}} = \frac {\sqrt[n]{3}} 4 \LimToInfty \frac 1 {4} . \]

      Zatem z twierdzenia o 3. ciągach wnioskujemy, że \(\LimInfty \sqrt[n]{a_n} = \tfrac 1 {4} < 1.\)

      Z kryterium Cauchy’ego szereg jest zbieżny.

13.7. Szeregi naprzemienne#

Definicja 13.5

Jeśli \(\forall n\in \nn \ a_n > 0\), to szereg

\[ \Series (-1)^{n+1}\cdot a_n \]

nazywamy szeregiem naprzemiennym .

Uwaga 13.4

Nazwa pochodzi oczywiście od tego, że wyrazy tego szeregu są na przemian dodatnie lub ujemne.

Sumy częściowe tego szeregu mają postać:

\[ S_k = a_1 - a_2 + a_3 - a_4 + \ldots + (-1)^{k+1}\cdot a_k. \]

Twierdzenie 13.11 (Kryterium Leibniza)

Jeśli ciąg \((a_n)\) jest nierosnący i \(\LimInfty a_n = 0\), to szereg naprzemienny \(\displaystyle \Series (-1)^{n+1}\cdot a_n\) jest zbieżny.

Przykład 13.9

  1. Szereg \( \quad \displaystyle \Series \frac{(-1)^{n+1}}{n^\alpha} \quad \) jest zbieżny \(\Leftrightarrow \alpha > 0.\)

    • Dla \(\alpha \leq 0\) nie jest spełniony warunek konieczny, ponieważ

    \[ \Absolute{\frac{(-1)^{n+1}}{n^\alpha}} = n^{-\alpha} \geq 1^{-\alpha} = 1 \Quad\imply \LimInfty \Absolute{\frac{(-1)^{n+1}}{n^\alpha}} \neq 0 \Quad\imply \LimInfty {\frac{(-1)^{n+1}}{n^\alpha}} \neq 0. \]
    • Dla \(\alpha > 0 \) możemy skorzystać z kryterium Leibniza, ponieważ

    \[ a_n = \frac 1 {n^\alpha} > \frac 1 {\Paren{n+1}^\alpha} = a_{n+1} \Quad{\text{oraz}} \LimInfty a_n = 0. \]
  2. W powyższym twierdzeniu założenie, że ciąg \((a_n)\) jest nierosnący jest istotne.

    Weźmy ciąg o wyrazach

    \[\begin{split} a_n = \begin{cases} \frac 1 {2^{n-1}} & \text{dla nieparzystych } n \\ \frac 2 n & \text{dla parzystych } n \end{cases}, \end{split}\]

    który nie jest monotoniczny.

    Łatwo pokazać, że \(\LimInfty a_n = 0\), jednakże szereg naprzemienny \(\displaystyle \Series (-1)^{n+1}\cdot a_n\) nie jest zbieżny.

    Istotnie, suma częściowa tego szeregu ma postać:

    \[\begin{split} S_k & = \frac 1 {2^0} - \frac 2 2 + \frac 1 {2^2} - \frac 2 4 + \frac 1 {2^4} - \frac 2 6 + \ldots + (-1)^{k+1}\cdot a_k \\ & = 1 + \frac 1 {4} + \left(\frac 1 {4}\right)^2 + \ldots + \left(\frac 1 {4}\right)^{\left[\frac {k-1} 2\right]} - \left( 1 + \frac 1 2 + \frac 1 3 + \ldots + \frac 1 {\left[\frac k 2\right]} \right) \\ & = \frac{1 - \left(\frac 1 {4}\right)^{\left[\frac {k-1} 2\right]+1}}{1- \frac 1 4} - \left( 1 + \frac 1 2 + \frac 1 3 + \ldots + \frac 1 {\left[\frac k 2\right]} \right). \end{split}\]

    Przy \(n \to +\infty\) odjemna zbiega do \(\frac 4 3\), ale odjemnik jest rozbieżny do \(+\infty\), więc \(\LimInfty[k] S_k = - \infty.\)

    Zatem szereg jest rozbieżny.

  3. Kryterium Leibniza nie można użyć do pokazania rozbieżności szeregu!

    Z tego, że ciąg \((a_n)\) nie jest monotoniczny nie wynika, że szereg naprzemienny \(\displaystyle \Series (-1)^{n+1}\cdot a_n\) jest rozbieżny.

    Na przykład ciąg

    \[\begin{split} a_n = \begin{cases} \frac 1 {2^{n-1}} & \text{dla nieparzystych } n \\ \frac 1 {3^{n-2}} & \text{dla parzystych } n \end{cases}, \end{split}\]

    nie jest monotoniczny, ale suma częściowa tego szeregu ma postać:

    \[\begin{split} S_k & = 1 + \frac 1 {4} + \left(\frac 1 {4}\right)^2 + \ldots + \left(\frac 1 {4}\right)^{\left[\frac {k-1} 2\right]} - \left( 1 + \frac 1 {9} + \left(\frac 1 {9}\right)^2 + \ldots + \left(\frac 1 {9}\right)^{\left[\frac {k} 2\right]} \right) \\ & = \frac{1 - \left(\frac 1 {4}\right)^{\left[\frac {k-1} 2\right]+1}}{1- \frac 1 4} - \frac{1 - \left(\frac 1 {9}\right)^{\left[\frac {k} 2\right]+1}}{1- \frac 1 9}. \end{split}\]

    Zatem \(\LimInfty[k] S_k = \frac 4 3 - \frac 9 8\), czyli szereg jest zbieżny.

Ćwiczenie 13.10

Zbadajmy zbieżność szeregu \(\displaystyle \sum_{n=2}^\infty \frac{(-1)^{n+1}}{n + \ln n}.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 14.8, Ćw. 14.10.

13.8. Zbieżność bezwzględna i warunkowa#

Twierdzenie 13.12

Jeśli szereg \(\displaystyle \Series |a_n|\) jest zbieżny, to \(\displaystyle \Series a_n\) jest zbieżny.

Przykład 13.10

Twierdzenie odwrotne nie jest prawdziwe.

Na przykład dla \(\displaystyle a_n = \frac {(-1)^{n+1}} n\) wiemy, że:

  • szereg \(\displaystyle \Series a_n\) jest zbieżny,

  • szereg \(\displaystyle \Series |a_n| = \Series \frac 1 n\) jest rozbieżny.

Definicja 13.6

Szereg zbieżny \(\displaystyle \Series a_n\) nazywamy:

  • bezwzględnie zbieżnym jeśli szereg \(\displaystyle \Series |a_n|\) jest zbieżny

  • warunkowo zbieżnym , jeśli szereg \(\displaystyle \Series |a_n|\) jest rozbieżny.

Przykład 13.11

Uogólniony szereg anharmoniczny \(\displaystyle \Series \frac{(-1)^{n+1}}{n^\alpha}\) jest: - rozbieżny dla \(\alpha \leq 0\)

  • zbieżny warunkowo dla \(\alpha \in (0,1]\)

  • zbieżny bezwzględnie dla \(\alpha > 1.\)

Ćwiczenie 13.11

Pokażmy, że szereg \(\displaystyle \Series \frac{1+2\cos n!}{n^2 + n}\) jest zbieżny.

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 14.8, Ćw. 14.10.

SageMath (Ukryj)

../_images/01b04a468107953612270d460730b78c012f1d12c2e660b41c3e218069076290.png

Przykład 13.12

Przypomnijmy nieudowodnione stwierdzenie, że dla funkcji

\[ \begin{aligned} f & :[1,+\infty)\to\rr, & f(x) & = \frac {(-1)^{[x]}} {[x]}, \end{aligned} \]
  1. \(\displaystyle \IntDef{1}{+\infty}{f(x)}\) jest zbieżna

  2. \(\displaystyle \IntDef{1}{+\infty}{|f(x)|}\) jest rozbieżna.

Jesteśmy gotowi by to pokazać.

  1. Obliczamy całkę niewłaściwą dzieląc ją na sumę całek:

    \[\begin{split} \begin{aligned} \IntDef{1}{+\infty}{f(x)} & = \LimInfty[N] \IntDef{1}{N}{\frac {(-1)^{[x]}} {[x]} } \\ & = \LimInfty[N] \bigg[ \IntDef{1}{2}{\frac {(-1)^{1}} {1} } + \IntDef{2}{3}{\frac {(-1)^{2}} {2} } \\ & + \IntDef{3}{4}{\frac {(-1)^{3}} {3} } + \ldots + \IntDef{N-1}{N}{\frac {(-1)^{N-1}} {N-1} } \bigg] \\ & = \LimInfty[N] \Brack{-1 + \frac 1 2 - \frac 1 3 + \frac 1 4 + \ldots + \frac {(-1)^{N-1}} {N-1} } \\ & = \LimInfty[N] \sum_{n=1}^{N-1} \frac {(-1)^{n}} {n} = \Series \frac {(-1)^{n}} {n} = - \Series {(-1)^{n+1}}\cdot \frac 1 {n}. \end{aligned} \end{split}\]

    Ponieważ ten szereg jest zbieżny, to również całka niewłaściwa jest zbieżna.

  2. Analogicznie postępujemy w przypadku drugiej całki:

    \[\begin{split} \IntDef{1}{+\infty}{\Absolute{f(x)}} & = \LimInfty[N] \IntDef{1}{N}{\frac {1} {[x]} } \\ & = \LimInfty[N] \Brack{ \IntDef{1}{2}{\frac {1} {1} } + \IntDef{2}{3}{\frac {1} {2} } + \IntDef{3}{4}{\frac {1} {3} } + \ldots + \IntDef{N-1}{N}{\frac {1} {N-1} } } \\ & = \LimInfty[N] \Brack{1 + \frac 1 2 + \frac 1 3 + \frac 1 4 + \ldots + \frac {1} {N-1} } \\ & = \LimInfty[N] \sum_{n=1}^{N-1} \frac {1} {n} = \Series \frac {1} {n} \end{split}\]

    Ponieważ ten szereg jest rozbieżny, to również całka niewłaściwa jest rozbieżna.