gränsvärde existerar, vilket förefaller vara en naturlig definition (jämför med de generaliserade integralerna). I exemplet ovan ser vi att 3 = 3 n n

Relevanta dokument
TATA42: Föreläsning 5 Serier ( generaliserade summor )

TATA42: Föreläsning 10 Serier ( generaliserade summor )

SF1625 Envariabelanalys

Numeriska serier Definition av konvergens J amf orelsesatser Vad skall vi j amf ora med? Absolutkonvergens Leibniz kriterium Dagens amnen 1 / 19

Serier. egentligen är ett gränsvärde, inte en summa: s n, där s n =

TATA42: Föreläsning 6 Potensserier

Tentamen i Envariabelanalys 2

Om konvergens av serier

Generaliserade integraler. Definitionen. J amf orelsesatser. Vad skall vi j amf ora med? Absolutkonvergens Dagens amnen 1 / 12

Generaliserade integraler. Definitionen. J amf orelsesatser. Vad skall vi j amf ora med? Absolutkonvergens Dagens amnen 1 / 10

Tillämpningar av integraler: Area, skivformeln för volymberäkning, båglängd, rotationsarea, integraler och summor

12. Numeriska serier NUMERISKA SERIER

ANDREAS REJBRAND Matematik Numeriska serier. Andreas Rejbrand, april /29

Instuderingsfrågor i Funktionsteori

TATA42: Föreläsning 2 Tillämpningar av Maclaurinutvecklingar

a k . Serien, som formellt är följden av delsummor

TATA42: Föreläsning 2 Tillämpningar av Maclaurinutvecklingar

Funktionsserier och potensserier. som gränsvärdet av partialsummorna s n (x) =

Lösningsförslag till TATA42-tentan

TATA42: Föreläsning 3 Restterm på Lagranges form

Lösningsförslag till tentan i 5B1115 Matematik 1 för B, BIO, E, IT, K, M, ME, Media och T,

TAMS79: Föreläsning 10 Markovkedjor

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Kursens Kortfrågor med Svar SF1602 Di. Int.

Matematisk kommunikation för Π Problemsamling

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Besökstider: ca och 17.00

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 11 januari 2016

Lösningar till MVE016 Matematisk analys i en variabel för I yy 1 + y 2 = x.

TATM79: Föreläsning 1 Notation, ekvationer, polynom och summor

Kontinuitet och gränsvärden

Matematisk kommunikation för Π Problemsamling

TATM79: Föreläsning 2 Absolutbelopp, summor och binomialkoefficienter

Anteckningar för kursen "Analys i en Variabel"

Meningslöst nonsens. November 19, 2014

5B1147. Envariabelanalys. MATLAB Laboration. Laboration 1. Gränsvärden och Summor

Institutionen för Matematik, KTH Lösningar till tentamen i Analys i en variabel för I och K (SF1644) 1/ e x h. (sin x) 2 1 cos x.

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 12 januari 2015

1 Föreläsning 14, följder och serier

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

TATM79: Föreläsning 2 Absolutbelopp, summor och binomialkoefficienter

Fixpunktsiteration. Kapitel Fixpunktsekvation. 1. f(x) = x = g(x).

Exempel. Komplexkonjugerade rotpar

RIEMANNSUMMOR. Den bestämda integralen definieras med hjälp av Riemannsummor. Låt vara en begränsad funktion,, reella tal och. lim.

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Thomas Erlandsson, Sebastian Pöder

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. e x2 /4 2) = 2) =

ÖVN 6 - DIFFERENTIALEKVATIONER OCH TRANSFORMMETODER - SF Nyckelord och innehåll. a n (x x 0 ) n.

Lösningsmetodik för FMAF01: Funktionsteori

Anteckningar för kursen "Analys i en Variabel"

Dugga 2 i Matematisk grundkurs

LMA515 Matematik, del B Sammanställning av lärmål

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Jonny Lindström MVE475 Inledande Matematisk Analys

Fourierserier: att bryta ner periodiska förlopp

Kontinuerliga funktioner. Ytterligare en ekvivalent formulering av supremumaxiomet

TATA42: Föreläsning 7 Differentialekvationer av första ordningen och integralekvationer

TNA004 Analys II Tentamen Lösningsskisser

SAMMANFATTNING TATA41 ENVARIABELANALYS 1

Analys 360 En webbaserad analyskurs Analysens grunder. L Hôspitals regel. MatematikCentrum LTH

TATM79: Föreläsning 4 Funktioner

Föreläsning 1. X kallas för funktionens definitionsmängd, mängden av funktionens alla värden kallas funktionens värdemängd.

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Christoffer Standar LMA033a Matematik BI

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. e 50k = k = ln 1 2. k = ln = ln 2

TNA003 Analys I för ED, MT, KTS

Material till kursen SF1679, Diskret matematik: Lite om kedjebråk. 0. Inledning

M0038M Differentialkalkyl, Lekt 15, H15

Högskolan i Skövde (SK, YW) Svensk version Tentamen i matematik

Läsanvisningar till kapitel

Lösningsförslag TATM

e x x + lnx 5x 3 4e x (0.4) x 0 e 2x 1 a) lim (0.3) b) lim ( 1 ) k. (0.3) c) lim 2. a) Lös ekvationen e x = 0.

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Svar till S-uppgifter Endimensionell Analys för I och L

Lösningsförslag till Tentamen i SF1602 för CFATE 1 den 20 december 2008 kl 8-13

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Mer om generaliserad integral

x 1 1/ maximum

Svar till S-uppgifter Endimensionell Analys för I och L

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Mer om reella tal och kontinuitet

Euler-Mac Laurins summationsformel och Bernoulliska polynom

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna 11-14, 16/11-28/

Dagens ämnen. Potensserier

1 Att läsa matematik.

Enklare matematiska uppgifter

SF1600, Differential- och integralkalkyl I, del 1. Tentamen, den 9 mars Lösningsförslag. f(x) = x x

Några viktiga satser om deriverbara funktioner.

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Lördagen den 11 januari, 2014

Repetitionsfrågor i Flervariabelanalys, Ht 2009

P03. (A) Visa, att om en aritmetisk serie med differensen d har a som första och b som sista term, så är seriens summa b + a 2.

TATA42: Föreläsning 8 Linjära differentialekvationer av högre ordning

TATM79: Föreläsning 1 Notation, ekvationer, polynom och olikheter

Lösningsskisser för TATA

Lektioner Datum Lokal Grupp 1 Grupp 2 Grupp 3 Grupp 4 Avsnitt

Kap. P. Detta kapitel utgör Inledande kurs i matematik. I kapitlet beskrivs vilka bakgrundskunskaper som förutsätts.

Patologiska funktioner. (Funktioner som på något vis inte beter sig väl)

k=0 kzk? (0.2) 2. Bestäm alla holomorfa funktioner f(z) = f(x + iy) = u(x, y) + iv(x, y) sådana att u(x, y) = x 2 2xy y 2. 1 t, 0 t 1, f(t) =

Checklista för funktionsundersökning

Instuderingsfrågor för Endimensionell analys kurs B1

Läsanvisningar till kapitel 6 i Naturlig matematik. Avsnitt 6.6 ingår inte.

Tentamen i matematik. f(x) = 1 + e x.

Lösningsförslag envariabelanalys

Transkript:

TATA42: Föreläsning 5 Serier ( generaliserade summor ) Johan Thim 5 mars 208 En funktion s: N R brukar kallas talföljd, och vi skriver ofta s n i stället för s(n). Detta innebär alltså att för varje heltal n 0 så är s n något reellt tal. Andra beteckningar finns, till exempel används ofta s[n] för att markera att det handlar om den diskret funktion (dvs en talföljd). Det är inget speciellt med N mer än att vi måste börja någonstans och fortsätta till oändligheten. Vi kan lika gärna tänka oss en talföljd s n där n = 4, 3, 2,.... Eller s n där n = 0, 2, 4, 6,... och så vidare. (i) s n = 3 n, n = 0,, 2,..., dvs s 0 =, s = 3, s 2 = 3 2 och så vidare. (ii) s n = 2 n, n = 4, 5, 6,..., dvs s 0 = /6, s = /32, s 2 = /64 och så vidare. Speciellt är vi intresserade av summor av talföljder. Om a k är en talföljd kan vi låta s n = a + a 2 + + a n = a k, något vi stött på vid många tillfällen tidigare. vis som geometriska summor. Vi skapar alltså en ny talföljd s n, n =, 2, 3,..., från talföljden a k, k =, 2, 3,... vis a k = 3 k ger s n = 3 k = 3 (n+) 3 = 3 2 ( ), n = 0,, 2, 3,... 3 n+ johan.thim@liu.se

Numeriska serier Det som är nytt nu är att vi tänker låta n. Frågan uppstår då hur vi ska tolka summan med oändligt många termer. Låt oss kalla gränsvärdet s så att s = lim s n i de fall då detta n gränsvärde existerar, vilket förefaller vara en naturlig definition (jämför med de generaliserade integralerna). I exemplet ovan ser vi att ( 3 s = lim s n = lim ) = 3 n n 2 3 n+ 2. Definition. Om a k, k = 0,, 2,... är en talföljd definierar vi serien s enligt s = a k = lim n a k i de fall då detta gränsvärde existerar. Vi kallar s n = a k för delsummor av a k. Det kan gå åt skogen på två olika sätt i definition: (i) Om gränsvärdet blir någon oändlighet, dvs s n eller s n då n. (ii) Om gränsvärdet inte ens existerar som någon oändlighet, till exempel s n = ( ) n. I det första fallet skriver vi ibland a k = respektive a k =, även om dessa inte är reella tal. Men det ger en smidigare notation (precis som för generaliserade integraler). Definition. Om en serie existerar som ett ändligt reellt tal kallar vi serien för konvergent. Annars säger vi att serien är divergent. Vi skriver ibland (formellt) serien konvergent? a k även då serien inte existerar. Speciellt i formen av frågan Är Avgör om ( + 2k) och är konvergenta. 2k 2

Lösning. Den första serien är divergent eftersom delsummorna är aritmetiska så ( + 2n + )(n + ) ( + 2k) = = (n + ) 2, då n. 2 Den andra serien är konvergent eftersom delsummorna är geometriska med q <, ty 2 = 2 (n+) = 2 ( 2 (n+)) 2, då n. k 2 Vi har här alltså direkt avgjort konvergensfrågan genom att helt enkelt (försöka) räkna ut serierna. Sats. Om lim k a k 0 så är a k divergent. Divergenstestet Observera att detta villkor för divergens inkluderar fallet när gränsvärdet lim k a k inte existerar. Bevis. Låt oss skriva a k lite kreativt enligt a k = (a + a 2 + + a k ) (a + a 2 + + a k ) = s k s k. Om summan är konvergent så gäller att både s k s och s k s då k. Men detta innebär enligt likheten ovan att a k = s k s k s s = 0 då k. Med andra ord, om serien är konvergent så måste a k 0 då k. Negationen av detta är påståendet i satsen ovan. Observera att omvändningen inte gäller. Det räcker alltså inte att a k 0 för att en serie ska konvergera. Det klassiska motexemplet är den s.k. harmoniska serien som divergerar. k Den geometriska serien till q k = q. q k konvergerar om och endast om q < och konvergerar då Geometriska serier Detta följer från formeln för geometriska summor: q k = qn+ q q såvida q <. Om q ser vi att a k = q k 0 då k, så serien är inte konvergent i detta fall. 3

Vart börjar serien? Det är inget speciellt med att vi betraktar summor av talföljder a k där k = 0,, 2,.... Vi kan lika gärna undersöka summor där k = m, m +, m + 2,..., dvs a k. Alla satser stämmer ändå. Om en summa konvergerar eller inte har bara att göra med hur termerna a k beter sig för stora k. Om vi börjar med k = 0, k = 2 30 eller k = 74 kvittar för frågan om konvergens. k=m Vi kan även dela upp summor i delar i de fall då dessa delar beter sig bra. Sats. Om c 0 är en konstant gäller att Vidare gäller att ca k = c a k. (a k + b k ) = a k + med undantaget då vi får fallen + eller, eller att gränsvärden inte existerar ens med oändligheterna tillåtna. Dessa fall måste analyseras noggrannare. b k Bevisskiss. Beviset följer återigen direkt från att betrakta delsummor. För sådana får vi alltid dela upp och bryta ut konstanter. Vad händer sen när antalet termer går mot oändligheten? Om allt konvergerar är det frid och fröjd. ( Som exempel på ett urartat fall kan man betrakta ( ) k +( ) k+). Alla termerna i serien är noll, men slår vi sönder i två delar uppstår två serier som båda divergerar ordentligt. 2 Positiva serier Om a k 0 för alla k kallar vi serien a k för positiv. Om en sådan serie divergerar går det mot oändligheten och vi skriver som bekant serien konvergent (och lika med ett tal s 0). Med andra ord gäller följande. a k = i det fallet. Om inte detta händer är Sats. Om a k 0 för alla k så gäller att a k < om och endast om serien är konvergent. 4

Positiva serier har många trevliga egenskaper. Bland annat gäller följande: Sats. Om 0 a k b k för alla k så är a k b k. Speciellt gäller att (i) (ii) b k konvergent a k konvergent, a k divergent b k divergent. Bevis. Beviset följer av att olikheten gäller för alla delsummor eftersom 0 a k b k. Visa att är konvergent. + 2k Lösning. Eftersom + 2 k 2 k erhåller vi att + 2 k 2 = 2 k eftersom detta är en geometrisk serie. Inte nog med att vi nu vet att serien konvergerar, vi vet också att den konvergerar mot något som inte är större än 2. Cauchys integralkriterium Sats. Om f(x) 0 är en avtagande funktion för x så gäller att f(k) < f(x) dx <. Beviset följer i princip från en enkel skiss. Vi ritar in en avtagande icke-negativ funktion f och markerar en övertrappa (de rosa rektanglarna) och en undertrappa (de blåa rektanglarna) med heltalssteg. 5

y y = f(x) 2 3 4 5 6 7 8 9 0 x Vi ser då direkt att summan av arean hos de n första rosa rektanglarna blir f(k) och n+ att summan av arean hos de n första blåa rektanglarna blir f(k). Vidare ser vi att arean mellan y = f(x) och x-axeln då x n ligger mellan dessa rektangelareor. Således gäller f(k) k=2 ˆ n k=2 n f(x) dx f(k). Vi låter n och satsen följer. Om f är strängt avtagande blir olikheterna strikta (för ändliga n). Visa att < om och endast om α >. kα Lösning. Detta följer av Cauchys jämförelseprincip eftersom är avtagande för x > 0 (eftersom α > ) och att vi vet att x α dx < precis då α > (se förra föreläsningen). xα Visa att k 2 2 n för n =, 2,.... 6

Lösning. Eftersom är avtagande för x > följer det från Cauchys jämförelsesats att x2 k = + 2 k=2 ˆ n k + 2 [ x dx = + ] n = 2 2 x n. Specifikt vet vi då att är konvergent och konvergerar till något som är 2. k2 Sats. Om a k 0 och b k 0 samt a k 0 < lim < k b k så gäller att a k < b k <. Med andra ord, om gränsvärdet existerar och ligger strikt mellan 0 och så konvergerar endera båda serierna eller så divergerar båda två. Avgör om sin(/k) k är konvergent. Lösning. Om k är stor är /k liten och sin(/k) = /k + O(/k 3 ). Vi får alltså en extra /k från täljaren och jämför därför med /k 2 : sin(/k)/k /k 2 = /k2 + O(/k 4 ) /k 2 = + O(/k 2 ), då k. Alltså är serien i fråga konvergent om och endast om är konvergent eftersom termerna k2 är positiva (för stora k är sin /k > 0). Den sista serien är välkänd som konvergent (se exemplet ovan) och därmed är den efterfrågade serien också konvergent. 7

3 Absolutkonvergens Definition. Om Absolutkonvergens a k är konvergent kallar vi a k för absolutkonvergent. Det följer direkt att en absolutkonvergent serie är konvergent med a k a k. Visa att cos k 2 k (2 + sin k) är konvergent och inte är större än 2. Lösning. Vi visar att serien är absolutkonvergent. Vi har nämligen cos k 2 k (2 + sin k) = 2 cos k k 2 + sin k 2 k = 2 är serien absolutkon- eftersom cos k och 2 + sin k. Eftersom cos k vergent och 2 k (2 + sin k) 2. 2 k = /2 4 Alternerande serier Vi kallar serier där termer växlar tecken, varannan positiv och varannan negativ, för alternerande. För sådana serier finns, om vi kräver att a k avtar mot noll, ett kraftfullt resultat. Sats. Om a k är en alternerande serie sådan att a a 2 a 3 är en avtagande Leibniz sats följd och a k 0 då k så är serien konvergent. Bevis. Antag att a 0 (annars kan vi lika gärna betrakta minus serien). Kravet att a k är avtagande innebär då att a + a 2 0, a 3 + a 4 0, etc, samt att a 2 + a 3 0, a 4 + a 5 0 och så vidare. 8

y a a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 a 9 x a 2 Tanken är nu att betrakta två olika delsummor s 2n och s 2n+. Vi ser då att s 2n = (a + a 2 ) + (a 3 + a 4 ) + + (a 2n + a 2n ) a, där a möjligen är +, eftersom alla parenteser är 0. Alltså en följd av icke-negativa tal och s 2n är växande (gränsvärde finns alltid om vi tillåter ). Vidare är s 2n+ = a + (a 2 + a 3 ) + (a 4 + a 5 ) + + (a 2n + a 2n+ ) b, där b möjligen är, eftersom alla parenteser är 0. Alltså en följd av icke-positiva tal och s 2n+ är avtagande (gränsvärde finns alltid om vi tillåter ). Dessutom har vi s 2n+ s 2n = a 2n+ 0, vilket innebär att b a 0 b a. Detta innebär att båda a och b måste vara ändliga. Men vi vet också att a k 0 vilket i sin tur visar att a = b. Således konvergerar serien. Visa att serien ( ) k k är konvergent men inte absolutkonvergent. Lösning. Med a k = ( ) k /k ser vi att a k = /k är en avtagande följd och att a k 0. Eftersom serien är alternerande visar nu Leibniz sats att den är konvergent. Mot vad? Bra fråga, faktiskt till ln 2 (gå tillbaka till Maclaurinavsnittet och studera ln( + x) och fundera över hur detta kan komma sig). Däremot är serien inte absolutkonvergent eftersom a k = k =. Detta är som bekant den harmoniska serien. 9

Det är tre krav som gäller för Leibniz kriterium: (i) Serien är alternerande så att a k+ = a k för alla k som det summeras över. (ii) Seriens termer går mot noll: a k 0. (iii) Absolutbeloppet av seriens termer avtar monotont: a k a k+ a k+2 Ibland summeras de två sista villkoren som att a k avtar monotont mot noll. Det sista villkoret är viktigt och måste visas! Följande serie ger ett motexempel. Visa att ( ) k a k är divergent om a k = k då k är udda och a 2 k = k då k är jämt. Lösning. Vi ser att serien är alternerande och att termerna går mot noll a k 0 då k. Det är alltså lockande att hugga till med Leibniz kriterium, men på grund av hur a k ser ut så kommer inte a k vara monotont avtagande. Därmed kan vi inte använda Lebniz kriterium. Om vi undersöker serien direkt ser vi följande: ( ) k a k = + 2 3 + 2 4 5 + 2 6 De positiva termerna bildar alltså en del av en harmonisk serie (och är divergent exempelvis enligt Cauchys intergralkriterium med f(x) = ) medan de negativa konvergerar eftersom 2x serien <. Det finns alltså inget hopp för serien som helhet, utan den är divergent. k 2 Det är alltså inte petigt när det inte ges poäng på tentan när inte alla förutsättningarna för Lebniz kriterium redovisas! Även om serien skulle visa sig vara konvergent i slutändan. Visa att π sin x x dx inte är absolutkonvergent. Lösning. Vi kan visa detta genom att skriva integralen som en serie av delintegraler och uppskatta på varje del. Hur då? Vi kan skriva π sin x x dx = ˆ (k+)π kπ sin x x dx ˆ (k+)π sin x dx = 2 kπ kπ π k =, eftersom ˆ π 0 sin x dx = 2 (blir samma för varje intervall [kπ, (k + )π]). 0

5 Divergenstest? Observera att det inte finns något test för generaliserade integraler analogt med divergenstestet för serier. Vi vet redan att det inte är tillräckligt lim f(x) = 0 för att f(x) dx ska vara x konvergent (tänk tex f(x) = /x). Men bara för att integralen är konvergent behöver inte heller funktionen gå mot noll. Betrakta följande konstruktion. y 2 4 6 8 0 2 4 6 8 20 x Funktionen f är alltså bitvis konstant; mellan 2 k och 2 k + 2 k, k =, 2,..., är f(x) =, och för övrigt är f(x) = 0. Således blir 0 f(x) dx = 2 = k 2 /2 =. Integralen är alltså konvergent, men lim x f(x) 0 (gränsvärdet saknas). Genom att ersätta rektanglarna med trianglar kan vi även skapa en kontinuerlig funktion med samma egenskap, och med snällare objekt även deriverbara exempel. Vi kan till och med skapa obegränsade exempel genom att låta bredd och höjd förhålla sig till varandra på lämpligt sätt (dubbla höjden och dela bredden med fyra till exempel). Nu kanske man kan tycka att funktionen blir väldigt mycket noll borta i oändligheten ändå (även om gränsvärdet så klart saknas), men ett sådant påstående behöver kvalificeras. Begrepp som mått är nödvändigt så den intresserade personen hänvisas till lämplig kurs i mått- och integrationsteori.