Как найти сумму функционального ряда

2.4. Нахождение суммы функционального ряда

функционального ряда и области его сходимости к этой сумме.

Нахождение суммы ряда почленным интегрированием.

Пусть дан ряд вида . По признаку Коши или

признаку Даламбера область сходимости определяется неравенством . Если , то ряд — расходящийся.

Если , то ряд сходится условно (по признаку Лейбница). Следовательно, область сходимости находится из неравенства . Затем делаем замену в исходном ряде; получаем степенной ряд с областью сходимости . Используем формулу для вычисления суммы членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии со знаменателем

и очевидное равенство

Учитывая, что степенной ряд можно почленно интегрировать по любому отрезку , целиком принадлежащему интервалу сходимости, и используя формулу (13), получаем

Заметим, что так как ряд (12) сходится в граничной точке t=-1, то сумма ряда непрерывна в этой точке (справа) и . Далее вычисляем интеграл (с переменным верхним пределом), заменяем t на и получаем ответ.

Если дан ряд вида , то следует либо

применить теорему о почленном интегрировании степенного ряда дважды, либо разложить дробь на элементарные и вычислить сумму каждого ряда почленным интегрированием.

Пример. Найти сумму ряда и указать область

его сходимости к этой сумме.

Решение. Данный ряд степенной. Находим его интервал сходимости. По признаку Коши имеем

. Из неравенства находим . Исследуем поведение ряда в граничных точках. При — расходящийся гармонический ряд. При — условно сходящийся ряд по признаку Лейбница. Следовательно, данный ряд сходится при . Для нахождения суммы ряда сделаем замену . Получим геометрический ряд , сходящийся при . Используя равенство (13) и почленное интегрирование степенного ряда, получаем:

Замечание. Степенной ряд (10) сходится абсолютно и равномерно на всяком отрезке, лежащем внутри его интервала сходимости; ряд (10) можно почленно интегрировать и дифференцировать внутри его интервала сходимости , т.е. если то для имеем и

Задание 17. Найти сумму ряда и указать область сходимости к этой сумме.

Найдем сумму каждого из этих рядов в их области сходимости. Сначала рассмотрим ряд

Используем формулу для вычисления суммы членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии

, где , , и равенство (13).Учитывая, что степенной ряд можно почленно интегрировать на любом отрезке , целиком принадлежащем интервалу сходимости, получаем первую сумму:

Т.к. ряд сходится в граничной точке х=-1, то его сумма непрерывна в этой точке: .Значит,

Аналогично находим вторую сумму с учетом (14):

Таким образом, сумма исходного ряда

Решение. Находим область сходимости функционального ряда, применяя признак Даламбера

Область сходимости определяется неравенством , или . Решая его, получаем или . При имеем — расходящийся ряд (т.к.

). Следовательно, ряд сходится при . Сделаем замену . Получим ряд с областью сходимости . Используя формулу (12): равенство (13): и почленное интегрирование на любом отрезке, принадлежащем области сходимости, получаем

Заменяя t на , получаем сумму

Нахождение суммы ряда почленным дифференцированием.

I. Пусть дан ряд вида .

Сначала определяем область сходимости ряда, например, по признаку Коши. Получаем неравенство . Если , то ряд расходится, т.к. не выполнено необходимое

условие сходимости . Следовательно, область

сходимости определяется неравенством . Затем делаем замену и записываем ряд в виде суммы двух рядов . Для нахождения сумм этих рядов используем формулу суммы членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии и очевидное равенство

Учитывая, что степенной ряд можно почленно дифференцировать в любой точке интервала сходимости, и используя равенство

Далее вычисляем производную, делаем замену

и записываем ответ.

II. Если дан ряд вида , то вычисляем сумму трех рядов , и , причем при вычислении суммы ряда применяем теорему о почленном дифференцировании степенного ряда дважды.

Задание 18. Найти сумму ряда и указать область

сходимости ряда к этой сумме.

Решение. а). Находим область сходимости данного ряда по признаку Даламбера

Отсюда . В граничных точках ряд расходится, т.к. не выполнено необходимое условие сходимости. Итак, ряд сходится (и притом абсолютно) в интервале (-1;1).

б). Делаем в исходном ряде замену и записываем в виде суммы двух рядов

Для нахождения S(t) достаточно найти суммы рядов

Учитывая, что степенной ряд можно почленно

дифференцировать в любой точке интервала сходимости,

в) Заменяя на , получаем

Решение. По признаку Коши интервал сходимости

степенного ряда определяется неравенством , т.е. ряд сходится в интервале (-1;1). Для нахождения суммы ряда достаточно представить ряд в виде суммы трех рядов и найти суммы рядов:

где применили один раз почленное дифференцирование по x;

Т.к. выше найденная на предыдущем шаге сумма ряда

, то еще раз применив почленное дифференцирование по x к ряду; , получаем .Таким образом, сумма исходного ряда равна

Сумма ряда

где — целые числа.

План решения. Суммой ряда называется предел последовательности его частичных сумм , т.е.

где

1. По условию задачи

Если корни знаменателя различаются на целое число, т.е. где — натуральное число, то члены последовательности частичных сумм ряда легко найти, так как в выражении многие слагаемые взаимно уничтожаются.

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по высшей математике:

2. Разлагаем общий член ряда на элементарные дроби:

и выписываем несколько членов ряда так, чтобы было видно, какие слагаемые сокращаются при вычислении частичных сумм ряда.

3. Находим -ю частичную сумму ряда:

,

сократив соответствующие слагаемые.

4. Вычисляем сумму ряда по формуле (1)

и записываем ответ.

Пример:

Найти сумму ряда

Решение:

1. Корни знаменателя и различаются на целое число, т.е. Следовательно, члены последовательности частичных сумм ряда легко найти, так как в выражении многие слагаемые взаимно уничтожаются.

2. Разлагаем общий член ряда на элементарные дроби

и выписываем несколько членов ряда:

3. Сокращая все слагаемые, какие возможно, находим -ю частичную сумму ряда:

4. Вычисляем сумму ряда по формуле (1):

Ответ:

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Вычисление суммы ряда почленным интегрированием

Постановка задачи. Найти сумму функционального ряда вида

и указать область сходимости ряда к этой сумме.

План решения.

1. Находим область сходимости ряда.

По признаку Коши интервал сходимости определяется неравенством

Если , ряд расходится. Если , ряд сходится условно (по признаку Лейбница). Следовательно, область сходимости определяется неравенствами

2. Делаем в исходном ряде замену , получим степенной ряд

с областью сходимости .

3. Известна формула для вычисления суммы членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии

4. Кроме того, имеем очевидное равенство

5. Учитывая, что степенной ряд можно почленно интегрировать на любом отрезке , целиком принадлежащем интервалу сходимости, и используя формулу (2), получаем

Заметим, что так как ряд (1) сходится в граничной точке , то сумма ряда непрерывна в этой точке (справа). Следовательно,

6. Вычисляем интеграл, делаем замену на и записываем ответ: сумму ряда и область его сходимости.

Замечание. Если ряд имеет вид

то применяем теорему о почленном интегрировании степенного ряда дважды или разлагаем дробь на элементарные:

и вычисляем сумму каждого ряда почленным интегрированием.

Пример:

Найти сумму ряда

и указать область сходимости ряда к этой сумме.

Решение:

1. Находим область сходимости ряда.

По признаку Коши интервал сходимости определяется неравенством

В граничных точках при ряд расходится, при ряд сходится условно.

Следовательно, данный ряд сходится при всех .

2. Сделаем замену Получим геометрический ряд (1) с областью сходимости

3. Используем формулу для вычисления суммы членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии

4. Кроме того, имеем очевидное равенство

5. Учитывая, что степенной ряд можно почленно интегрировать на любом отрезке , целиком принадлежащем интервалу сходимости, и используя формулу (4), получаем

Заметим, что так как ряд (1) сходится в граничной точке , то его сумма непрерывна в этой точке (справа). Следовательно, формула (5) справедлива при всех .

6. Заменяя на , получаем при

Ответ.

Вычисление суммы ряда почленным дифференцированием

Постановка задачи. Найти сумму функционального ряда вида

и указать область сходимости ряда к этой сумме.

1. Находим область сходимости ряда.

По признаку Коши интервал сходимости определяется неравенством

Если , ряд расходится (не выполнено необходимое условие сходимости). Следовательно, область сходимости определяется неравенствами .

2. Делаем в исходном ряде замену и записываем его в виде суммы двух рядов

Следовательно, достаточно найти суммы рядов

и

3. Известна формула для суммы членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии

4. Кроме того, имеем очевидное равенство

5. Учитывая, что степенной ряд можно почленно дифференцировать в любой точке интервала сходимости, и используя формулу (1), получаем

6. Вычисляем производную и делаем замену на . Записываем ответ: сумму ряда и область его сходимости.

Замечание. Если ряд имеет вид

то вычисляем сумму трех рядов, причем при вычислении суммы ряда

применяем теорему о почленном дифференцировании степенного ряда дважды.

Пример:

Найти сумму ряда

и указать область сходимости ряда к этой сумме.

Решение:

1. Находим область сходимости ряда.

По признаку Коши интервал сходимости определяется неравенством . Отсюда . В граничных точках ряд расходится, так как не выполнено необходимое условие сходимости. Следовательно, ряд сходится в интервале .

2. Делаем в исходном ряде замену и записываем его в виде суммы двух рядов

Следовательно, достаточно найти суммы рядов

3. Используем формулу для вычисления суммы членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии:

Следовательно, при всех .

4. Кроме того, имеем очевидное равенство

5. Учитывая, что степенной ряд можно почленно дифференцировать в любой точке интервала сходимости, и используя формулу (2), получаем

Заменяя на , получим

Ответ.

Сумма степенного ряда

Данный урок лучше всего изучать по «горячим следам» сразу же после статьи о разложении функции в степенные ряды, поскольку сейчас мы будем решать обратную задачу. Пожалуйста, откройте таблицу разложений функций в степенные ряды и по возможности отправьте файл на печать – чтобы справочный материал был постоянно перед глазами. На бумаге, на столе и перед глазами. Это важно!

Суть задания предельно простА: дан степенной ряд. Например:

И по условию требуется найти сумму этого ряда, то есть, функцию, к которой он сходится. …Не понятно, что значит «ряд сходится к функции»? Срочно читаем предыдущую статью!

Как найти сумму степенного ряда? Здесь не существует какого-то жёсткого алгоритма решения, но есть общие ориентиры, с которыми мы сегодня и познакомимся.

В первую очередь целесообразно обратиться к таблице и попытаться выяснить – НА КАКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ больше всего похож предложенный ряд? У нашего ряда в знаменателях по порядку идут факториалы, и поэтому он больше всего напоминает разложение экспоненты: . Однако тут степени «альф» совпадают с номерами факториалов, а у нас степень «икса» «отстаёт» на единицу. Что делать? Поправим ситуацию умножением и делением ряда на «икс»:

Теперь обращаем внимание, что наверху не хватает слагаемого-«единички». Да какие проблемы? – прибавим её да вычтем:

Что смущает ещё? Знакочередование. Его в разложении экспоненты нет. Но в данном случае «минусы» можно «затолкать» под нечётные степени, а под чётными степенями их «возродить»:

Таким образом, мы сконструировали разложение экспоненты для :

Другим немаловажным вопросом является область сходимости ряда. Иными словами, ПРИ КАКИХ значениях «икс» наш ряд будет сходиться к функции ? В таблице указано, что экспоненциальный ряд сходится при любом «альфа», но у нас есть одна загвоздочка: найденная функция не определена в точке . Однако ряд в этой точке сходится! И действительно – если подставить ноль, то получается конечное число:

Таким образом, сумма ряда запишется кусочным образом:

Как и сумма числового ряда, она стандартно обозначается буквой «эс».

Причём, интересно отметить, что данная сумма непрерывна. И в самом деле – используя соответствующий замечательный предел, получаем:

Однако в точке ряд сходится всё же НЕ к функции (и похожие примеры, кстати, уже встретились в статье о разложении функции в ряд).

Несмотря на то, что интервалы сходимости типовых рядов я указал в таблице, важно понимать, откуда они взялись. Как, например, определить область сходимости только что разобранного ряда безо всякой таблицы? Записываем его в свёрнутом виде, подобрав общий член:

и, пользуясь обычным алгоритмом, выясняем, что ряд сходится на всей числовой прямой.

С помощью найденной суммы легко рассчитать сумму любого числового ряда из этого «семейства». Так, например, при получаем ряд , сумма которого равна: – на всякий случай напомню, что это сумма всех его членов:

Если , то получим ряд
с суммой , откуда, кстати, открывается волнующая тайна:
.

И так далее – можно рассмотреть любое значение «икс» из области сходимости ряда.

В статье о сумме числовых рядов мы потихонечку долбили их ломом (да и то немногие поддавались), и сейчас в наших руках оказался целый отбойный молоток! Пользуйтесь и наслаждайтесь!

Другой пример: – найдём сумму данного степенного ряда.

Именно в свёрнутом виде он чаще всего и предлагается, и само собой ряд удобно расписать:

Анализируя таблицу, приходим к выводу, что наш «пациент» больше всего напоминает разложение , причём «альфа», очевидно, равно «иксу» в кубе. Выносим за скобки «минус» и «лишний» и показываем, что :

Определим, на каком промежутке ряд сходится к функции . Интервал сходимости ряда можно найти опять же стандартным способом, либо воспользоваться табличным «подарком»:

Сходимость ряда на концах интервала выясняем как обычно – прямой подстановкой:

если , то – расходится;
если , то – сходится условно.

Таким образом, ряд сходится лишь на полуинтервале . Вне этого промежутка он расходится и его суммы, понятное дело, не существует.

Итак: , если – в отличие от предыдущего примера, выбор «иксов» тут небогат.

И здесь ещё хочется заострить внимание на разнице в понятиях и обозначениях:

через обозначается функция (сама по себе),
а через – конкретно сумма ряда (на том или ином промежутке).

Разминочные задания для самостоятельного решения:

Найти сумму следующих степенных рядов:

а)
…ну а кому сейчас легко? =)

б)
Дополнительно: записать числовой ряд для и вычислить его сумму.

Краткие решения и ответы в конце урока.

Наверное, все понимают, как выполнять проверку таких заданий – для этого нужно разложить полученную функцию обратно в ряд. Но это уже пройденное, да и к тому же простое действие, и поэтому я его расписывать не буду.

Алгебраические преобразования рядов могут быть весьма замысловаты, однако дело не ограничиваются только ими. Как многие подозревали, производные с интегралами поджидают нас и здесь! Ну а куда ж без них? =) Пожалуйста, освежите воспоминания с помощью таблицы производных и таблицы интегралов (откроются на соседних вкладках) – их тоже по возможности распечатайте и положите перед глазами. …Есть? Поехали:

Почленное дифференцирование и интегрирование степенного ряда

Пусть степенной ряд сходится к своей сумме на некотором промежутке. …Теоремы формулировать не буду – проще рассказать своими словами:

Степенной ряд можно почленно дифференцировать в любой точке внутри его промежутка сходимости: , при этом интервал сходимости полученного ряда останется точно таким же, а его сумма на данном интервале будет равна: .

И на всякий случай поясню, что значит «почленно» – если расписать ряд подробно, то согласно свойству линейности, он дифференцируется по каждому члену отдельно:

Степенной ряд можно почленно интегрировать внутри его промежутка сходимости, но здесь ситуация занятнее. Если мы будем его интегрировать по фиксированному отрезку , то получим числовой ряд:

– и в самом деле, членами же этого ряда являются числа (вспоминаем формулу Ньютона-Лейбница).

Геометрический смысл и практическое применение такого интегрирования мы разберём на уроке о приближённом вычислении интеграла, ну а сейчас нас ждут другие подвиги. А именно, почленное интегрирование по отрезку с переменным верхним пределом , где «икс» может принимать произвольное значение из интервала сходимости, при этом в качестве нижнего предела удобно выбрать ноль. По той же самой формуле Ньютона-Лейбница, получается уже не числовой, а функциональный ряд – распишу подробно:

формально здесь можно сказать, что вместо «икс» мы подставляем «икс»:

Причём: полученный ряд обладает тем же интервалом сходимости, что и исходный ряд, а его сумму можно найти по формуле , где , напоминаю – сумма ряда

Важнейшим условием осуществления этих действий является равномерная сходимость степенных рядов – анонсирую и рекомендую прочитать эту интереснейшую статью! Но прежде освоим технику. Начнём с тех же табличных разложений, некоторые из которых как раз получены с помощью дифференцирования и интегрирования.

Выведем, например, разложение арктангенса. Для этого разложим его производную в стандартный ряд :

после чего проинтегрируем этот ряд в его интервале сходимости :

далее для краткости записи я буду дифференцировать/интегрировать ряды «один махом»:

Поскольку «родительский» биномиальный ряд сходится на интервале , то и полученный ряд тоже будет сходиться на этом интервале. А может быть ещё и на его концах. Проверяем:

Оба числовых ряда сходятся условно, таким образом, ряд сходится к арктангенсу в области (вспоминаем картинку из предыдущей статьи).

По этой же схеме выводятся разложения логарифма и арксинуса – потренируйтесь самостоятельно.

С помощью «новых» действий можно найти разложения некоторых других функций.

Классический Пример 1

Разложить в ряд функцию и указать его интервал сходимости.

Решение: по «общим очертаниям» предложенная функция сильно напоминает производную от . И действительно:

Таким образом, искомый ряд получается фактически на «автомате» – дифференцированием стандартного разложения на его интервале сходимости:

Так как исходный ряд сходится при , то полученный ряд тоже будет сходиться на данном интервале. Осталось узнать, что происходит на концах:
– расходится;
– расходится.

Ответ: , ряд сходится при

и перебрасываем единичку направо:
– в результате получено исходное разложение, что и требовалось проверить.

Таким образом, всегда держите на заметке, что предложенная функция может быть производной либо интегралом от чего-нибудь табличного. Однако сегодняшний урок посвящён обратной задаче, и применительно к разобранной «классике» она формулируется так:

Найти сумму ряда

А вот это уже труднее – ведь мы «ещё не знаем», что данный ряд получен дифференцированием ряда , и данный факт можно запросто не увидеть. Впрочем, тут существует чёткий критерий, позволяющий «прозреть»:

Решение: анализируя ряд , приходим к выводу, что он мало похож на что-то стандартное, но зато в таблице есть его «ближайший родственник» , к которому мы и обратимся за помощью.

Для этого нужно «избавиться» от множителя . Каким образом? Разделить его на самого себя! И такую возможность нам предоставляет интегрирование – здесь я оформлю действия в свёрнутой форме:

Теперь нужно «вернуть должок» дифференцированием:

Ответ: на интервале

Таким образом, «почленёнка» помогает нам «убрать с дороги» неудобные множители, и это действительно очень мощный инструмент:

Найти сумму степенного ряда

Но перед тем как решать, важная преамбула: несмотря на то, в условии этого не прописано – нам всё равно потребуется найти область сходимости ряда. Причина, думаю, понятна – ведь сумма в общем случае существует далеко не везде, и если в ответе указать только её, то это будет серьёзнейшим недочётом.

Наверное, многие уже «набили руку» на числовых рядах и способны найти область сходимости устно. В частности, здесь хорошо видно, что предложенный ряд сходится на промежутке . Как выполнить экспресс-анализ? Берём какую-нибудь правильную дробь, например, и выполняем подстановку:
– данный ряд сходится по признаку Даламбера. И, очевидно, что после подстановки любой дроби из интервала будут получаться похожие ряды.

Далее тестируем произвольное «внешнее» значение, например :
– расходится по тому же признаку Даламбера. Кстати, здесь вообще не выполнен необходимый признак сходимости, т.к. более высокого порядка роста, чем .

Проверка концов интервала тоже осуществляется в считанные секунды:

Таким образом, к решению задачи нужно подойти во «всеоружии» – с известной областью сходимости и записать следующую фразу: данный ряд сходится на . Как вариант, можно привести развёрнутые выкладки нахождения области – но это если вам трудно или если не лень.

Ну а теперь амбула (с). Во-первых, не будем торопиться с «тяжёлой артиллерией» – вдруг она не потребуется? Сначала распишем ряд подробно:
и вновь обратим свой взор на таблицу…. – наш ряд напоминает разложение арктангенса, однако ж, там знакочередование, и никакими алгебраическими «ухищрениями» эти ряды не «состыковать». Другие табличные разложения подходят к нашему случаю ещё меньше.

Что делать? Глядя на степени «икса» и числа внизу, в голову приходит светлая мысль избавиться от последних. Дифференцируем ряд на его интервале сходимости :

и всё дело свелось к простому табличному разложению:

Но коль скоро мы дифференцировали, то за это придётся «заплатить» интегрированием:

Справа в качестве суммы исходного ряда «нарисовался» «высокий» логарифм:

Ответ: на интервале

Обратите внимание, что в решении фигурировал ряд с суммой на том же интервале, но об этом нас никто не спрашивал.

Сегодня я буду разбирать простые примеры, а вам предлагать интересные:))

Найти сумму ряда

Краткое решение и ответ в конце урока.

Но это ещё далеко не все секреты:

Найти сумму ряда

Решение: данный ряд сходится в области (проанализируйте, почему).

Как обычно расписываем ряд, чтобы поискать «лёгкий путь»:
И после изучения таблицы и некоторых «трепыханий» мы приходим к грустному выводу, что ничего путного не получается. Очевидное дифференцирование тоже выглядит не особо перспективным:

Но вот как бы было хорошо «избавиться» в знаменателе не от , а от . И возникает вопрос, а нельзя ли организовать такую возможность? Можно! Чтобы наверху получить ряд следует искусственно умножить и разделить на «икс». Однако этим действием мы «выключаем из игры» точку , которая входит в область сходимости. И поэтому в ней необходимо вычислить сумму ряда: , чтобы жить спокойно:

Прерываем решение «звёздочкой» и работаем с новым «кадром»:

– здесь всё свелось к разложению для .

Выполняем обратное действие:

Интеграл правой части, надо сказать, неприятный, и поэтому с ним лучше разобраться отдельно, причём без пределов интегрирования:

и знакомый приём с дробями,… не запутаться бы тут в знаках:

И теперь главное не забыть про «звёздочку»:

Но это ещё не всё! Как подсказывает математическое чутьё, тонким местом исследования являются концы интервала сходимости – и действительно, полученная функция имеет проблемы не только с нулём, но ещё и на правом конце области сходимости ряда. Придётся исследовать его отдельно:
– и к нашей радости сумма числового ряда отыскивается по стандартной схеме. Метод неопределённых коэффициентов работает в своей простейшёй ипостаси:

Запишем частичную сумму ряда:

Сумма исследуемого числового ряда:

И, наконец, сумма ряда функционального:

Ответ:

Такой вот простенький ряд =)

Следует отметить, что искусственный приём с домножением и делением на самом деле можно использовать и после «очевидного» дифференцирования, но там получатся более сложные вычисления.

Вам понравилось? Но и это ещё не всё! В свете последней части задания всплывает… какой же я тонкий лирик:))

второй способ решения: разложим числовую часть общего члена степенного ряда в сумму дробей (см. выше) и представим его в виде суммы двух рядов:

строго говоря, здесь нужны кой-какие комментарии, но я их опущу.

Дальнейшие действия очевидны – веник ломаем по прутикам:

1)
(берём на заметку значение )

2)
(берём на заметку значение )

Таким образом, функция, к которой сходится ряд на промежутках :

Точки исследуются отдельно, и что приятно, для последней уже есть готовенький числовой ряд .

Ответ:

На всякого мудреца довольно простоты! И никакого дифференцирования с интегрированием =)

Кстати, не нужно думать, что этот способ является каким-то экзотическим – он используется во многих тематических заданиях, причём иной ряд можно разделить даже на 3 части.

Обещанная интересность для самостоятельного решения:

Найти сумму ряда

Примерный образец чистового оформления задачи в конце урока.

Кроме того, встречаются задачи, в которых приходится дифференцировать 2 раза подряд, что «карается» последующим двукратным интегрированием. При этом справедливо следующее…, а чего скромничать – изучим ситуацию в общем виде:

пусть функция разложима в степенной ряд на некотором интервале:

ну, или можно сказать, что сумма степенного ряда равна – смотря с какой стороны рассуждать.

Как уже отмечалось, при почленном дифференцировании ряда на данном интервале получившийся ряд сойдётся к производной:

При повторном дифференцировании на том же интервале суммой нового ряда будет вторая производная:

И более того, если у функции существуют все производные высших порядков, то дифференцировать можно до бесконечности:

Причём, соответствующие ряды, не нужно быть пророком, сходятся к своим производным, а интервал сходимости не меняется.

И, разумеется, справедливы обратные выкладки с интегрированием. Но вместо них небольшой фокус – вычислим значения функции и всех её производных в точке :

Далее выразим коэффициенты , …очевидно, что – после чего подставим их в разложение :

В большинстве задач этого урока мы сначала дифференцировали, а затем интегрировали, но само собой допустим и обратный порядок. Так, в Примере 1* всё было наоборот – и уже из этого простого ряда яснА основная задача первоочередного интегрирования – расчистить «верхний этаж»:

Найти сумму степенного ряда

Решение: данный ряд сходится на интервале .

И вновь не будем пренебрегать поиском простых путей:
, …которых, увы, не видно.

Очевидно, что основной нашей помехой является множитель , который надо «убрать». Попробуем проинтегрировать ряд почленно:

Не айс,… вот если бы внизу нарисовалось – тогда да. Но это ж можно организовать – нужно только понизить изначальную степень на единицу. А делается это очень просто – «отщипываем» один «икс» и выносим его за пределы ряда:

Далее работаем с «модифицированным» рядом:

Приводим ситуацию в равновесие дифференцированием:

И не забываем, что это ещё не окончательная сумма:

Ответ: на интервале

Заметьте, что здесь нет проблем со знаменателем, так как значение не входит в область сходимости ряда – не забываем контролировать такие моменты!

И в заключение…, нет, пожалуй, успокоительная задача:)

Найти сумму степенного ряда

Моя версия решения внизу страницы.

Наверное, у всех уже в глазах мельтешит от разложений, и поэтому самое время принять лекарство – равномерную сходимость ряда, которая по иронии судьбы и стала тому первопричиной 🙂 Кроме того, на грядущем уроке вы узнаете, как определяется сумма произвольного функционального ряда.

Пожалуйста, сообщите, если где заметили опечатку или ошибку, потому что статья была действительно одна из самых кропотливых, и вы имели счастье, кстати, познакомиться с её 6-й версией. Всё время казалось «всё», но каждый раз всплывали… к концу статьи я превратился в толстого циника)… ещё какие-то интересные факты, примеры и нюансы. Что-то добавлялось, редактировалось, что-то «выбрасывалось». И на самом деле ещё есть о чём рассказать! Поэтому нужно пересилить себя и поставить

Решения и ответы:

Разминочное задание: Решение:

а) Распишем несколько членов ряда, раскроем скобки и перегруппируем слагаемые:

Оба разложения сходятся на всей числовой прямой.

Ответ: на интервале

б) Ориентируемся на табличное разложение :

Найдём область сходимости ряда. Согласно таблице, ряд сходится при . В данном случае :
– разделим все части на три:

Исследуем сходимость ряда на концах найденного интервала. Для этого запишем его в свёрнутом виде и подставим граничные значения:

Оба числовых ряда расходятся, т.к. не выполнен необходимый признак сходимости.

Ответ: ряд сходится на интервале , сумма ряда: .
Если , то получаем числовой ряд , сумма которого равна
Примечание: также здесь можно использовать формулу суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии:

Пример 3: Решение: дифференцируем ряд в его интервале сходимости (на всей числовой прямой) и находим сумму полученного ряда:

Интегрируем:

Интеграл правой части берётся по частям:

Ответ: на интервале

Пример 5: Решение: данный ряд сходится в области . Ориентируясь на разложение , выполним следующие преобразования:

Вычислим сумму ряда в точке

Способ второй: данный ряд сходится в области . Вычислим его сумму в середине и выполним следующее преобразование:

Дифференцируем полученный ряд:

Примечание: использовали разложение для .
Интегрируем:

Таким образом:

Пример 7: Решение: данный ряд сходится на интервале .
Разделим его на 2 части:

1) Найдём сумму
Интегрируем ряд почленно:

Дифференцируем:

Таким образом:

Как найти сумму ряда?

Рассмотрим небольшую задачу, которая обычно предлагается в самом начале практической работы по теме. И такая привилегия не случайна. Для решения типового примера на нахождение суммы ряда не требуется тяжёлый багаж признаков сравнения, признаков Даламбера, Коши и т.д. – достаточно самых минимальных знаний о числовых рядах. Необходимо понимать, что такое ряд , уметь расписывать его подробно и не округлять глаза после словосочетаний «ряд сходится», «ряд расходится», «сумма ряда». Поэтому, если ваше настроение совсем на нуле, пожалуйста, уделите 5-10 минут статье Ряды для чайников (буквально первые 2-3 страницы), а потом возвращайтесь сюда и смело начинайте решать примеры!

Следует отметить, что в большинстве случаев найти сумму ряда непросто, и этот вопрос обычно решается через функциональные ряды (доживём-доживём:)). Так, например, сумма популярного артиста выводится через ряды Фурье. В этой связи на практике почти всегда требуется установить сам факт сходимости, но не найти конкретное число (многие, думаю, уже успели это заметить). Однако среди великого множества числовых рядов есть немногочисленные представители, которые позволяют без особых проблем прикоснуться к святая святых даже полному чайнику. И на вводном уроке я приводил пример бесконечно убывающей геометрической прогрессии , сумма которой легко рассчитывается по известной школьной формуле.

В данной статье мы продолжим рассматривать похожие примеры, кроме того, узнаем строгое определение суммы и попутно познакомимся с некоторыми свойствами рядов. Разомнёмся… да прямо на прогрессиях и разомнёмся:

Найти сумму ряда

Решение: представим наш ряд в виде суммы двух рядов:

Почему в данном случае так можно сделать? Выполненные действия основаны на двух простейших утверждениях:

1) Если сходятся ряды , то будут сходиться и ряды, составленные из сумм или разностей соответствующих членов: . При этом существенно то обстоятельство, что речь идёт о сходящихся рядах. В нашём примере мы заранее знаем, что обе геометрические прогрессии сойдутся, а значит, без всяких сомнений раскладываем исходный ряд в два ряда.

2) Второе свойство ещё очевиднее. Константу можно вынести за пределы ряда: , и это не повлияет на его сходимость или расходимость и итоговую сумму. Зачем выносить константу? Да просто чтобы она «не мешалась под ногами». Но иногда бывает выгодно этого и не делать

Чистовое оформление примера выглядит примерно так:

Дважды используем формулу для нахождения суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии: , где – первый член прогрессии, – основание прогрессии.

Ответ: сумма ряда

Начало решения можно оформить несколько в другом стиле – расписать ряд напрямую и перегруппировать его члены:

Дальше по накатанной.

Найти сумму ряда

Это пример для самостоятельного решения. Полное решение и ответ в конце урока.

Каких-либо особых изысков здесь нет, но однажды мне попался необычный ряд , который может застать врасплох неискушенного человека. Это… тоже бесконечно убывающая геометрическая прогрессия! Действительно, , и сумма рассчитывается буквально за пару мгновений: .

А сейчас живительный глоток математического анализа, необходимый для решения дальнейших задач:

Что такое сумма ряда?

Строгое определение сходимости/расходимости и суммы ряда в теории даётся через так называемые частичные суммы ряда. Частичные – значит неполные. Распишем частичные суммы числового ряда :

И особую роль играет частичная сумма «эн» членов ряда:

Если предел частичных сумм числового ряда равен конечному числу: , то такой ряд называют сходящимся, а само число – суммой ряда. Если же предел бесконечен либо его не существует, то ряд называют расходящимся.

Вернёмся к демонстрационному ряду и распишем его частичные суммы:

Предел частичных сумм – есть в точности бесконечно убывающая геометрическая прогрессия, сумма которой равна: . Похожий предел мы рассматривали на уроке о числовых последовательностях. Собственно, и сама формула – это прямое следствие вышеизложенных теоретических выкладок (см. 2-ой том матана).

Таким образом, прорисовывается общий алгоритм решения нашей задачи: необходимо составить энную частичную сумму ряда и найти предел . Посмотрим, как это осуществляется на практике:

Вычислить сумму ряда

Решение: на первом шаге нужно разложить общий член ряда в сумму дробей. Используем метод неопределённых коэффициентов:

Сразу же полезно провести обратное действие, выполнив тем самым проверку:

Получен общий член ряда в исходном виде, следовательно, разложение в сумму дробей проведено успешно.

Теперь составим частичную сумму ряда . Вообще это делается устно, но один раз я максимально подробно распишу, что откуда взялось:

Как записать совершенно понятно, но чему равен предыдущий член ? В общий член ряда ВМЕСТО «эн» подставляем :

Почти все слагаемые частичной суммы благополучно взаимоуничтожаются:

Прямо такие пометки и делаем карандашом в тетради. Чертовски удобно.

Осталось вычислить элементарный предел и узнать сумму ряда:

Ответ:

Аналогичный ряд для самостоятельного решения:

Вычислить сумму ряда

Примерный образец чистового оформления решения в конце урока.

Очевидно, что нахождение суммы ряда – это само по себе доказательство его сходимости (помимо признаков сравнения, Даламбера, Коши и др.), о чём, в частности, намекает формулировка следующего задания:

Найти сумму ряда или установить его расходимость

По внешнему виду общего члена можно сразу сказать, как ведёт себя этот товарищ. Без комплексов. С помощью предельного признака сравнения легко выяснить (причём даже устно), что данный ряд будет сходиться вместе с рядом . Но перед нами редкий случай, когда без особых хлопот рассчитывается ещё и сумма.

Решение: разложим знаменатель дроби в произведение. Для этого нужно решить квадратное уравнение:

Множители лучше расположить в порядке возрастания: .

Выполним промежуточную проверку:

Таким образом, общий член ряда:

Коэффициенты получились целые и это радует:

На всякий случай выполним ещё одну промежуточную проверку:

Поэтапные проверки – королевы зачётов 😉

Составим энную частичную сумму и уничтожим всё, что можно уничтожить:

Как видите, в этот раз противоположные числа не расположены рядышком. Поэтому на практике всегда лучше перестраховаться и записать побольше членов ряда – чтобы наверняка понять, какие слагаемые исчезнут, а какие – нет. По той же причине крайне желательно выполнять пометки карандашом.

Опыт показывает, что чаще всего студенты испытывают затруднения с хвостом суммы. В этой связи ещё раз повторим принцип, по которому записаны члены . Отчего ж не повторить?

В общий член ряда :
– ВМЕСТО «эн» подставляем : ;
– ВМЕСТО «эн» подставляем : ;
– ВМЕСТО «эн» подставляем : .

На завершающем этапе находим сумму ряда:

Ответ:

Изящный ряд для самостоятельного решения:

Найти сумму ряда или установить его расходимость

Решение и ответ в конце урока.

Вероятно, на этом рубеже у многих посетителей возникла уверенность в своих навыках и желание раствориться на просторах Интернета. Рекомендую немного задержаться, поскольку ниже по течению среди, казалось бы, такого однообразия приветливо моргают глазами большие крокодилы.

Усложняем задание и набиваем руку:

Вычислить сумму ряда

Решение: со знаменателем тут никаких проблем:

Множители, как я уже отмечал, целесообразно расположить в порядке возрастания.

Здесь на последних шагах проведено почленное сложение двух уравнений системы.

Что и требовалось проверить.

Запишем частичную сумму «эн» членов ряда, при этом обращаем внимание на тот факт, что «счётчик» ряда «начинает работать» с номера . Как и в предыдущих примерах, надёжнее растянуть кобру на приличную длину:

Однако если мы запишем в одну-две строчки, то всё равно будет довольно трудно сориентироваться в слагаемых (их таки 3 в каждом члене). И здесь нам на помощь придёт… геометрия. Заставим плясать змею под свою дудочку:

Да, прямо так и пишем в тетради один член под другим и прямо так их вычёркиваем. Кстати, собственное изобретение. Как понимаете, не от самого лёгкого задания в этой жизни =)

В результате зачистки получаем:

И, наконец, сумма ряда:

Ответ:

Вычислить сумму ряда

Это пример для самостоятельного решения.

Рассматриваемая задача, конечно, не радует нас разнообразием – на практике встречается либо бесконечно убывающая геометрическая прогрессия, либо ряд с дробно-рациональным общим членом и разложимым многочленом в знаменателе (к слову, далеко не каждый такой многочлен даёт возможность найти сумму ряда). Но, тем не менее, иногда попадаются необычные экземпляры, и по сложившейся доброй традиции я завершаю урок какой-нибудь любопытной задачей:

Вычислить сумму ряда, если она существует

Решение: формулировка уже интригует. Интересен тот факт, что все члены данного ряда отрицательны. Почему? На интервале логарифм меньше нуля, а за счёт аргумента при любом натуральном «эн» (начиная с ) мы каждый раз и попадаем в этот интервал.

Таким образом, если ряд сходится, то будет отрицательна и его сумма. Только вот есть мааааленькая проблемка – найти это значение, если оно существует =)

Алгоритм такой же, главное, догадаться, с какой стороны подступиться к решению. Предыдущий опыт подсказывает, что нужно попытаться представить общий член ряда в виде суммы двух или бОльшего количества слагаемых. Из этих соображений преобразуем выражение в скобках и используем свойства логарифма:

Ну что же, выглядит вполне перспективно, давайте разберёмся с частичной суммой ряда:

В целях устранения неопределённости вновь используем свойство логарифма:

Получено конечное число, а значит, ряд сходится. Как и ожидалось, сумма получилась отрицательной.

Ответ:

Поздравляю со знаменательным событием! Коль скоро вы читаете эти строки, то сегодня на вашу долю выпал редкий и счастливый случай – когда в частичной сумме ряда удалось массово ликвидировать слагаемые. Удалось же? =)

Не каждый день бывает! Но то ли ещё будет 😉

Решения и ответы:

Пример 2: Решение:

Дважды используем формулу для нахождения суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии: .
Для первого ряда: , для второго ряда: .

Ответ: сумма ряда

Пример 4: Решение: Методом неопределенных коэффициентов разложим общий член ряда в сумму дробей:

Таким образом:

Найдём частичную сумму ряда:

Вычислим сумму ряда:

Ответ:

Пример 6: Решение: разложим знаменатель общего члена в произведение и методом неопределённых коэффициентов получим сумму дробей:

Таким образом:
Составим частичную сумму и проведём упрощения:

Вычислим сумму ряда:

Ответ:

Пример 8: Решение: представим общий член ряда в виде:

Методом неопределённых коэффициентов разложим его в сумму дробей:

Таким образом:
Запишем частичную сумму:

Вычислим сумму ряда:

Ответ: