I. Необходимый признак сходимости рядов

Необходимым признаком сходимости рядов является следующая теорема.

Теорема. Если ряд сходится, то предел его общего члена при равен нулю, т.е. .

Однако на практике в таком виде применять теорему для исследования ряда невозможно, т.к. мы не знаем, сходится ли наш ряд. Поэтому для практического применения необходимый признак сходимости сформулируем в следующем виде:

Следствие. Если предел общего члена ряда при не равен нулю, то ряд расходится.

Пример. Исследовать на сходимость ряд

Решение. Т.к. , то ряд расходится (по необходимому признаку сходимости).

Очень важно помнить, что из того, что , не следует ни сходимость, ни расходимость ряда. Говорят, что если , то необходимый признак не работает.

Замечание. Смысл или польза этого признака: если общий член ряда стремится к нулю, то ряд может быть как сходящимся, так и расходящимся, а если , то это заведомо расходящийся ряд. Этот признак является необходимым, но не достаточным.

В качестве примера рассмотрим ряд

, (2.1)

называемый гармоническим.

Необходимый признак сходимости для этого ряда не работает, т.к. . Докажем, что ряд расходится.

Перепишем ряд (2.1) в виде:

(2.2)

Напишем вспомогательный ряд:

(2.3)

Ряд (2.3) строится так, что каждый его член меньше либо равен соответствующему члену ряда (2.2).

Обозначим через сумму первых членов ряда (2.2), и через частичную сумму ряда (2.3).

Т.к. каждый член ряда (2.2) больше либо равен соответствующему ему члену ряда (2.3), то

. (2.4)

Вычислим несколько частичных сумм ряда (2.3) для значений , равных :

………………………………………………………….

следовательно, , а тогда в силу (2.4) , и ряд (2.1) расходится.

Далее рассмотрим достаточные признаки сходимости знакоположительных рядов.

II. Признак Даламбера

Теорема. Пусть для ряда () существует предел отношения ()-го члена ряда к -му: . Тогда:

а) если , то ряд сходится,

б) если , то ряд расходится,

в) если , то вопрос о сходимости ряда остается нерешенным, т. е. признак не работает.

Примеры

Исследовать следующие ряды на сходимость:

1) . Решение. Т.к.

то по признаку Даламбера ряд сходится.

2)

Замечание. Напомним, что , поэтому .

Решение. Воспользуемся формулой , тогда:

следовательно, по признаку Даламбера ряд сходится.

3)

Решение

и ряд расходится.

Замечание. С помощью признака Даламбера исследовать ряды на сходимость имеет смысл только тогда, когда в выражении для - го члена ряда имеются показательная функция и/или факториал.

III. Радикальный признак Коши

Теорема. Пусть для ряда , () существует . Тогда

а) если , то ряд сходится,

б) если , то ряд расходится,

в) если , то вопрос о сходимости ряда остается нерешенным, т. е. признак не работает.

Примеры. Исследовать следующие ряды на сходимость:

1)

Решение. Вычислим

, следовательно, по радикальному признаку Коши ряд расходится.

2)

Решение. Вычислим

, следовательно, по радикальному признаку Коши ряд сходится.

Замечание. С помощью радикального признака Коши исследовать ряды на сходимость имеет смысл тогда, когда -й член ряда представляет собой некое выражение, возведенное в -ю степень.

IV. Интегральный признак Коши

Теорема. Пусть члены ряда положительны и пусть такая непрерывная функция, что , , … , …, причем функция невозрастающая на интервале при некотором . Тогда справедливы следующие утверждения:

1) если несобственный интеграл сходится, то сходится и ряд ,

2) если несобственный интеграл расходится, то расходится и ряд .

Для краткости говорят: «Ряд и интеграл ведут себя одинаково».

Замечание. Для применения интегрального признака к исследованию сходимости ряда надо подобрать такую функцию , что , т.е. попросту говоря, выписать и заменить в нем n на x, и затем исследовать сходимость интеграла . Это имеет смысл делать только тогда, когда полученный интеграл достаточно легко вычисляется.

Примеры

1) Применим интегральный признак к исследованию на сходимость ряда вида , , называемого обобщенным гармоническим рядом или рядом Дирихле.

Решение. В этом случае требуемой функцией является . Функция является невозрастающей на интервале . Вычислим .

Если , то .

Если , то .

Следовательно, несобственный интеграл сходится при и расходится при . То же самое можно сказать и о данном ряде.

Запомнить! Обобщенный гармонический ряд сходитсяпри и расходится при .

2) Исследовать на сходимость ряд .

Решение. Выписав и заменив в нем n на x, получим функцию .

Внимание! Пока мы не убедились, что функция невозрастающая на некотором интервале вида , к интегрированию переходить рано!

Исследуем функцию на монотонность с помощью производной: . Критическая точка , на интервале , т.е. функция невозрастающая. Теперь можно переходить к интегрированию.

, интеграл расходится, расходится и данный ряд.

V. Признаки сравнения

Теорема.Первый признак сравнения (признак сравнения в форме неравенства). Пусть даны два ряда с положительными членами:

(2.5)

(2.6)

причем члены первого ряда не превосходят членов второго при любом , т.е.

(2.7)

Тогда: а) если сходится ряд (2.6), то сходится и ряд (2.5)

б) если расходится ряд (2.5), то расходится и ряд (2.6).

Удобно применять другую формулировку этой теоремы:

а) если больший ряд сходится, то меньший ряд тоже сходится;

б) если меньший ряд расходится, то больший ряд тоже расходится.

Примеры

Исследовать сходимость следующих рядов:

1)

Решение. Сравним данный ряд с гармоническим , мысленно отбросив его первый член, равный 1 (что, естественно, не повлияет на сходимость ряда). Т.к. , , и вообще, (ведь ), то члены данного ряда больше членов расходящегося гармонического ряда, и, следовательно, на основании признака сравнения данный ряд расходится.

Понятно, что для применения признака сравнения в форме неравенства нужно сначала установить подходящее неравенство. При этом часто пользуются следующими стандартными неравенствами:

, (2.8)

,

.

Иногда приходится применять более сложные неравенства:

,

,

,

,

при некотором .

2)

Решение. Прежде всего, заметим, что это ряд с положительными членами, т.к. синус возводится в четную степень. Далее очевидное неравенство позволяет заключить, что , а поскольку ряд сходится, то и ряд с меньшими членами тоже сходится.

3)

Решение. Преобразуем выражение, стоящее под знаком суммы, следующим образом:

(здесь мы учли, что ).

Т.к. ряд – сходится (как обобщенный гармонический при ), то исследуемый ряд также сходится.

Отметим «эталонные» ряды, часто используемые для сравнения:

а) геометрический ряд – сходится при , расходится при ,

б) обобщенный гармонический ряд сходится при и расходится при .

Нестандартность применения признака сравнения заключается в том, что надо не только подобрать соответствующий «эталонный» ряд, но и доказать неравенство (2.7), для чего часто требуется преобразование рядов (например, отбрасывание или приписывание конечного числа членов, умножение на определенные числа и т. п.). Более простым оказывается признак сравнения в предельной форме – ведь вычислять пределы обычно гораздо проще, чем доказывать неравенства.

Теорема.Второй признак сравнения (признак сравнения в предельной форме). Если и – ряды с положительными членами и существует предел отношения их общих членов , причем , то ряды ведут себя одинаково: либо одновременно сходятся, либо одновременно расходятся.

Чаще всего исследуемый ряд сравнивают с обобщенным гармоническим рядом , причем p удобно подбирать в процессе сравнения, как это сделано ниже в примере 1.

Примеры

1)

Решение. Сравним данный ряд с обобщенным гармоническим рядом , причем p подберем в процессе сравнения.

Выпишем предел и преобразуем его:

(2.9)

Мы пришли к пределу отношения двух степенных выражений на бесконечности. Если степень числителя меньше степени знаменателя, то предел равен 0, а это тот случай, когда признак сравнения в предельной форме не работает. Если степень числителя больше степени знаменателя, то предел равен , а это опять тот случай, когда признак сравнения в предельной форме не работает. Таким образом, нас устроит только случай, когда степень числителя равна степени знаменателя, т.е. , или (в этом случае предел равен отношению старших коэффициентов, т.е. не 0 и не ). Итак, исследуемый ряд ведет себя так же, как и ряд , т.е. сходится.

Разумеется, решение похожих задач не надо расписывать так подробно. Обычно, выписав предел (2.9), далее пишут сходится. Ясно, что слово «сходится» относится сразу к двум рядам и к , и к исходному ряду.

Следствием второго (предельного) признака сравнения является третий признак сравнения.

Теорема.Третий признак сравнения (признак сравнения в форме эквивалентных б.м. или кратко эквивалентный признак сравнения). В общем члене ряда бесконечно малый множитель или делитель можно заменить на эквивалентный, поведение ряда (сходимость или расходимость) от этого не изменится.

Замечание 1. Напомним таблицу эквивалентных бесконечно малых величин (при ):

.

Замечание 2. При работе с эквивалентным признаком сравнения необходимо помнить, что таблица эквивалентных бесконечно малых величин выписана при , а в рядах всегда , т.е. n является бесконечно большой. А вот бесконечно малыми являются величины вида: (и вообще при ), (и вообще при ).

2)

Решение. Т.к. при (т.е. – б.м.), то , и ряд ведет себя так же, как и ряд – обобщенный гармонический ряд при p =1/2<1, т.е. расходится.

На практике запись ведут кратко:

– расходится. Ясно, что слово «расходится» относится к обоим рядам.

3) .

Решение. Т.к. ,то , ряд знакоположительный, и к нему можно применять эквивалентный признак сравнения. Поскольку – б.м. при , то и = .

Последний ряд легко исследуется по признаку Даламбера (он сходится).

Несмотря на то, что предельный и эквивалентный признаки сравнения более просты по сравнению с признаком сравнения в форме неравенства, иногда без первого признака не обойтись. Покажем это на следующем примере, а заодно продемонстрируем, как надо рассуждать в общем и целом при исследовании рядов на сходимость.

4)

Решение. Проверим необходимый признак: – необходимый признак не работает. Попробуем применить признак Даламбера:

,

т.е. вопрос о сходимости ряда остается открытым. Этого следовало ожидать (см. замечание к признаку Даламбера).

Применим признак сравнения в предельной форме. Сравним данный ряд, например, с гармоническим рядом:

,

т.е. ответа о сходимости ряда нет. Аналогичная картина наблюдается и при использовании других «эталонных» рядов.

Применим, наконец, признак сравнения в форме неравенства (первый признак сравнения). Сравним данный ряд с гармоническим, у которого отброшен первый член: ... Т.к. члены рассматриваемого ряда больше членов расходящегося гармонического , что вытекает из неравенства (2.8), то данный ряд расходится.

Отметим, что для исследования сходимости данного ряда неприменим и интегральный признак, т.к. первообразная подынтегральной функции не является элементарной функцией, т.е. соответствующий неопределенный интеграл является «не берущимся».

Задачи

А) Исследовать ряды с помощью признака Даламбера:

1. 2. 3.

4. 5. 6.

B) Исследовать ряды с помощью радикального признака Коши:

7. 8. 9. 10.

C) Исследовать ряды с помощью интегрального признака Коши:

11. 12. 13.

14. 15.

D) Исследовать ряды с помощью признаков сравнения:

16. 17. 18.

19. 20. 21.

Е) Исследовать ряды на сходимость:

22. 23. 24.

25. 26. 27.

28. 29. 30.

31. 32. 33.

34. 35. 36.

37. 38. 39.

40. 41. 42.

43. 44. .