Szeregi 2
Szeregi o wyrazach dodatnich. Kryteria zbieżności d'Alemberta i Cauchy'ego
Przy założeniu, że wszystkie składniki szeregu [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math] są dodatnie, ciąg jego sum częściowych jest rosnący. Wynika stąd natychmiast stwierdzenie:
Stwierdzenie
Szereg o wyrazach dodatnich jest albo zbieżny, albo rozbieżny do [math]\infty\;[/math].
CBDO
Twierdzenie (kryterium porównawcze)
Można je wyrażać w różnych wersjach; tu jest jedna z nich
Jeśli dla wszystkich [math]n\;[/math] zachodzi [math]0\leq b_n \leq a_n\;[/math] i jeśli szereg [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math] jest zbieżny, to zbieżny jest również szereg [math]b_1 + b_2 + \cdots\;[/math]. Przy tym zachodzi
Dowód
Oznaczmy sumy częściowe szeregów [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math] i [math]b_1 + b_2 + \cdots\;[/math] jako [math]s_n\;[/math] i [math]t_n\;[/math] :
Mamy oczywiście [math]t_n\leq s_n\;[/math]. Mamy też: (przypomnijmy sobie odpowiednie twierdzenia o granicach ciągów monotonicznych)
Z nierówności tej wnioskujemy, że ciąg sum częściowych szeregu [math]b_1 + b_2 + \cdots\;[/math] jest ograniczony, a więc szereg [math]b_1 + b_2 + \cdots\;[/math] jest zbieżny. Z drugiej strony, wynika stąd nierówność [math]\sum_{n=1}^\infty b_n \leq \sum_{n=1}^\infty a_n\;[/math]. Bo jak pamiętamy, dla ciągów było: Jeżeli dla ciągu {[math]x_n[/math]} każdego [math]n\;[/math] zachodzi: [math]x_n\leq C\;[/math] , to [math]\displaystyle\mathop{\lim}_{n\to\infty} x_n \leq C\;[/math].
CBDO
Przykład
Kryterium powyższe jest ogólne i sukces w jego stosowaniu do jakiegoś szeregu [math]b_1 + b_2 + \cdots\;[/math] zależy od tego, czy znajdziemy taki szereg zbieżny [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math] , który szacuje od góry [math]b_1 + b_2 + \cdots\;[/math].
Pokażemy zbieżność szeregu
Uczynimy to przez porównanie go z szeregiem:
mamy:
czyli granica sum częściowych [math]s_n\;[/math] szeregu (2) jest: [math]\displaystyle\mathop{\lim}_{n\to\infty} s_n=1\;[/math].
Na mocy kryterium porównawczego, szereg [math]1/n^2[/math] jest zbieżny[1].
Biorąc do porównywania w kryterium porównawczym szereg geometryczny, otrzymujemy następujące dwa kryteria.
Twierdzenie (kryterium d'Alemberta)
Szereg [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math] o wyrazach dodatnich, spełniający warunek
jest zbieżny.
Dowód
Weźmy [math]h\;[/math] takie, aby były spełniona nierówności: [math]\displaystyle\mathop{\lim}_{n\to\infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} \lt h\lt 1\;[/math]. Istnieje więc [math]k\;[/math] takie, że dla [math]n\geq k\;[/math] mamy [math]\frac{a_{n+1}}{a_n} \lt h\;[/math] , czyli [math]a_{n+1}\lt a_n h\;[/math]. Tak więc szereg [math]a_k+a_{k+1}+\dots\;[/math] ma składniki odpowiednio nie większe od składników szeregu geometrycznego [math]a_k+a_k h + a_k h^2 +\dots\;[/math].
Ten szereg geometryczny jest zbieżny, bo [math]0\lt h\lt 1\;[/math]. Z kryterium porównawczego jest więc zbieżny szereg [math]\sum_{n=k}^\infty a_n\;[/math] , a co za tym idzie — i szereg [math]\sum_{n=1}^\infty a_n\;[/math].
CBDO
Twierdzenie (kryterium Cauchy'ego)
Szereg [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math] o wyrazach dodatnich, spełniający warunek
jest zbieżny.
Dowód
Podobnie jak w kryterium d'Alemberta, istnieje takie [math]h\;[/math] i takie [math]k\;[/math] , że dla [math]n\geq k\;[/math] zachodzi [math]\sqrt[n]{a_n}\lt h\;[/math] , a to jest równoważne nierówności [math]a_n\lt h^n\;[/math]. Porównując teraz szereg [math]a_k+a_{k+1} +\dots\;[/math] z szeregiem geometrycznym [math]h^k+h^{k+1}+\dots\;[/math] , widzimy, że jeżeli szereg geometryczny jest zbieżny (tzn. [math]h\lt 1\;[/math] ), to zbieżny jest również szereg [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math].
CBDO
Ustaliliśmy więc pewne kryteria zbieżności. Daje się też znaleźć kryteria rozbieżności.
Twierdzenie (Kryteria rozbieżności)
Jeśli dla szeregu [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math] o składnikach dodatnich zachodzi jedna z nierówności
to szereg jest rozbieżny.
Dowód
Jeśli ma miejsce pierwsza z nierówności (5), to dla dostatecznie dużych [math]n\;[/math] mamy
a to znaczy, że ciąg {[math]a_n[/math]} nie jest zbieżny do 0, czyli nie jest spełniony warunek konieczny zbieżności szeregu — tak więc szereg [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math] jest rozbieżny.
Jeśli natomiast spełniona jest druga z nierówności (5), to dla dostatecznie dużych [math]n\;[/math] mamy
i znowu ciąg {[math]a_n[/math]} nie jest zbieżny do 0. CBDO
Przykład
Szereg:
dla [math]x\geq 0\;[/math] jest zbieżny.
Dowód
Mamy:
Z kryterium d'Alemberta wynika, że szereg (6) jest zbieżny.
Przykład
Kryterium d'Alemberta nie rozstrzyga o zbieżności szeregu harmonicznego ani szeregu (2), bo [math] \lim_{n \to \infty}\frac{a_{n+1}}{a_n} = 1 [/math] w obu przypadkach.
Szeregi bezwzględnie zbieżne
Def. Szereg [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math] nazywamy bezwzględnie zbieżnym, jeśli szereg [math]|a_1| + |a_2| + \dots\;[/math] jest zbieżny. Szereg, który jest zbieżny, ale nie jest bezwzględnie zbieżny, nazywamy warunkowo zbieżnym.
Twierdzenie
Jeśli szereg [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math] jest zbieżny bezwzględnie, to jest też zbieżny w zwykłym sensie. Ponadto
Dowód
Zgodnie z warunkiem Cauchy'ego zbieżności szeregów, musimy oszacować sumę: [math]a_k+ a_{k+1}+\dots + a_n\;[/math] i pokazać, że dla dostatecznie dużych [math]k\;[/math] i dowolnych [math]n\;[/math] [math](n\gt k)\;[/math] suma ta jest dowolnie mała. Mamy:
Ostatnia suma powyżej, jako reszta [math]r_{k-1}\;[/math] szeregu zbieżnego, dąży do 0, gdy [math]k\;[/math] dąży do [math]\infty\;[/math]. Innymi słowy, dla dowolnego [math]\epsilon\gt 0\;[/math] istnieje takie [math]k\;[/math] , że [math]r_{k-1}\lt \epsilon\;[/math] , skąd [math]|a_k+ a_{k+1}+\dots + a_n|\lt \epsilon\;[/math] dla każdego [math]n\gt k\;[/math].
W ten sposób pokazaliśmy zbieżność szeregu [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math]. Ponadto, oznaczając: [math]s_n = a_1 + a_2 + \cdots+a_n\;[/math] oraz [math]t_n = |a_1|+|a_2|+\dots +|a_n|\;[/math] mamy: [math]|s_n|\leq t_n\;[/math] , skąd, po przejściu do granicy, wynika
a to jest dokładnie wzór (7).
CBDO
Przykłady
- Szereg geometryczny [math]1+q+q^2+\dots\;[/math] , gdzie [math]|q|\lt 1\;[/math] , jest zbieżny bezwzględnie, ponieważ jest zbieżny szereg [math]1+|q|+|q|^2+\dots\;[/math].
- Szereg [math]\sum_{n=1}^\infty \frac{x^n}{n!}\;[/math] jest zbieżny bezwzględnie dla każdego [math]x\;[/math]. Jak się niedługo okaże, jego suma jest równa [math]e^x\;[/math].
- Szereg anharmoniczny jest zbieżny warunkowo, ponieważ szereg wartości bezwzględnych jego składników to szereg harmoniczny, który jest rozbieżny.
(Pozorne) paradoksy z szeregami nieskończonymi
Przyjrzymy się teraz zagadnieniu przemienności szeregów nieskończonych. Wiemy, że dodawanie jest przemienne, tzn. [math]a+b=b+a\;[/math], co implikuje, że suma skończonej ilości składników jest przemienna, tzn. nie zależy od kolejności składników. Okazuje się, że analogiczna własność ma też miejsce dla szeregów bezwzględnie zbieżnych, natomiast na ogół nie zachodzi dla szeregów zbieżnych warunkowo. Będziemy to pokazywać, ale najsampierw sprecyzujemy, co rozumiemy przez zmianę kolejności składników, gdy ilość tych składników jest nieskończona.
Permutacja
Przez permutację ciągu liczb naturalnych rozumiemy ciąg liczb naturalnych {[math]m_n[/math]}[math]=m_1, m_2, \dots\;[/math] taki, że każda liczba naturalna występuje w ciągu {[math]m_n[/math]} dokładnie raz. Jeśli [math]m_1, m_2, \dots\;[/math] jest permutacją ciągu liczb naturalnych, to mówimy, że szereg [math]a_{m_1}+a_{m_2}+\dots+a_{m_n}+\dots\;[/math] powstał z szeregu [math]a_1 + a_2 + \cdots + a_n+\dots\;[/math] przez zmianę porządku jego składników.
Twierdzenie
Każdy szereg bezwzględnie zbieżny jest przemienny. Inaczej mówiąc, jeśli szereg [math]\sum_{n=1}^\infty a_n\;[/math] jest bezwzględnie zbieżny i jeśli [math]m_1, m_2,\dots\;[/math] jest permutacją ciągu liczb naturalnych, to
Dowód
Niech [math]\epsilon\gt 0\;[/math]. Ze zbieżności szeregu [math]|a_1|+|a_2|+\dots\;[/math] wynika, że istnieje takie [math]k\;[/math] , że
Ponieważ ciąg {[math]m_n[/math]} zawiera wszystkie liczby naturalne, więc istnieje takie [math]r\;[/math] , że wśród liczb [math]m_1, m_2, \dots, m_r\;[/math] występują liczby [math]1,2,3,\dots,\;[/math] aż do [math]k\;[/math]. Ponieważ zaś każda liczba naturalna występuje dokładnie raz w ciągu {[math]m_n[/math]}, to dla każdego [math]n\gt r\;[/math] mamy [math]m_n\gt k\;[/math]. Jeśli więc przy danym [math]n\gt r\;[/math] ze zbioru [math]m_1, m_2, \dots, m_r,\dots, m_n\;[/math] skreślimy liczby [math]1,2,\dots, k\;[/math] , to pozostaną w nim wyłącznie liczby większe od [math]k\;[/math] (przy tym wszystkie różne). Tak więc, oznaczając
i skreślając w różnicy [math]t_n-s_n\;[/math] składniki o równych wskaźnikach, otrzymamy w różnicy [math]t_n-s_n\;[/math] jedynie składniki o wskaźnikach większych od [math]k\;[/math]. Wynika stąd, że
skąd mamy:
na mocy (9). Ponieważ ta ostatnia nierówność zachodzi dla każdego [math]n\gt r\;[/math] , to zachodzi: [math]\displaystyle\mathop{\lim}_{n\to\infty} t_n = \displaystyle\mathop{\lim}_{n\to\infty} s_n\;[/math] , a to oznacza, że spełniona jest teza twierdzenia, tzn. (8). CBDO
Uwaga
Powyższe twierdzenie nie jest prawdziwe dla dowolnego szeregu zbieżnego.
Jako przykład, weźmy szereg anharmoniczny i oznaczymy jego sumę przez [math]c\;[/math] (niedługo okaże się, że [math]c=\ln 2\;[/math] ),
policzmy [math]c+\frac{1}{2}c\;[/math] :
w czym rozpoznajemy sumę szeregu anharmonicznego po przestawieniu składników. Tak więc przez przestawienie składników uzyskaliśmy szereg zbieżny do innej wartości. Okazuje się, że ma miejsce nawet bardziej (pozornie) paradoksalna sytuacja:
Twierdzenie (Riemanna)
Mając dany szereg zbieżny warunkowo, można przez zmianę porządku jego składników uzyskać szereg rozbieżny lub zbieżny do dowolnej, z góry zadanej granicy (skończonej lub nieskończonej).
Bez dowodu. (Dla ciekawych, jest np. w skrypcie P. Urbańskiego, "Analiza", t. 1).
Zagadka
Widzieliśmy, że energia elektrostatyczna kryształu jednowymiarowego jest równa sumie szeregu anharmonicznego. Czy to znaczy, że ta energia może być dowolna, jeśli przez zmianę kolejności sumowania można uzyskać dowolną wartość? Może więc energia elektrostatyczna jest źle określoną wielkością?
Mnożenie szeregów
Wiemy, że jeśli pomnożymy dwie skończone sumy, to znów otrzymamy jakąś sumę. Przy szeregach nieskończonych pojawiają się pytania o zbieżność. Poniższe twierdzenie pokazuje, że dla szeregów bezwzględnie zbieżnych szeregi dadzą się pomnożyć, i szereg w wyniku powstały ma taką postać, jakiej oczekujemy.
Twierdzenie (Cauchy'ego)
Jeżeli szeregi: [math]\sum_{n=1}^\infty a_n\;[/math] i [math]\sum_{n=1}^\infty b_n\;[/math] są bezwzględnie zbieżne, to również szereg
jest bezwzględnie zbieżny.
Dowód
Oznaczmy
czyli
Będziemy szacować różnicę
Ponieważ szeregi: [math]\sum_{n=1}^\infty b_n\;[/math] i [math]\sum_{n=1}^\infty |a_n|\;[/math] są zbieżne, a więc ograniczone, to istnieje taka liczba [math]M\;[/math] , że dla każdego [math]j\;[/math] zachodzi:
Warunek zbieżności szeregu [math]b_1 + b_2 + \cdots\;[/math] oznacza dokładnie tyle, co warunek zbieżności ciągu {[math]t_n[/math]}; zapiszmy warunek Cauchy'ego zbieżności ciągu {[math]t_n[/math]}: Dla każdego [math]\epsilon\gt 0\;[/math] istnieje takie [math]k\;[/math] , że jeśli [math]n\gt m\gt k\;[/math] , to zachodzi
Podobnie dla szeregu [math]|a_1|+|a_2|+\dots\;[/math] mamy
W dalszym ciągu weźmy [math]n\gt 2k\;[/math]. Na mocy (q11) mamy
Oszacujmy teraz pierwszy nawias wykorzystując (13), a drugi — wykorzystując (12),pamiętając zarazem, że [math]n-k+1\gt k\;[/math] oraz [math]|t_n-t_j|\leq |t_n| + |t_j|\lt 2M\;[/math] :
Tym samym pokazaliśmy, że nierówność: [math]|s_n t_n -u_n|\lt 3 M \epsilon\;[/math] zachodzi dla każdego [math]n\gt 2k\;[/math]. Znaczy to, że [math]\displaystyle\mathop{\lim}_{n\to\infty} (s_n t_n -u_n)=0\;[/math]. Ponieważ zaś ciągi: {[math]s_n[/math]} i {[math]t_n[/math]} są zbieżne, więc [math]\displaystyle\mathop{\lim}_{n\to\infty} s_n t_n =\displaystyle\mathop{\lim}_{n\to\infty} s_n \displaystyle\mathop{\lim}_{n\to\infty} t_n\;[/math] , a to znaczy, że [math]\displaystyle\mathop{\lim}_{n\to\infty} s_n \cdot \displaystyle\mathop{\lim}_{n\to\infty} t_n = \displaystyle\mathop{\lim}_{n\to\infty} s_n t_n = \displaystyle\mathop{\lim}_{n\to\infty} u_n\;[/math], czyli zachodzi wzór (10).
CBDO
Przykład
Pokażemy, że [math]\sum_{n=0}^\infty\frac{x^n}{n!} \sum_{n=0}^\infty \frac{y^n}{n!} =\sum_{n=0}^\infty\frac{(x+y)^n}{n!}[/math] Mamy bowiem:
(przy ostatniej równości wykorzystaliśmy wzór dwumienny Newtona).
Uwaga
Twierdzenie o mnożeniu szeregów jest prawdziwe też przy słabszym założeniu, a mianowicie, że jeden z szeregów (tu: [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math] ) jest bezwzględnie zbieżny, a drugi(tu: [math]b_1 + b_2 + \cdots\;[/math] ) jest zbieżny, ale niekoniecznie bezwzględnie. W dowodzie wykorzystywaliśmy bowiem tylko bezwzględną zbieżność szeregu [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math]. Jeśli natomiast oba szeregi są warunkowo zbieżne, to szereg [math]c_1 + c_2 + \dots[/math] może być rozbieżny.
Przykład
Weźmy
szeregi [math]a_1 + a_2 + \cdots\;[/math] i [math]b_1 + b_2 + \cdots\;[/math] są wówczas zbieżne (z jakiego kryterium?), zaś szereg [math]c_1 + c_2 + \dots[/math] jest rozbieżny.