Highmath: edit

This commit is contained in:
2024-12-20 13:09:08 +03:00
parent 3c00f5f0b5
commit 537c87bc48
27 changed files with 411 additions and 714 deletions
+1 -1
View File
@@ -12,7 +12,7 @@
"listChangedFilesInMessageBody": false, "listChangedFilesInMessageBody": false,
"showStatusBar": true, "showStatusBar": true,
"updateSubmodules": false, "updateSubmodules": false,
"syncMethod": "merge", "syncMethod": "rebase",
"customMessageOnAutoBackup": false, "customMessageOnAutoBackup": false,
"autoBackupAfterFileChange": false, "autoBackupAfterFileChange": false,
"treeStructure": false, "treeStructure": false,
@@ -1,33 +1,20 @@
# Числовые ряды. Общий член ряда, сумма ряда. Необходимое условие сходимости ряда. # Числовые ряды. Общий член ряда, сумма ряда. Необходимое условие сходимости ряда.
## Числовые ряды ## Числовые ряды
**Числовой ряд** — это бесконечная сумма чисел, представленная в виде $\sum\limits_{n=1}^{\infty} a_n$, где $a_n$ — общий член ряда.
Числовой ряд — это бесконечная сумма чисел, представленная в виде:
$$ \sum_{n=1}^{\infty} a_n$$
где ($a_n$ ) — общий член ряда.
## Общий член ряда ## Общий член ряда
**Общий член ряда** ($a_n$) — это последовательность чисел, которая определяет каждый элемент ряда.
Общий член ряда ( $a_n$ ) — это последовательность чисел, которая определяет каждый элемент ряда. Например, для геометрического ряда общий член может быть выражен как $( a_n = ar^n )$, где ( $a$ ) — первый член, а ( $r$ ) — отношение между последующими членами. Например, для геометрического ряда общий член может быть выражен как $a_n = ar^n$, где *a* — первый член, а *r* — отношение между последующими членами.
## Сумма ряда ## Сумма ряда
**Сумма ряда** (S) — это предел *частичных сумм* $S_n$: $S = \lim\limits_{n \to \infty} S_n$, где $S_n = \sum\limits_{k=1}^n a_k$.
Сумма ряда ( $S$ ) — это предел частичных сумм ( $S_n$ ):
$$ S = \lim_{n \to \infty} S_n $$
где ( $S_n$ = $\sum_{k=1}^{n}a_k$).
## Необходимое условие сходимости ряда ## Необходимое условие сходимости ряда
Если $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ *сходится*, то $\lim\limits_{n \to \infty} a_n = 0$
Необходимое условие сходимости ряда заключается в том, что если ряд ( $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$) сходится, то его общий член ( $a_n$ ) должен стремиться к нулю при ( $n \to \infty$ ): Однако это условие не является *достаточным*. Например, гармонический ряд ($\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 n$) расходится, несмотря на то, что его общий член ($\frac 1 n$) стремится к нулю.
$\lim_{n \to \infty} a_n = 0$
Однако это условие не является достаточным. Например, гармонический ряд ( $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$ ) расходится, несмотря на то, что его общий член ( $\frac{1}{n}$ ) стремится к нулю.
## Примеры ## Примеры
1. **Геометрический ряд**: 1. **Геометрический ряд**:
$\sum_{n=0}^{\infty} ar^n$ $\sum\limits_{n=0}^\infty ar^n$ *сходится*, если $|r| < 1$
Сходится, если ( $|r| < 1$ ).
2. **Гармонический ряд**: 2. **Гармонический ряд**:
$\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$ $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 n$ *расходится*
Расходится.
@@ -1,50 +1,35 @@
# Функциональные ряды. Частичная сумма и сумма функционального ряда. Сходимость, область сходимости функционального ряда. # Функциональные ряды. Частичная сумма и сумма функционального ряда. Сходимость, область сходимости функционального ряда.
## Введение ## Введение
**Функциональные ряды** — это ряды, члены которых являются функциями от переменной
Функциональные ряды — это ряды, члены которых являются функциями от переменной $x$. Они играют важную роль в математике и её приложениях.
## Функциональные ряды ## Функциональные ряды
**Функциональный ряд** — это ряд вида $\sum\limits_{n=1}^\infty f_n(x)$, где $f_n(x)$ — функции от переменной $x$.
Функциональный ряд — это ряд вида:
$\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$
где $f_n(x)$ — функции от переменной $x$.
## Частичная сумма и сумма функционального ряда ## Частичная сумма и сумма функционального ряда
**Частичная сумма** функционального ряда — это сумма первых $n$ членов ряда: $S_n(x) = \sum\limits_{k=1}^n f_k(x)$ ^2cb2e9
Частичная сумма функционального ряда — это сумма первых $n$ членов ряда: **Сумма** функционального ряда — это предел частичных сумм при $n\to\infty$: $S(x) = \lim\limits_{n\to\infty}S_n(x)$ ^f4f31b
$S_n(x)=\sum_{k=1}^{n}f_k(x)$
Сумма функционального ряда — это предел частичных сумм при $n\to\infty$:
$S(x)=\lim_{n\to\infty}S_n(x)$
## Сходимость функционального ряда ## Сходимость функционального ряда
Функциональный ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty f_n(x)$ *сходится* в точке $x_0$, если существует конечный предел: $\lim\limits_{n\to\infty} S_n(x_0)$
Функциональный ряд $\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ сходится в точке $x_0$, если существует конечный предел:
$\lim_{n\to\infty}S_n(x_0)$
## Область сходимости функционального ряда ## Область сходимости функционального ряда
**Область сходимости** функционального ряда — это множество всех точек, в которых ряд *сходится*. Область сходимости может быть открытым или замкнутым интервалом, а также может состоять из отдельных точек.
Область сходимости функционального ряда — это множество всех точек $x$, в которых ряд сходится. Область сходимости может быть открытым или замкнутым интервалом, а также может состоять из отдельных точек.
## Признаки сходимости функциональных рядов ## Признаки сходимости функциональных рядов
### Признак Вейерштрасса ### Признак Вейерштрасса
**Признак Вейерштрасса** позволяет определить равномерную сходимость функционального ряда.
Признак Вейерштрасса позволяет определить равномерную сходимость функционального ряда.
#### Формулировка признака Вейерштрасса #### Формулировка признака Вейерштрасса
Пусть $\sum\limits_{n=1}^\infty f_n(x)$ — функциональный ряд, и пусть существует ряд положительных чисел $\sum\limits_{n=1}^\infty M_n$, такой что $\forall n \forall x \in D: |f_n(x)| \leq M_n$.
Пусть $\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ — функциональный ряд, и пусть существует ряд положительных чисел $\sum_{n=1}^{\infty}M_n$, такой что: Если ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty M_n$ *сходится*, то ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty f_n(x)$ *равномерно сходится* на $D$.
$|f_n(x)|\leq M_n$ для всех $x$ в области $D$ и для всех $n$.
Если ряд $\sum_{n=1}^{\infty}M_n$ сходится, то ряд $\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ равномерно сходится на $D$. #### Пример
Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\sin(nx)}{n^2}$.
### Пример Оценим $|f_n(x)|$: $\left| \frac{\sin(nx)}{n^2} \right| \leq \frac 1 {n^2}$
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin(nx)}{n^2}$. Ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n^2}$ *сходится*, так как это [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/2#^e8e233|обобщенный гармонический ряд]] с $p=2>1$. Следовательно, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\sin(nx)}{n^2}$ равномерно сходится на всей числовой прямой по признаку Вейерштрасса.
Оценим $|f_n(x)|$:
$|\frac{\sin(nx)}{n^2}|\leq\frac{1}{n^2}$
Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}$ сходится, так как это обобщенный гармонический ряд с $p=2>1$. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin(nx)}{n^2}$ равномерно сходится на всей числовой прямой по признаку Вейерштрасса.
@@ -1,45 +1,17 @@
# Равномерно сходящиеся функциональные ряды, связь между сходимостью и равномерной сходимостью функционального ряда # Равномерно сходящиеся функциональные ряды, связь между сходимостью и равномерной сходимостью функционального ряда
## Введение
Функциональные ряды — это ряды, члены которых являются функциями от переменной $x$.
## Равномерная сходимость функциональных рядов ## Равномерная сходимость функциональных рядов
Функциональный ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty f_n(x)$ называется **равномерно сходящимся** на множестве $D$, если для любого $\varepsilon>0$ существует такое число $N(\varepsilon)$, что для всех $n \geq N(\varepsilon)$ и для всех $x\in D$ выполняется неравенство: $|S(x)-S_n(x)| < \varepsilon$, где: ^392550
Функциональный ряд $\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ называется равномерно сходящимся на множестве $D$, если для любого $\epsilon>0$ существует такое число $N(\epsilon)$, что для всех $n\geq N(\epsilon)$ и для всех $x\in D$ выполняется неравенство: - $S(x) = \sum\limits_{n=1}^\infty f_n(x)$ — [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/10#^f4f31b|сумма ряда]]
$|S(x)-S_n(x)|<\epsilon$ - $S_n(x) = \sum\limits_{k=1}^n f_k(x)$ — [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/10#^2cb2e9|частичная сумма ряда]].
где $S(x)=\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ — сумма ряда, а $S_n(x)=\sum_{k=1}^{n}f_k(x)$ — частичная сумма ряда.
## Связь между сходимостью и равномерной сходимостью ## Связь между сходимостью и равномерной сходимостью
**Равномерная сходимость** функционального ряда влечет за собой его обычную *сходимость*, но обратное неверно. Равномерная сходимость обеспечивает более сильные свойства, такие как *непрерывность* суммы ряда и возможность *почленного интегрирования* и *дифференцирования*.
Равномерная сходимость функционального ряда влечет за собой его обычную сходимость, но обратное неверно. Равномерная сходимость обеспечивает более сильные свойства, такие как непрерывность суммы ряда и возможность почленного интегрирования и дифференцирования.
### Пример ### Пример
Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\sin(nx)}{n^2}$.
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin(nx)}{n^2}$. Оценим $|f_n(x)|$: $\left| \frac{\sin(nx)}{n^2} \right| \leq \frac 1 {n^2}$
Оценим $|f_n(x)|$: Ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n^2}$ *сходится*, так как это [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/2#^e8e233|обобщенный гармонический ряд]] с $p=2>1$. Следовательно, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\sin(nx)}{n^2}$ *равномерно сходится* на всей числовой прямой по [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/12#Признак Вейерштрасса|признаку Вейерштрасса]].
$|\frac{\sin(nx)}{n^2}|\leq\frac{1}{n^2}$
Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}$ сходится, так как это обобщенный гармонический ряд с $p=2>1$. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin(nx)}{n^2}$ равномерно сходится на всей числовой прямой по признаку Вейерштрасса.
## Признак Вейерштрасса
Признак Вейерштрасса позволяет определить равномерную сходимость функционального ряда.
### Формулировка признака Вейерштрасса
Пусть $\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ — функциональный ряд, и пусть существует ряд положительных чисел $\sum_{n=1}^{\infty}M_n$, такой что:
$|f_n(x)|\leq M_n$ для всех $x$ в области $D$ и для всех $n$.
Если ряд $\sum_{n=1}^{\infty}M_n$ сходится, то ряд $\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ равномерно сходится на $D$.
### Пример
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos(nx)}{n^3}$.
Оценим $|f_n(x)|$:
$|\frac{\cos(nx)}{n^3}|\leq\frac{1}{n^3}$
Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^3}$ сходится, так как это обобщенный гармонический ряд с $p=3>1$. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos(nx)}{n^3}$ равномерно сходится на всей числовой прямой по признаку Вейерштрасса.
@@ -1,45 +1,36 @@
# Признак Вейерштрасса равномерной сходимости функционального ряда # Признак Вейерштрасса равномерной сходимости функционального ряда
## Введение ## Введение
Признак Вейерштрасса является важным критерием для определения равномерной сходимости функциональных рядов. Он позволяет определить, сходится ли функциональный ряд равномерно на заданном множестве, основываясь на сходимости ряда из мажорант. Признак Вейерштрасса является важным критерием для определения равномерной сходимости функциональных рядов. Он позволяет определить, сходится ли функциональный ряд равномерно на заданном множестве, основываясь на сходимости ряда из мажорант.
**Мажоранта** (от majorer — повышать) — термин, который используется в математике для обозначения "Точная верхняя и нижняя границы"). > [!Термин]
> **Мажоранта** (от *majorer* — повышать) — термин, который используется в математике для обозначения "Точной верхней и нижней границ").
## Признак Вейерштрасса ## Признак Вейерштрасса
### Формулировка признака Вейерштрасса ### Формулировка
Пусть $\sum\limits_{n=1}^\infty f_n(x)$ — функциональный ряд, и пусть существует ряд положительных чисел $\sum\limits_{n=1}^\infty M_n$, такой что $\forall n \forall x \in D: |f_n(x)| \leq M_n$.
Пусть $\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ — функциональный ряд, и пусть существует ряд положительных чисел $\sum_{n=1}^{\infty}M_n$, такой что: Если ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty M_n$ *сходится*, то ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty f_n(x)$ *равномерно сходится* на $D$.
$|f_n(x)|\leq M_n$ для всех $x$ в области $D$ и для всех $n$.
Если ряд $\sum_{n=1}^{\infty}M_n$ сходится, то ряд $\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ равномерно сходится на $D$.
### Доказательство признака Вейерштрасса ### Доказательство
Рассмотрим [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/10#^2cb2e9|частичные суммы ряда]] $S_n(x)=\sum\limits_{k=1}^n f_k(x)$ и соответствующие частичные суммы ряда из мажорант $T_n=\sum\limits_{k=1}^n M_k$.
Рассмотрим частичные суммы ряда $S_n(x)=\sum_{k=1}^{n}f_k(x)$ и соответствующие частичные суммы ряда из мажорант $T_n=\sum_{k=1}^{n}M_k$. Поскольку ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty M_n$ *сходится*, то последовательность $T_n$ ограничена. Это означает, что существует такое число $M$, что $T_n\leq M$ для всех $n$.
Поскольку ряд $\sum_{n=1}^{\infty}M_n$ сходится, то последовательность $T_n$ ограничена. Это означает, что существует такое число $M$, что $T_n\leq M$ для всех $n$.
Теперь рассмотрим разность частичных сумм $S_m(x)-S_n(x)$ для $m>n$: Теперь рассмотрим разность частичных сумм $S_m(x)-S_n(x)$ для $m>n$:
$|S_m(x)-S_n(x)|=|\sum_{k=n+1}^{m}f_k(x)|\leq\sum_{k=n+1}^{m}|f_k(x)|\leq\sum_{k=n+1}^{m}M_k=T_m-T_n$ $|S_m(x) - S_n(x)| = \left| \sum\limits_{k=n+1}^m f_k(x) \right| \leq \sum\limits_{k=n+1}^m |f_k(x)| \leq \sum\limits_{k=n+1}^m M_k = T_m-T_n$
Поскольку последовательность $T_n$ ограничена, то и разность $T_m-T_n$ ограничена. Следовательно, последовательность $S_n(x)$ является фундаментальной (последовательность Коши), а значит, равномерно сходится на $D$. Поскольку последовательность $T_n$ *ограничена*, то и разность $T_m-T_n$ *ограничена*. Следовательно, последовательность $S_n(x)$ является фундаментальной (последовательность Коши), а значит, равномерно сходится на $D$.
## Примеры ### Примеры
1. $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\sin(nx)}{n^2}$
Оценим $|f_n(x)|$: $\left| \frac{\sin(nx)}{n^2} \right| \leq \frac 1 {n^2}$
Ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n^2}$ *сходится*, так как это [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/2#^e8e233|обобщенный гармонический ряд]] с $p=2>1$. Следовательно, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\sin(nx)}{n^2}$ *равномерно сходится* на всей числовой прямой по признаку Вейерштрасса.
1. **Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin(nx)}{n^2}$**: 1. $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos(nx)}{n^3}$
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin(nx)}{n^2}$. Оценим $|f_n(x)|$: $\left| \frac{\cos(nx)}{n^3} \right| \leq \frac 1 {n^3}$
Оценим $|f_n(x)|$: Ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n^3}$ *сходится*, так как это обобщенный гармонический ряд с $p=3>1$. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos(nx)}{n^3}$ *равномерно сходится* на всей числовой прямой по признаку Вейерштрасса.
$|\frac{\sin(nx)}{n^2}|\leq\frac{1}{n^2}$
Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}$ сходится, так как это обобщенный гармонический ряд с $p=2>1$. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin(nx)}{n^2}$ равномерно сходится на всей числовой прямой по признаку Вейерштрасса.
2. **Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos(nx)}{n^3}$**:
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos(nx)}{n^3}$.
Оценим $|f_n(x)|$:
$|\frac{\cos(nx)}{n^3}|\leq\frac{1}{n^3}$
Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^3}$ сходится, так как это обобщенный гармонический ряд с $p=3>1$. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos(nx)}{n^3}$ равномерно сходится на всей числовой прямой по признаку Вейерштрасса.
@@ -3,60 +3,46 @@
## Свойства равномерно сходящихся рядов ## Свойства равномерно сходящихся рядов
### Непрерывность суммы ряда ### Непрерывность суммы ряда
Если функциональный ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty f_n(x)$ *равномерно сходится* на множестве $D$, и все функции $f_n(x)$ *непрерывны* на $D$, то [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/10#^f4f31b|сумма ряда]] $S(x)=\sum\limits_{n=1}^\infty f_n(x)$ также *непрерывна* на $D$.
Если функциональный ряд $\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ равномерно сходится на множестве $D$, и все функции $f_n(x)$ непрерывны на $D$, то сумма ряда $S(x)=\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ также непрерывна на $D$.
#### Доказательство #### Доказательство
Пусть $\varepsilon > 0$. По определению [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/11#Равномерная сходимость функциональных рядов|равномерной сходимости]], существует такое число $N(\varepsilon)$, что для всех $n \geq N(\varepsilon)$ и для всех $x\in D$ выполняется $|S(x)-S_n(x)| < \frac \varepsilon 3$
Пусть $\epsilon>0$. По определению равномерной сходимости, существует такое число $N(\epsilon)$, что для всех $n\geq N(\epsilon)$ и для всех $x\in D$ выполняется: Поскольку $f_n(x)$ *непрерывны*, то и [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/10#^2cb2e9|частичные суммы]] $S_n(x)$ *непрерывны*. Следовательно, для любого $x_0\in D$ существует такое $\delta>0$, что для всех $x\in D$ таких, что $|x-x_0|<\delta$, выполняется:
$|S(x)-S_n(x)|<\frac{\epsilon}{3}$ $|S_n(x)-S_n(x_0)| < \frac \varepsilon 3$
Поскольку $f_n(x)$ непрерывны, то и частичные суммы $S_n(x)$ непрерывны. Следовательно, для любого $x_0\in D$ существует такое $\delta>0$, что для всех $x\in D$ таких, что $|x-x_0|<\delta$, выполняется:
$|S_n(x)-S_n(x_0)|<\frac{\epsilon}{3}$
Тогда: Тогда:
$|S(x)-S(x_0)|\leq|S(x)-S_n(x)|+|S_n(x)-S_n(x_0)|+|S_n(x_0)-S(x_0)|<\epsilon$ $|S(x)-S(x_0)| \leq |S(x)-S_n(x)| + |S_n(x)-S_n(x_0)| + |S_n(x_0)-S(x_0)| < \varepsilon$
Таким образом, $S(x)$ непрерывна на $D$. Таким образом, $S(x)$ непрерывна на $D$.
### Почленное интегрирование ### Почленное интегрирование
Если функциональный ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty f_n(x)$ *равномерно сходится* на множестве $D$, и все функции $f_n(x)$ интегрируемы на $D$, то ряд можно интегрировать почленно:
Если функциональный ряд $\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ равномерно сходится на множестве $D$, и все функции $f_n(x)$ интегрируемы на $D$, то ряд можно интегрировать почленно: $\int\limits_D \sum\limits_{n=1}^\infty f_n(x)dx = \sum\limits_{n=1}^\infty \int\limits_D f_n(x)dx$
$\int_{D}\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)dx=\sum_{n=1}^{\infty}\int_{D}f_n(x)dx$
#### Доказательство #### Доказательство
Рассмотрим частичные суммы ряда $S_n(x)=\sum_{k=1}^{n}f_k(x)$. Поскольку ряд равномерно сходится, то: Рассмотрим частичные суммы ряда $S_n(x)=\sum_{k=1}^{n}f_k(x)$. Поскольку ряд равномерно сходится, то:
$\int_{D}S(x)dx=\int_{D}\lim_{n\to\infty}S_n(x)dx=\lim_{n\to\infty}\int_{D}S_n(x)dx=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n}\int_{D}f_k(x)dx=\sum_{n=1}^{\infty}\int_{D}f_n(x)dx$ $$
\int\limits_D S(x)dx = \int\limits_D \lim_{n\to\infty} S_n(x)dx = \lim_{n\to\infty} \int\limits_D S_n(x)dx = \lim_{n\to\infty} \sum\limits_{k=1}^n \int\limits_D f_k(x)dx = \sum_{n=1}^{\infty} \int\limits_D f_n(x)dx
$$
### Почленное дифференцирование ### Почленное дифференцирование
Если функциональный ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty f_n(x)$ *равномерно сходится* на множестве $D$, и ряд из производных $\sum\limits_{n=1}^\infty f_n'(x)$ также *равномерно сходится* на $D$, то ряд можно дифференцировать почленно: $S'(x) = \sum\limits_{n=1}^\infty f_n'(x)$
Если функциональный ряд $\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ равномерно сходится на множестве $D$, и ряд из производных $\sum_{n=1}^{\infty}f_n'(x)$ также равномерно сходится на $D$, то ряд можно дифференцировать почленно:
$S'(x)=\sum_{n=1}^{\infty}f_n'(x)$
#### Доказательство #### Доказательство
Рассмотрим [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/10#^2cb2e9|частичные суммы ряда]] $S_n(x) = \sum\limits_{k=1}^n f_k(x)$. Поскольку ряд из производных равномерно сходится, то: $S'(x) = \lim\limits_{n\to\infty} S_n'(x) = \lim\limits_{n\to\infty} \sum\limits_{k=1}^n f_k'(x) = \sum\limits_{n=1}^\infty f_n'(x)$
Рассмотрим частичные суммы ряда $S_n(x)=\sum_{k=1}^{n}f_k(x)$. Поскольку ряд из производных равномерно сходится, то:
$S'(x)=\lim_{n\to\infty}S_n'(x)=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n}f_k'(x)=\sum_{n=1}^{\infty}f_n'(x)$
## Примеры ## Примеры
1. $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\sin(nx)}{n^2}$
Оценим $|f_n(x)|$: $\left| \frac{\sin(nx)}{n^2} \right| \leq \frac 1 {n^2}$
Ряд $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}$ сходится, так как это [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/2#^e8e233|обобщенный гармонический ряд]] с $p=2>1$. Следовательно, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\sin(nx)}{n^2}$ *равномерно сходится* на всей числовой прямой по [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/12#Признак Вейерштрасса|признаку Вейерштрасса]]**.
Поскольку все функции $\frac{\sin(nx)}{n^2}$ *непрерывны*, то и сумма ряда $S(x)=\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\sin(nx)}{n^2}$ *непрерывна*.
1. **Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin(nx)}{n^2}$**: 1. $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\cos(nx)}{n^3}$
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin(nx)}{n^2}$. Оценим $|f_n(x)|$: $\left| \frac{\cos(nx)}{n^3} \right| \leq \frac 1 {n^3}$
Оценим $|f_n(x)|$: Ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n^3}$ *сходится*, так как это [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/2#^e8e233|обобщенный гармонический ряд]] с $p=3>1$. Следовательно, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\cos(nx)}{n^3}$ *равномерно сходится* на всей числовой прямой по [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/12#Признак Вейерштрасса|признаку Вейерштрасса]].
$|\frac{\sin(nx)}{n^2}|\leq\frac{1}{n^2}$
Поскольку все функции $\frac{\cos(nx)}{n^3}$ *непрерывны*, то и сумма ряда $S(x) = \sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\cos(nx)}{n^3}$ *непрерывна*.
Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}$ сходится, так как это обобщенный гармонический ряд с $p=2>1$. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin(nx)}{n^2}$ равномерно сходится на всей числовой прямой по признаку Вейерштрасса.
Поскольку все функции $\frac{\sin(nx)}{n^2}$ непрерывны, то и сумма ряда $S(x)=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin(nx)}{n^2}$ непрерывна.
2. **Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos(nx)}{n^3}$**:
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos(nx)}{n^3}$.
Оценим $|f_n(x)|$:
$|\frac{\cos(nx)}{n^3}|\leq\frac{1}{n^3}$
Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^3}$ сходится, так как это обобщенный гармонический ряд с $p=3>1$. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos(nx)}{n^3}$ равномерно сходится на всей числовой прямой по признаку Вейерштрасса.
Поскольку все функции $\frac{\cos(nx)}{n^3}$ непрерывны, то и сумма ряда $S(x)=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos(nx)}{n^3}$ непрерывна.
@@ -1,60 +1,36 @@
# Степенной ряд. Первая теорема Абеля. Радиус сходимости. Интервал сходимости. Промежуток сходимости. # Степенной ряд. Первая теорема Абеля. Радиус сходимости. Интервал сходимости. Промежуток сходимости.
## Введение
Степенной ряд — это ряд вида $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$, где $a_n$ — коэффициенты, а $x$ — переменная.
## Степенной ряд ## Степенной ряд
**Степенной ряд** имеет вид $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$, где $a_n$ — *коэффициенты*, а $x$ — *переменная*. ^e4c1fc
Степенной ряд имеет вид: **Радиус сходимости** степенного ряда $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ — это число $R$, такое что ряд сходится для всех $|x|<R$ и расходится для всех $|x|>R$. Радиус сходимости можно найти с помощью формулы Коши-Адамара: $R = \frac 1 {\lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{|a_n|}}$ ^92c7d3
$\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$
где $a_n$ — коэффициенты, а $x$ — переменная.
## Радиус сходимости **Интервал сходимости** степенного ряда — это интервал $(-R,R)$, где $R$ — радиус сходимости. Внутри этого интервала ряд сходится абсолютно.
Радиус сходимости степенного ряда $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ — это число $R$, такое что ряд сходится для всех $|x|<R$ и расходится для всех $|x|>R$. Радиус сходимости можно найти с помощью формулы Коши-Адамара: **Промежуток сходимости** степенного ряда — это интервал $(-R,R)$, включая возможные точки сходимости на границах интервала. Внутри промежутка сходимости ряд сходится абсолютно, а на границах сходимость ряда может зависеть от значений коэффициентов $a_n$.
$R=\frac{1}{\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|a_n|}}$
## Интервал сходимости
Интервал сходимости степенного ряда — это интервал $(-R,R)$, где $R$ — радиус сходимости. Внутри этого интервала ряд сходится абсолютно.
## Промежуток сходимости
Промежуток сходимости степенного ряда — это интервал $(-R,R)$, включая возможные точки сходимости на границах интервала. Внутри промежутка сходимости ряд сходится абсолютно, а на границах сходимость ряда может зависеть от значений коэффициентов $a_n$.
## Первая теорема Абеля ## Первая теорема Абеля
Первая теорема Абеля утверждает, что если степенной ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ сходится в точке $x=R$ (где $R$ — радиус сходимости), то он [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/11#^392550|сходится равномерно]] на интервале $[0,R]$.
Первая теорема Абеля утверждает, что если степенной ряд $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ сходится в точке $x=R$ (где $R$ — радиус сходимости), то он сходится равномерно на интервале $[0,R]$. ### Формулировка
Пусть степенной ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ *сходится* в точке $x=R$. Тогда ряд *сходится равномерно* на интервале $[0,R]$.
### Формулировка первой теоремы Абеля
Пусть степенной ряд $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ сходится в точке $x=R$. Тогда ряд сходится равномерно на интервале $[0,R]$.
### Доказательство ### Доказательство
Рассмотрим частичные суммы ряда $S_n(x) = \sum\limits_{k=0}^n a_kx^k$. Поскольку ряд сходится в точке $x=R$, то для любого $\varepsilon > 0$ существует такое число $N(\varepsilon)$, что для всех $n \geq N(\varepsilon)$ выполняется $|S(R)-S_n(R)| < \varepsilon$
Рассмотрим частичные суммы ряда $S_n(x)=\sum_{k=0}^{n}a_kx^k$. Поскольку ряд сходится в точке $x=R$, то для любого $\epsilon>0$ существует такое число $N(\epsilon)$, что для всех $n\geq N(\epsilon)$ выполняется: Теперь рассмотрим разность частичных сумм $S_m(x)-S_n(x)$ для $m>n$: $|S_m(x)-S_n(x)| = \left| \sum\limits_{k=n+1}^m a_kx^k \right| \leq \sum\limits_{k=n+1}^m |a_kx^k| \leq \sum\limits_{k=n+1}^m |a_kR^k|$
$|S(R)-S_n(R)|<\epsilon$
Теперь рассмотрим разность частичных сумм $S_m(x)-S_n(x)$ для $m>n$: Поскольку ряд сходится в точке $x=R$, то и разность $\sum\limits_{k=n+1}^{m}|a_kR^k|$ ограничена. Следовательно, последовательность $S_n(x)$ является фундаментальной (последовательность Коши), а значит, равномерно сходится на интервале $[0,R]$.
$|S_m(x)-S_n(x)|=|\sum_{k=n+1}^{m}a_kx^k|\leq\sum_{k=n+1}^{m}|a_kx^k|\leq\sum_{k=n+1}^{m}|a_kR^k|$
Поскольку ряд сходится в точке $x=R$, то и разность $\sum_{k=n+1}^{m}|a_kR^k|$ ограничена. Следовательно, последовательность $S_n(x)$ является фундаментальной (последовательность Коши), а значит, равномерно сходится на интервале $[0,R]$. ### Примеры
1. $\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$
Найдем радиус сходимости:
$R = \frac 1 {\lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{\left| \frac 1 {n!} \right|}} = \infty$
Таким образом, ряд сходится для всех $x \in \mathbb{R}$.
## Примеры 1. $\sum\limits_{n=0}^\infty x^n$
Найдем радиус сходимости:
1. **Ряд $\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$**: $R = \frac 1 {\lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{|1|}} = 1$
Рассмотрим ряд $\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$.
Таким образом, ряд сходится для всех $|x|<1$ и расходится для всех $|x|>1$.
Найдем радиус сходимости:
$R=\frac{1}{\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|\frac{1}{n!}|}}=\infty$
Таким образом, ряд сходится для всех $x\in\mathbb{R}$.
2. **Ряд $\sum_{n=0}^{\infty}x^n$**:
Рассмотрим ряд $\sum_{n=0}^{\infty}x^n$.
Найдем радиус сходимости:
$R=\frac{1}{\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|1|}}=1$
Таким образом, ряд сходится для всех $|x|<1$ и расходится для всех $|x|>1$.
@@ -2,60 +2,49 @@
## Теорема об абсолютной и равномерной сходимости степенного ряда ## Теорема об абсолютной и равномерной сходимости степенного ряда
### Формулировка теоремы ### Формулировка
Пусть $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ — [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/14#^e4c1fc|степенной ряд]] с [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/14#^92c7d3|радиусом сходимости]] $R$. Тогда:
Пусть $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ — степенной ряд с радиусом сходимости $R$. Тогда: 1. Ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ абсолютно сходится для всех $|x|<R$.
1. Ряд $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ абсолютно сходится для всех $|x|<R$. 2. Ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ равномерно сходится на любом замкнутом интервале $[a,b]\subset(-R,R)$.
2. Ряд $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ равномерно сходится на любом замкнутом интервале $[a,b]\subset(-R,R)$.
### Доказательство ### Доказательство
1. **Абсолютная сходимость**: 1. **Абсолютная сходимость**:
Рассмотрим ряд $\sum_{n=0}^{\infty}|a_nx^n|$. Поскольку $|x|<R$, то $|a_nx^n|\leq|a_n|R^n$. Ряд $\sum_{n=0}^{\infty}|a_n|R^n$ сходится, так как $R$ — радиус сходимости. Следовательно, ряд $\sum_{n=0}^{\infty}|a_nx^n|$ сходится, что означает абсолютную сходимость ряда $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ для всех $|x|<R$. Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty |a_nx^n|$. Поскольку $|x|<R$, то $|a_nx^n| \leq |a_n|R^n$. Ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty |a_n|R^n$ сходится, так как $R$ — радиус сходимости. Следовательно, ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty |a_nx^n|$ сходится, что означает абсолютную сходимость ряда $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ для всех $|x|<R$.
2. **Равномерная сходимость**: 2. **Равномерная сходимость**:
Пусть $[a,b]\subset(-R,R)$. Тогда существует такое $r<R$, что $[a,b]\subset[-r,r]$. Рассмотрим ряд $\sum_{n=0}^{\infty}|a_n|r^n$. Поскольку $r<R$, то ряд $\sum_{n=0}^{\infty}|a_n|r^n$ сходится. Следовательно, ряд $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ равномерно сходится на $[a,b]$ по признаку Вейерштрасса. Пусть $[a,b]\subset(-R,R)$. Тогда существует такое $r<R$, что $[a,b] \subset [-r,r]$. Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty |a_n|r^n$. Поскольку $r<R$, то ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty |a_n|r^n$ сходится. Следовательно, ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ равномерно сходится на $[a,b]$ по [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/12#Признак Вейерштрасса|признаку Вейерштрасса]].
## Непрерывность суммы степенного ряда ## Непрерывность суммы степенного ряда
Если степенной ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ сходится на интервале $(-R,R)$, то его сумма $S(x) = \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ непрерывна на этом интервале.
Если степенной ряд $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ сходится на интервале $(-R,R)$, то его сумма $S(x)=\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ непрерывна на этом интервале.
### Доказательство ### Доказательство
Поскольку ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ равномерно сходится на любом замкнутом интервале $[a,b]\subset(-R,R)$, то его сумма $S(x)$ непрерывна на $(-R,R)$ как равномерный предел непрерывных функций.
Поскольку ряд $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ равномерно сходится на любом замкнутом интервале $[a,b]\subset(-R,R)$, то его сумма $S(x)$ непрерывна на $(-R,R)$ как равномерный предел непрерывных функций.
## Вторая теорема Абеля ## Вторая теорема Абеля
Вторая теорема Абеля утверждает, что если степенной ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ сходится в точке $x=R$ (где $R$ — радиус сходимости), то он сходится равномерно на интервале $[0,R]$.
Вторая теорема Абеля утверждает, что если степенной ряд $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ сходится в точке $x=R$ (где $R$ — радиус сходимости), то он сходится равномерно на интервале $[0,R]$. ### Формулировка
Пусть степенной ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ сходится в точке $x=R$. Тогда ряд сходится равномерно на интервале $[0,R]$.
### Формулировка второй теоремы Абеля
Пусть степенной ряд $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ сходится в точке $x=R$. Тогда ряд сходится равномерно на интервале $[0,R]$.
### Доказательство ### Доказательство
Рассмотрим частичные суммы ряда $S_n(x) = \sum\limits_{k=0}^n a_kx^k$. Поскольку ряд сходится в точке $x=R$, то для любого $\varepsilon > 0$ существует такое число $N(\varepsilon)$, что для всех $n \geq N(\varepsilon)$ выполняется:
$|S(R)-S_n(R)| < \varepsilon$
Рассмотрим частичные суммы ряда $S_n(x)=\sum_{k=0}^{n}a_kx^k$. Поскольку ряд сходится в точке $x=R$, то для любого $\epsilon>0$ существует такое число $N(\epsilon)$, что для всех $n\geq N(\epsilon)$ выполняется: Теперь рассмотрим разность частичных сумм $S_m(x) - S_n(x)$ для $m > n$:
$|S(R)-S_n(R)|<\epsilon$ $|S_m(x)-S_n(x)| = \left| \sum\limits_{k=n+1}^m a_kx^k \right| \leq \sum\limits_{k=n+1}^m \left| a_kx^k \right| \leq \sum\limits_{k=n+1}^m \left| a_kR^k \right|$
Теперь рассмотрим разность частичных сумм $S_m(x)-S_n(x)$ для $m>n$: Поскольку ряд сходится в точке $x=R$, то и разность $\sum\limits_{k=n+1}^m \left| a_kR^k \right|$ ограничена. Следовательно, последовательность $S_n(x)$ является фундаментальной (последовательность Коши), а значит, равномерно сходится на интервале $[0,R]$.
$|S_m(x)-S_n(x)|=|\sum_{k=n+1}^{m}a_kx^k|\leq\sum_{k=n+1}^{m}|a_kx^k|\leq\sum_{k=n+1}^{m}|a_kR^k|$
Поскольку ряд сходится в точке $x=R$, то и разность $\sum_{k=n+1}^{m}|a_kR^k|$ ограничена. Следовательно, последовательность $S_n(x)$ является фундаментальной (последовательность Коши), а значит, равномерно сходится на интервале $[0,R]$.
## Примеры ## Примеры
1. **Ряд $\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$**: 1. $\sum\limits_{n=0}^\infty \frac {x^n} {n!}$
Рассмотрим ряд $\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$. Найдем радиус сходимости:
$R = \frac 1 {\lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{\left| \frac 1 {n!} \right|}} = \infty$
Таким образом, ряд сходится для всех $x\in\mathbb{R}$. Поскольку ряд сходится абсолютно и равномерно на любом замкнутом интервале, его сумма $S(x) = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!}$ непрерывна на всей числовой прямой.
Найдем радиус сходимости: 1. $\sum\limits_{n=0}^\infty x^n$
$R=\frac{1}{\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|\frac{1}{n!}|}}=\infty$ Найдем радиус сходимости:
$R = \frac 1 {\lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{|1|}} = 1$
Таким образом, ряд сходится для всех $x\in\mathbb{R}$. Поскольку ряд сходится абсолютно и равномерно на любом замкнутом интервале, его сумма $S(x)=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$ непрерывна на всей числовой прямой.
Таким образом, ряд сходится для всех $|x| < 1$ и расходится для всех $|x| > 1$. Поскольку ряд сходится абсолютно и равномерно на любом замкнутом интервале $[a,b] \subset (-1,1)$, его сумма $S(x) = \sum\limits_{n=0}^\infty x^n$ непрерывна на интервале $(-1,1)$.
2. **Ряд $\sum_{n=0}^{\infty}x^n$**:
Рассмотрим ряд $\sum_{n=0}^{\infty}x^n$.
Найдем радиус сходимости:
$R=\frac{1}{\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|1|}}=1$
Таким образом, ряд сходится для всех $|x|<1$ и расходится для всех $|x|>1$. Поскольку ряд сходится абсолютно и равномерно на любом замкнутом интервале $[a,b]\subset(-1,1)$, его сумма $S(x)=\sum_{n=0}^{\infty}x^n$ непрерывна на интервале $(-1,1)$.
@@ -1,47 +1,34 @@
# Формулы для вычисления радиуса сходимости степенного ряда # Формулы для вычисления радиуса сходимости степенного ряда
## Введение ## Введение
**Степенной ряд** — это ряд вида $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$, где $a_n$ — коэффициенты, а $x$ — переменная. Радиус сходимости степенного ряда — это число $R$, такое что ряд сходится для всех $|x|<R$ и расходится для всех $|x|>R$.
Степенной ряд — это ряд вида $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$, где $a_n$ — коэффициенты, а $x$ — переменная. Радиус сходимости степенного ряда — это число $R$, такое что ряд сходится для всех $|x|<R$ и расходится для всех $|x|>R$.
## Формула Коши-Адамара ## Формула Коши-Адамара
Формула Коши-Адамара позволяет найти [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/14#^e4c1fc|радиус сходимости]] степенного ряда $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ с помощью предела: $R = \frac 1 {\lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{|a_n|}}$
Формула Коши-Адамара позволяет найти радиус сходимости степенного ряда $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ с помощью предела:
$R=\frac{1}{\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|a_n|}}$
### Пример ### Пример
Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!}$.
Рассмотрим ряд $\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$. Найдем радиус сходимости: $R = \frac 1 {\lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{\left| \frac 1 {n!} \right|}} = \infty$
Найдем радиус сходимости:
$R=\frac{1}{\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|\frac{1}{n!}|}}=\infty$
Таким образом, ряд сходится для всех $x\in\mathbb{R}$. Таким образом, ряд сходится для всех $x\in\mathbb{R}$.
## Формула Даламбера ## Формула Даламбера
Формула Даламбера позволяет найти радиус сходимости степенного ряда $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ с помощью предела: $R = \lim\limits_{n\to\infty} \left| \frac{a_n}{a_{n+1}} \right|$
Формула Даламбера позволяет найти радиус сходимости степенного ряда $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ с помощью предела:
$R=\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|$
### Пример ### Пример
Рассмотрим ряд $\sum_{n=0}^\infty n!x^n$.
Рассмотрим ряд $\sum_{n=0}^{\infty}n!x^n$. Найдем радиус сходимости: $R = \lim\limits_{n\to\infty} \left| \frac{n!}{(n+1)!} \right| = \lim\limits_{n\to\infty} \left| \frac 1 {n+1} \right| = 0$
Найдем радиус сходимости:
$R=\lim_{n\to\infty}\left|\frac{n!}{(n+1)!}\right|=\lim_{n\to\infty}\left|\frac{1}{n+1}\right|=0$
Таким образом, ряд сходится только в точке $x=0$. Таким образом, ряд сходится только в точке $x=0$.
## Формула Коши ## Формула Коши
Формула Коши позволяет найти радиус сходимости степенного ряда $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ с помощью предела: $R = \lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{|a_n|}$
Формула Коши позволяет найти радиус сходимости степенного ряда $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ с помощью предела:
$R=\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{|a_n|}$
### Пример ### Пример
Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty x^n$.
Рассмотрим ряд $\sum_{n=0}^{\infty}x^n$. Найдем радиус сходимости: $R = \lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{|1|} = 1$
Найдем радиус сходимости: Таким образом, ряд сходится для всех $|x|<1$ и расходится для всех $|x|>1$.
$R=\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{|1|}=1$
Таким образом, ряд сходится для всех $|x|<1$ и расходится для всех $|x|>1$.
@@ -3,43 +3,58 @@
## Почленное интегрирование степенных рядов ## Почленное интегрирование степенных рядов
### Теорема о почленном интегрировании ### Теорема о почленном интегрировании
Пусть степенной ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ сходится на интервале $(-R,R)$. Тогда ряд можно интегрировать почленно на любом замкнутом интервале $[a,b]\subset(-R,R)$:
Пусть степенной ряд $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ сходится на интервале $(-R,R)$. Тогда ряд можно интегрировать почленно на любом замкнутом интервале $[a,b]\subset(-R,R)$: $\int\limits_a^b \left( \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n \right) dx = \sum\limits_{n=0}^\infty \int\limits_a^b a_nx^ndx$
$\int_{a}^{b}\left(\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n\right)dx=\sum_{n=0}^{\infty}\int_{a}^{b}a_nx^ndx$
### Доказательство ### Доказательство
Поскольку ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ равномерно сходится на любом замкнутом интервале $[a,b]\subset(-R,R)$, то можно почленно интегрировать ряд:
Поскольку ряд $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ равномерно сходится на любом замкнутом интервале $[a,b]\subset(-R,R)$, то можно почленно интегрировать ряд: $$
$\int_{a}^{b}\left(\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n\right)dx=\int_{a}^{b}\lim_{N\to\infty}\sum_{n=0}^{N}a_nx^ndx=\lim_{N\to\infty}\int_{a}^{b}\sum_{n=0}^{N}a_nx^ndx=\lim_{N\to\infty}\sum_{n=0}^{N}\int_{a}^{b}a_nx^ndx=\sum_{n=0}^{\infty}\int_{a}^{b}a_nx^ndx$ \int_a^b \left( \sum_{n=0}^\infty a_nx^n \right) dx =
\int_a^b \lim_{N\to\infty} \sum_{n=0}^N a_nx^ndx = \lim_{N\to\infty} \int_a^b \sum_{n=0}^N a_nx^ndx =
\lim_{N\to\infty} \sum_{n=0}^N \int_a^b a_nx^ndx =
\sum_{n=0}^\infty \int_a^b a_nx^ndx
$$
### Пример ### Пример
Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!}$.
Рассмотрим ряд $\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$. Найдем радиус сходимости: $R = \frac 1 {\lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{\left| \frac 1 {n!} \right|}} = \infty$
Найдем радиус сходимости:
$R=\frac{1}{\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|\frac{1}{n!}|}}=\infty$
Таким образом, ряд сходится для всех $x\in\mathbb{R}$. Почленно интегрируем ряд на интервале $[0,1]$: Таким образом, ряд сходится для всех $x\in\mathbb{R}$. Почленно интегрируем ряд на интервале $[0,1]$:
$\int_{0}^{1}\left(\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}\right)dx=\sum_{n=0}^{\infty}\int_{0}^{1}\frac{x^n}{n!}dx=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{n!}\int_{0}^{1}x^ndx=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{n!}\left[\frac{x^{n+1}}{n+1}\right]_{0}^{1}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{n!(n+1)}=e-1$ $$
\int_0^1 \left( \sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} \right) dx =
\sum_{n=0}^\infty \int_0^1 \frac{x^n}{n!}dx =
\sum_{n=0}^\infty \frac 1 {n!} \int_0^1 x^ndx =
\sum_{n=0}^\infty \frac 1 {n!} \left[ \frac{x^{n+1}}{n+1} \right]_0^1 = \sum_{n=0}^\infty \frac 1 {n!(n+1)} =
e-1
$$
## Почленное дифференцирование степенных рядов ## Почленное дифференцирование степенных рядов
### Теорема о почленном дифференцировании ### Теорема о почленном дифференцировании
Пусть степенной ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ сходится на интервале $(-R,R)$. Тогда ряд можно дифференцировать почленно на этом интервале:
Пусть степенной ряд $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ сходится на интервале $(-R,R)$. Тогда ряд можно дифференцировать почленно на этом интервале: $\left( \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n \right)' = \sum\limits_{n=0}^\infty \left( a_nx^n \right)' = \sum\limits_{n=1}^\infty na_nx^{n-1}$
$\left(\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n\right)'=\sum_{n=0}^{\infty}\left(a_nx^n\right)'=\sum_{n=1}^{\infty}na_nx^{n-1}$
### Доказательство ### Доказательство
Поскольку ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n$ равномерно сходится на любом замкнутом интервале $[a,b]\subset(-R,R)$, то можно почленно дифференцировать ряд:
Поскольку ряд $\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$ равномерно сходится на любом замкнутом интервале $[a,b]\subset(-R,R)$, то можно почленно дифференцировать ряд: $$
$\left(\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n\right)'=\lim_{N\to\infty}\left(\sum_{n=0}^{N}a_nx^n\right)'=\lim_{N\to\infty}\sum_{n=0}^{N}\left(a_nx^n\right)'=\lim_{N\to\infty}\sum_{n=1}^{N}na_nx^{n-1}=\sum_{n=1}^{\infty}na_nx^{n-1}$ \left( \sum_{n=0}^\infty a_nx^n \right)' =
\lim_{N\to\infty} \left( \sum_{n=0}^N a_nx^n \right)' =
\lim_{N\to\infty} \sum_{n=0}^N \left( a_nx^n \right)' =
\lim_{N\to\infty} \sum_{n=1}^N na_nx^{n-1} =
\sum_{n=1}^\infty na_nx^{n-1}
$$
### Пример ### Пример
Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!}$.
Рассмотрим ряд $\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$. Найдем радиус сходимости: $R = \frac 1 {\lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{\left| \frac 1 {n!} \right|}} = \infty$
Найдем радиус сходимости:
$R=\frac{1}{\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|\frac{1}{n!}|}}=\infty$
Таким образом, ряд сходится для всех $x\in\mathbb{R}$. Почленно дифференцируем ряд: Таким образом, ряд сходится для всех $x\in\mathbb{R}$. Почленно дифференцируем ряд:
$\left(\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}\right)'=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{nx^{n-1}}{n!}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{x^{n-1}}{(n-1)!}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}=e^x$ $$
\left( \sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} \right)' =
\sum_{n=1}^\infty \frac{nx^{n-1}}{n!} =
\sum_{n=1}^\infty \frac{x^{n-1}}{(n-1)!} =
\sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} =
e^x
$$
@@ -1,61 +1,45 @@
# Разложение функций в степенные ряды. Ряды Тейлора и Маклорена. Достаточное условие разложимости функции в ряд Тейлора. # Разложение функций в степенные ряды. Ряды Тейлора и Маклорена. Достаточное условие разложимости функции в ряд Тейлора.
## Разложение функций в степенные ряды ## Разложение функций в степенные ряды
Разложение функции $f(x)$ в степенной ряд в окрестности точки $x_0$ имеет вид: $f(x) = \sum\limits_{n=0}^\infty a_n(x-x_0)^n$
Разложение функции $f(x)$ в степенной ряд в окрестности точки $x_0$ имеет вид:
$f(x)=\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-x_0)^n$
## Ряды Тейлора и Маклорена ## Ряды Тейлора и Маклорена
### Ряд Тейлора ### Ряд Тейлора
Ряд Тейлора функции $f(x)$ в окрестности точки $x_0$ имеет вид: $f(x) = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n$, где $f^{(n)}(x_0)$ — значение $n$-й производной функции $f(x)$ в точке $x_0$.
Ряд Тейлора функции $f(x)$ в окрестности точки $x_0$ имеет вид:
$f(x)=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n$
где $f^{(n)}(x_0)$ — значение $n$-й производной функции $f(x)$ в точке $x_0$.
### Ряд Маклорена ### Ряд Маклорена
Ряд Маклорена — это частный случай ряда Тейлора, когда $x_0=0$: $f(x) = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n$
Ряд Маклорена — это частный случай ряда Тейлора, когда $x_0=0$:
$f(x)=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n$
### Пример ### Пример
Рассмотрим функцию $f(x)=e^x$. Рассмотрим функцию $f(x)=e^x$.
Ряд Маклорена для $f(x)=e^x$: Ряд Маклорена для $f(x)=e^x$: $e^x = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!}$
$e^x=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$
## Достаточное условие разложимости функции в ряд Тейлора ## Достаточное условие разложимости функции в ряд Тейлора
### Теорема ### Теорема
Пусть функция $f(x)$ бесконечно дифференцируема в точке $x_0$, и пусть существует такое число $M$, что для всех $n$ выполняется: $|f^{(n)}(x)| \leq M$
Пусть функция $f(x)$ бесконечно дифференцируема в точке $x_0$, и пусть существует такое число $M$, что для всех $n$ выполняется:
$|f^{(n)}(x)|\leq M$
для всех $x$ в некоторой окрестности точки $x_0$. Тогда функция $f(x)$ разлагается в ряд Тейлора в этой окрестности. для всех $x$ в некоторой окрестности точки $x_0$. Тогда функция $f(x)$ разлагается в ряд Тейлора в этой окрестности.
### Доказательство ### Доказательство
Рассмотрим остаточный член ряда Тейлора: Рассмотрим остаточный член ряда Тейлора:
$R_n(x)=f(x)-\sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(x_0)}{k!}(x-x_0)^k$ $R_n(x) = f(x) - \sum\limits_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(x_0)}{k!} (x-x_0)^k$
По формуле Тейлора с остаточным членом в форме Лагранжа: По формуле Тейлора с остаточным членом в форме Лагранжа:
$R_n(x)=\frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1}$ $R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!} (x-x_0)^{n+1}$, где $\xi$ — некоторая точка между $x_0$ и $x$.
где $\xi$ — некоторая точка между $x_0$ и $x$. Поскольку $|f^{(n+1)}(\xi)| \leq M$, то:
$|R_n(x)| \leq \frac{M}{(n+1)!} |x-x_0|^{n+1}$
Поскольку $|f^{(n+1)}(\xi)|\leq M$, то: Поскольку $\frac M {(n+1)!} |x-x_0|^{n+1} \to 0$ при $n\to\infty$, то $R_n(x)\to0$ при $n\to\infty$. Следовательно, ряд Тейлора сходится к $f(x)$ в окрестности точки $x_0$.
$|R_n(x)|\leq\frac{M}{(n+1)!}|x-x_0|^{n+1}$
Поскольку $\frac{M}{(n+1)!}|x-x_0|^{n+1}\to0$ при $n\to\infty$, то $R_n(x)\to0$ при $n\to\infty$. Следовательно, ряд Тейлора сходится к $f(x)$ в окрестности точки $x_0$.
## Примеры ## Примеры
1. **Функция $f(x)=\sin(x)$**: 1. **Функция $f(x)=\sin(x)$**:
Ряд Маклорена для $f(x)=\sin(x)$: Ряд Маклорена для $f(x)=\sin(x)$:
$\sin(x)=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}$ $\sin(x) = \sum\limits_{n=0}^\infty (-1)^n \frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}$
2. **Функция $f(x)=\cos(x)$**: 2. **Функция $f(x)=\cos(x)$**:
Ряд Маклорена для $f(x)=\cos(x)$: Ряд Маклорена для $f(x)=\cos(x)$:
$\cos(x)=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n}}{(2n)!}$ $\cos(x) = \sum\limits_{n=0}^\infty (-1)^n \frac{x^{2n}}{(2n)!}$
@@ -2,45 +2,36 @@
## Введение ## Введение
Ряд Маклорена — это частный случай ряда Тейлора, когда точка разложения $x_0=0$. Ряд Маклорена для функции $f(x)$ имеет вид: **Ряд Маклорена** — это частный случай [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/18#Ряд Тейлора|ряда Тейлора]], когда точка разложения $x_0=0$. Ряд Маклорена для функции $f(x)$ имеет вид: $f(x) = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{f^{(n)}(0)}{n!} x^n$
$$f(x)=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n$$
## Разложение элементарных функций ## Разложение элементарных функций
### Экспоненциальная функция ### Экспоненциальная функция
Функция $f(x)=e^x$ разлагается в ряд Маклорена следующим образом: Функция $f(x) = e^x$ разлагается в *ряд Маклорена* следующим образом: $e^x = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!}$
$$e^x=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$$
#### Доказательство #### Доказательство
Вычислим производные функции $f(x) = e^x$: $f^{(n)}(x) = e^x$
Вычислим производные функции $f(x)=e^x$: Таким образом, $f^{(n)}(0) = 1$ для всех $n$. Подставим это в формулу *ряда Маклорена*: $e^x = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac 1 {n!} x^n$
$f^{(n)}(x)=e^x$
Таким образом, $f^{(n)}(0)=1$ для всех $n$. Подставим это в формулу ряда Маклорена:
$e^x=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{n!}x^n$
### Синус ### Синус
Функция $f(x) = \sin(x)$ разлагается в *ряд Маклорена* следующим образом:
Функция $f(x)=\sin(x)$ разлагается в ряд Маклорена следующим образом: $$\sin(x) = \sum_{n=0}^\infty (-1)^n \frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}$$
$$\sin(x)=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}$$
#### Доказательство #### Доказательство
Вычислим производные функции $f(x)=\sin(x)$: Вычислим производные функции $f(x)=\sin(x)$:
$f^{(2n)}(x)=(-1)^n\sin(x)$ $f^{(2n)}(x) = (-1)^n \sin(x)$
$f^{(2n+1)}(x)=(-1)^n\cos(x)$ $f^{(2n+1)}(x) = (-1)^n \cos(x)$
Таким образом, $f^{(2n)}(0)=0$ и $f^{(2n+1)}(0)=(-1)^n$. Подставим это в формулу ряда Маклорена: Таким образом, $f^{(2n)}(0) = 0$ и $f^{(2n+1)}(0) = (-1)^n$. Подставим это в формулу *ряда Маклорена*:
$\sin(x)=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}$ $\sin(x)=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}$
### Косинус ### Косинус
Функция $f(x) = \cos(x)$ разлагается в *ряд Маклорена* следующим образом:
Функция $f(x)=\cos(x)$ разлагается в ряд Маклорена следующим образом: $$\cos(x) = \sum_{n=0}^\infty (-1)^n \frac{x^{2n}}{(2n)!}$$
$$\cos(x)=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n}}{(2n)!}$$
#### Доказательство #### Доказательство
Вычислим производные функции $f(x)=\cos(x)$: Вычислим производные функции $f(x)=\cos(x)$:
$f^{(2n)}(x)=(-1)^n\cos(x)$ $f^{(2n)}(x)=(-1)^n\cos(x)$
$f^{(2n+1)}(x)=(-1)^n\sin(x)$ $f^{(2n+1)}(x)=(-1)^n\sin(x)$
@@ -49,14 +40,12 @@ $f^{(2n+1)}(x)=(-1)^n\sin(x)$
$\cos(x)=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n}}{(2n)!}$ $\cos(x)=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n}}{(2n)!}$
### Логарифм ### Логарифм
Функция $f(x) = \ln(1+x)$ разлагается в *ряд Маклорена* следующим образом:
Функция $f(x)=\ln(1+x)$ разлагается в ряд Маклорена следующим образом: $$\ln(1+x) = \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n+1} \frac{x^n} n$$
$$\ln(1+x)=\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{x^n}{n}$$
#### Доказательство #### Доказательство
Вычислим производные функции $f(x) = \ln(1+x)$:
$f^{(n)}(x) = (-1)^{n+1}(n-1)! (1+x)^{-n}$
Вычислим производные функции $f(x)=\ln(1+x)$: Таким образом, $f^{(n)}(0) = (-1)^{n+1} (n-1)!$. Подставим это в формулу *ряда Маклорена*:
$f^{(n)}(x)=(-1)^{n+1}(n-1)!(1+x)^{-n}$ $\ln(1+x) = \sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n+1} \frac{x^n} n$
Таким образом, $f^{(n)}(0)=(-1)^{n+1}(n-1)!$. Подставим это в формулу ряда Маклорена:
$\ln(1+x)=\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{x^n}{n}$
@@ -1,54 +1,34 @@
# Гармонический и обобщенный гармонический ряды и их сходимость # Гармонический и обобщенный гармонический ряды и их сходимость
## Гармонический ряд ## Гармонический ряд
**Гармонический ряд** — это бесконечная сумма чисел, представленная в виде: $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 n$ ^ab323a
Гармонический ряд — это бесконечная сумма чисел, представленная в виде:
$\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$
### Сходимость гармонического ряда ### Сходимость гармонического ряда
Гармонический ряд *расходится*. Это можно доказать, используя признак сравнения или интегральный признак. ^e432ca
Гармонический ряд расходится. Это можно доказать, используя признак сравнения или интегральный признак. Например, рассмотрим частичные суммы гармонического ряда: Например, рассмотрим частичные суммы гармонического ряда: $S_n = \sum\limits_{k=1}^n \frac 1 k$
$S_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}$ Для больших значений $n$, частичные суммы $S_n$ можно аппроксимировать как $S_n \approx \ln(n) + \gamma$, где $\gamma$ — постоянная Эйлера-Маскерони.
Для больших значений $n$, частичные суммы $S_n$ можно аппроксимировать как:
$S_n \approx \ln(n) + \gamma$
где $\gamma$ — постоянная Эйлера-Маскерони.
Поскольку $\ln(n) \to \infty$ при $n \to \infty$, то и $S_n \to \infty$, что означает расходимость гармонического ряда. Поскольку $\ln(n) \to \infty$ при $n \to \infty$, то и $S_n \to \infty$, что означает расходимость гармонического ряда.
## Обобщенный гармонический ряд ## Обобщенный гармонический ряд
**Обобщенный гармонический ряд** имеет вид $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n^p}$, где $p$ — положительное число. ^e8e233
Обобщенный гармонический ряд имеет вид:
$\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}$
где $p$ — положительное число.
### Сходимость обобщенного гармонического ряда ### Сходимость обобщенного гармонического ряда
Сходимость обобщенного гармонического ряда зависит от значения $p$: Сходимость обобщенного гармонического ряда зависит от значения $p$:
- Если $p > 1$, то ряд сходится. - Если $p > 1$, то ряд сходится. ^5262f4
- Если $p \leq 1$, то ряд расходится. - Если $p \leq 1$, то ряд расходится.
Это можно доказать, используя интегральный признак. Рассмотрим интеграл: Это можно доказать, используя интегральный признак. Рассмотрим интеграл $\int\limits_1^\infty \frac 1 {x^p} dx$
$\int_{1}^{\infty} \frac{1}{x^p} dx$ - Для $p > 1$:
$\int\limits_1^\infty \frac 1 {x^p} dx = \left[ \frac{x^{1-p}}{1-p} \right]_1^\infty = \frac 1 {p-1}$
Для $p > 1$: - Для $p \leq 1$:
$\int_{1}^{\infty} \frac{1}{x^p} dx = \left[ \frac{x^{1-p}}{1-p} \right]_{1}^{\infty} = \frac{1}{p-1}$ $\int\limits_1^\infty \frac 1 {x^p} dx$ *расходится*.
Для $p \leq 1$:
$\int_{1}^{\infty} \frac{1}{x^p} dx$ расходится.
Таким образом, обобщенный гармонический ряд сходится при $p > 1$ и расходится при $p \leq 1$. Таким образом, обобщенный гармонический ряд сходится при $p > 1$ и расходится при $p \leq 1$.
## Примеры ## Примеры
1. **Гармонический ряд**: 1. **Гармонический ряд**:
$\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$ $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$ *расходится*
Расходится.
2. **Обобщенный гармонический ряд с $p = 2$**: 2. **Обобщенный гармонический ряд с $p = 2$**:
$\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}$ $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}$ *сходится*, так как $p = 2 > 1$.
Сходится, так как $p = 2 > 1$.
3. **Обобщенный гармонический ряд с $p = \frac{1}{2}$**: 3. **Обобщенный гармонический ряд с $p = \frac{1}{2}$**:
$\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{1/2}}$ $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{1/2}}$ *расходится*, так как $p = \frac{1}{2} \leq 1$.
Расходится, так как $p = \frac{1}{2} \leq 1$.
@@ -1,60 +1,47 @@
# Тригонометрический ряд Фурье. Коэффициенты Фурье. Достаточное условие разложимости $2\pi$-периодической функции в ряд Фурье. # Тригонометрический ряд Фурье. Коэффициенты Фурье. Достаточное условие разложимости $2\pi$-периодической функции в ряд Фурье.
## Введение ## Введение
Тригонометрический **ряд Фурье** — это разложение периодической функции в сумму синусоидальных и косинусоидальных функций.
Тригонометрический ряд Фурье — это разложение периодической функции в сумму синусоидальных и косинусоидальных функций.
## Тригонометрический ряд Фурье ## Тригонометрический ряд Фурье
Тригонометрический ряд Фурье для $2\pi$-периодической функции $f(x)$ имеет вид: $f(x) = \frac{a_0} 2 + \sum\limits_{n=1}^\infty (a_n \cos(nx) + b_n \sin(nx))$, где $a_n$ и $b_n$ — коэффициенты Фурье.
Тригонометрический ряд Фурье для $2\pi$-периодической функции $f(x)$ имеет вид:
$f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}(a_n\cos(nx)+b_n\sin(nx))$
где $a_n$ и $b_n$ — коэффициенты Фурье.
## Коэффициенты Фурье ## Коэффициенты Фурье
Коэффициенты Фурье $a_n$ и $b_n$ определяются следующими формулами: Коэффициенты Фурье $a_n$ и $b_n$ определяются следующими формулами:
$a_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\cos(nx)dx$ $a_n = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi f(x) \cos(nx)dx$
$b_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\sin(nx)dx$ $b_n = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi f(x) \sin(nx)dx$
### Пример ### Пример
Рассмотрим функцию $f(x)=x$ на интервале $[-\pi,\pi]$. Рассмотрим функцию $f(x)=x$ на интервале $[-\pi,\pi]$.
Вычислим коэффициенты Фурье: Вычислим коэффициенты Фурье:
$a_0=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}xdx=0$ $a_0 = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi x dx = 0$
$a_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}x\cos(nx)dx=0$ $a_n = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi x \cos(nx) dx = 0$
$b_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}x\sin(nx)dx=\frac{2(-1)^{n+1}}{n}$ $b_n = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi x \sin(nx) dx = \frac {2(-1)^{n+1}} n$
Таким образом, ряд Фурье для функции $f(x)=x$ имеет вид: Таким образом, ряд Фурье для функции $f(x)=x$ имеет вид: $f(x) = 2 \sum\limits_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n+1}} n \sin(nx)$
$f(x)=2\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n+1}}{n}\sin(nx)$
## Достаточное условие разложимости в ряд Фурье ## Достаточное условие разложимости в ряд Фурье
### Теорема ### Теорема
Пусть $f(x)$ — $2\pi$-периодическая функция, которая является кусочно-непрерывной и кусочно-гладкой на интервале $[-\pi,\pi]$. Тогда $f(x)$ разлагается в ряд Фурье, который сходится к $f(x)$ в каждой точке непрерывности и к среднему значению односторонних пределов в точках разрыва. Пусть $f(x)$ — $2\pi$-периодическая функция, которая является кусочно-непрерывной и кусочно-гладкой на интервале $[-\pi,\pi]$. Тогда $f(x)$ разлагается в ряд Фурье, который сходится к $f(x)$ в каждой точке непрерывности и к среднему значению односторонних пределов в точках разрыва.
### Доказательство ### Доказательство
Доказательство этой теоремы основано на теореме Дирихле о сходимости ряда Фурье. Теорема Дирихле утверждает, что если функция $f(x)$ кусочно-непрерывна и кусочно-гладкая на интервале $[-\pi,\pi]$, то её ряд Фурье сходится к $f(x)$ в каждой точке непрерывности и к среднему значению односторонних пределов в точках разрыва. Доказательство этой теоремы основано на теореме Дирихле о сходимости ряда Фурье. Теорема Дирихле утверждает, что если функция $f(x)$ кусочно-непрерывна и кусочно-гладкая на интервале $[-\pi,\pi]$, то её ряд Фурье сходится к $f(x)$ в каждой точке непрерывности и к среднему значению односторонних пределов в точках разрыва.
## Примеры ## Примеры
1. **Функция $f(x)=|x|$ на интервале $[-\pi,\pi]$**: 1. **Функция $f(x)=|x|$ на интервале $[-\pi,\pi]$**:
Вычислим коэффициенты Фурье: Вычислим коэффициенты Фурье:
$a_0=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}|x|dx=\pi$ $a_0 = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi |x| dx = \pi$
$a_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}|x|\cos(nx)dx=\frac{2(1-(-1)^n)}{\pi n^2}$ $a_n = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi |x| \cos(nx) dx = \frac{2(1-(-1)^n)}{\pi n^2}$
$b_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}|x|\sin(nx)dx=0$ $b_n = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi |x| \sin(nx) dx = 0$
Таким образом, ряд Фурье для функции $f(x)=|x|$ имеет вид: Таким образом, ряд Фурье для функции $f(x)=|x|$ имеет вид: $f(x) = \frac \pi 2 + \frac 2 \pi \sum\limits_{n=1}^\infty \frac{1-(-1)^n}{n^2} \cos(nx)$
$f(x)=\frac{\pi}{2}+\frac{2}{\pi}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1-(-1)^n}{n^2}\cos(nx)$
2. **Функция $f(x)=x^2$ на интервале $[-\pi,\pi]$**: 2. **Функция $f(x)=x^2$ на интервале $[-\pi,\pi]$**:
Вычислим коэффициенты Фурье: Вычислим коэффициенты Фурье:
$a_0=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}x^2dx=\frac{2\pi^2}{3}$ $a_0 = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi x^2 dx = \frac{2\pi^2} 3$
$a_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}x^2\cos(nx)dx=\frac{4(-1)^n}{n^2}$ $a_n = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi x^2 \cos(nx) dx = \frac{4(-1)^n}{n^2}$
$b_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}x^2\sin(nx)dx=0$ $b_n = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi x^2 \sin(nx) dx = 0$
Таким образом, ряд Фурье для функции $f(x)=x^2$ имеет вид: Таким образом, ряд Фурье для функции $f(x)=x^2$ имеет вид: $f(x) = \frac{\pi^2} 3 + 4 \sum\limits_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n}{n^2} \cos(nx)$
$f(x)=\frac{\pi^2}{3}+4\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n^2}\cos(nx)$
@@ -1,10 +1,8 @@
# Разложение в ряд Фурье четных и нечетных функций # Разложение в ряд Фурье четных и нечетных функций
## Введение ## Введение
**Ряд Фурье** позволяет разложить периодическую функцию в сумму синусоидальных и косинусоидальных функций.
Ряд Фурье позволяет разложить периодическую функцию в сумму синусоидальных и косинусоидальных функций.
## Четные функции ## Четные функции
Четная функция $f(x)$ удовлетворяет условию $f(x)=f(-x)$. Ряд Фурье для четной функции содержит только косинусоидальные члены: Четная функция $f(x)$ удовлетворяет условию $f(x)=f(-x)$. Ряд Фурье для четной функции содержит только косинусоидальные члены:
$f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}a_n\cos(nx)$ $f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}a_n\cos(nx)$
@@ -13,30 +11,22 @@ $a_0=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)dx$
$a_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\cos(nx)dx$ $a_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\cos(nx)dx$
### Пример ### Пример
Рассмотрим четную функцию $f(x)=|x|$ на интервале $[-\pi,\pi]$. Рассмотрим четную функцию $f(x)=|x|$ на интервале $[-\pi,\pi]$.
Вычислим коэффициенты Фурье: Вычислим коэффициенты Фурье:
$a_0=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}|x|dx=\pi$ $a_0 = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi |x| dx = \pi$
$a_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}|x|\cos(nx)dx=\frac{2(1-(-1)^n)}{\pi n^2}$ $a_n = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi |x| \cos(nx) dx = \frac{2(1-(-1)^n)}{\pi n^2}$
Таким образом, ряд Фурье для функции $f(x)=|x|$ имеет вид: Таким образом, ряд Фурье для функции $f(x)=|x|$ имеет вид: $f(x) = \frac \pi 2 + \frac 2 \pi \sum\limits_{n=1}^\infty \frac{1-(-1)^n}{n^2} \cos(nx)$
$f(x)=\frac{\pi}{2}+\frac{2}{\pi}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1-(-1)^n}{n^2}\cos(nx)$
## Нечетные функции ## Нечетные функции
Нечетная функция $f(x)$ удовлетворяет условию $f(x) = -f(-x)$. Ряд Фурье для нечетной функции содержит только синусоидальные члены: $f(x) = \sum\limits_{n=1}^\infty b_n \sin(nx)$
Нечетная функция $f(x)$ удовлетворяет условию $f(x)=-f(-x)$. Ряд Фурье для нечетной функции содержит только синусоидальные члены: где коэффициенты $b_n$ определяются следующими формулами: $b_n = \frac 1 \pi \int_{-\pi}^\pi f(x) \sin(nx) dx$
$f(x)=\sum_{n=1}^{\infty}b_n\sin(nx)$
где коэффициенты $b_n$ определяются следующими формулами:
$b_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\sin(nx)dx$
### Пример ### Пример
Рассмотрим нечетную функцию $f(x)=x$ на интервале $[-\pi,\pi]$. Рассмотрим нечетную функцию $f(x)=x$ на интервале $[-\pi,\pi]$.
Вычислим коэффициенты Фурье: Вычислим коэффициенты Фурье: $b_n = \frac 1 \pi \int\limits_{-\pi}^\pi x \sin(nx) dx = \frac{2(-1)^{n+1}} n$
$b_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}x\sin(nx)dx=\frac{2(-1)^{n+1}}{n}$
Таким образом, ряд Фурье для функции $f(x)=x$ имеет вид: Таким образом, ряд Фурье для функции $f(x)=x$ имеет вид: $f(x) = 2 \sum\limits_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n+1}} n \sin(nx)$
$f(x)=2\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n+1}}{n}\sin(nx)$
@@ -1,41 +1,32 @@
# Разложение в ряд Фурье функций произвольного периода # Разложение в ряд Фурье функций произвольного периода
## Введение ## Введение
**Ряд Фурье** позволяет разложить периодическую функцию в сумму синусоидальных и косинусоидальных функций.
Ряд Фурье позволяет разложить периодическую функцию в сумму синусоидальных и косинусоидальных функций.
## Разложение функций произвольного периода ## Разложение функций произвольного периода
Пусть $f(x)$ — функция с периодом $T$. Тогда *ряд Фурье* для функции $f(x)$ имеет вид: $f(x) = \frac{a_0} 2 + \sum\limits_{n=1}^\infty \left( a_n\cos \left( \frac{2\pi nx} T \right) + b_n \sin \left( \frac{2\pi nx} T \right) \right)$, где коэффициенты $a_n$ и $b_n$ определяются следующими формулами:
Пусть $f(x)$ — функция с периодом $T$. Тогда ряд Фурье для функции $f(x)$ имеет вид: - $a_0 = \frac 2 T \int\limits_{-T/2}^{T/2} f(x) dx$
$f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}\left(a_n\cos\left(\frac{2\pi nx}{T}\right)+b_n\sin\left(\frac{2\pi nx}{T}\right)\right)$ - $a_n = \frac 2 T \int\limits_{-T/2}^{T/2} f(x) \cos \left( \frac{2\pi nx} T \right) dx$
- $b_n = \frac 2 T \int\limits_{-T/2}^{T/2} f(x) \sin \left( \frac{2\pi nx} T \right) dx$
где коэффициенты $a_n$ и $b_n$ определяются следующими формулами:
$a_0=\frac{2}{T}\int_{-T/2}^{T/2}f(x)dx$
$a_n=\frac{2}{T}\int_{-T/2}^{T/2}f(x)\cos\left(\frac{2\pi nx}{T}\right)dx$
$b_n=\frac{2}{T}\int_{-T/2}^{T/2}f(x)\sin\left(\frac{2\pi nx}{T}\right)dx$
## Примеры ## Примеры
### Пример 1: Функция $f(x)=x$ на интервале $[-L,L]$ ### Пример 1: Функция $f(x)=x$ на интервале $[-L,L]$
Рассмотрим функцию $f(x)=x$ на интервале $[-L,L]$. Период функции $T=2L$. Рассмотрим функцию $f(x)=x$ на интервале $[-L,L]$. Период функции $T=2L$.
Вычислим коэффициенты Фурье: Вычислим *коэффициенты Фурье*:
$a_0=\frac{2}{2L}\int_{-L}^{L}xdx=0$ $a_0 = \frac 2 {2L} \int\limits_{-L}^{L}x dx = 0$
$a_n=\frac{2}{2L}\int_{-L}^{L}x\cos\left(\frac{2\pi nx}{2L}\right)dx=0$ $a_n = \frac 2 {2L} \int\limits_{-L}^L x \cos \left( \frac{2\pi nx}{2L} \right) dx = 0$
$b_n=\frac{2}{2L}\int_{-L}^{L}x\sin\left(\frac{2\pi nx}{2L}\right)dx=\frac{2L(-1)^{n+1}}{\pi n}$ $b_n = \frac 2 {2L} \int\limits_{-L}^L x \sin \left( \frac{2\pi nx}{2L} \right) dx = \frac{2L(-1)^{n+1}}{\pi n}$
Таким образом, ряд Фурье для функции $f(x)=x$ имеет вид: Таким образом, *ряд Фурье* для функции $f(x)=x$ имеет вид: $f(x) = \frac{2L} \pi \sum\limits_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n+1}} n \sin \left( \frac{\pi nx} L \right)$
$f(x)=\frac{2L}{\pi}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n+1}}{n}\sin\left(\frac{\pi nx}{L}\right)$
### Пример 2: Функция $f(x)=|x|$ на интервале $[-L,L]$ ### Пример 2: Функция $f(x)=|x|$ на интервале $[-L,L]$
Рассмотрим функцию $f(x)=|x|$ на интервале $[-L,L]$. Период функции $T=2L$. Рассмотрим функцию $f(x)=|x|$ на интервале $[-L,L]$. Период функции $T=2L$.
Вычислим коэффициенты Фурье: Вычислим *коэффициенты Фурье*:
$a_0=\frac{2}{2L}\int_{-L}^{L}|x|dx=L$ $a_0 = \frac 2 {2L} \int\limits_{-L}^L |x| dx = L$
$a_n=\frac{2}{2L}\int_{-L}^{L}|x|\cos\left(\frac{2\pi nx}{2L}\right)dx=\frac{2L(1-(-1)^n)}{\pi^2n^2}$ $a_n = \frac 2 {2L} \int\limits_{-L}^L |x| \cos \left( \frac{2\pi nx}{2L} \right) dx = \frac{2L(1-(-1)^n)}{\pi^2n^2}$
$b_n=\frac{2}{2L}\int_{-L}^{L}|x|\sin\left(\frac{2\pi nx}{2L}\right)dx=0$ $b_n = \frac 2 {2L} \int\limits_{-L}^L |x| \sin \left( \frac{2\pi nx}{2L} \right) dx = 0$
Таким образом, ряд Фурье для функции $f(x)=|x|$ имеет вид: Таким образом, *ряд Фурье* для функции $f(x)=|x|$ имеет вид: $f(x) = \frac L 2 + \frac{2L}{\pi^2} \sum\limits_{n=1}^\infty \frac{1-(-1)^n}{n^2} \cos \left( \frac{\pi nx} L \right)$
$f(x)=\frac{L}{2}+\frac{2L}{\pi^2}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1-(-1)^n}{n^2}\cos\left(\frac{\pi nx}{L}\right)$
@@ -1,45 +1,29 @@
# Разложение в ряд Фурье непериодической функции # Разложение в ряд Фурье непериодической функции
## Введение ## Введение
Ряд Фурье обычно используется для разложения периодических функций. Однако, для непериодических функций можно использовать интегральное преобразование Фурье. Ряд Фурье обычно используется для разложения периодических функций. Однако, для непериодических функций можно использовать интегральное преобразование Фурье.
## Интегральное преобразование Фурье ## Интегральное преобразование Фурье
**Интегральное преобразование Фурье** функции $f(x)$ определяется следующим образом: $F(\omega) = \int\limits_{-\infty}^\infty f(x) e^{-i\omega x}dx$, где $F(\omega)$ — преобразование Фурье функции $f(x)$.
Интегральное преобразование Фурье функции $f(x)$ определяется следующим образом:
$F(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}f(x)e^{-i\omega x}dx$
где $F(\omega)$ — преобразование Фурье функции $f(x)$.
## Обратное преобразование Фурье ## Обратное преобразование Фурье
**Обратное преобразование Фурье** позволяет восстановить функцию $f(x)$ из её преобразования Фурье $F(\omega)$: $f(x) = \frac 1 {2\pi} \int\limits_{-\infty}^\infty F(\omega) e^{i\omega x} d \omega$
Обратное преобразование Фурье позволяет восстановить функцию $f(x)$ из её преобразования Фурье $F(\omega)$:
$f(x)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}F(\omega)e^{i\omega x}d\omega$
## Примеры ## Примеры
1. $f(x) = e^{-|x|}$
Вычислим *преобразование Фурье*:
$F(\omega) = \int\limits_{-\infty}^\infty e^{-|x|} e^{-i\omega x} dx = \int\limits_{-\infty}^0 e^xe^{-i\omega x}dx + \int\limits_0^\infty e^{-x}e^{-i\omega x} dx$
Рассчитаем интегралы:
$F(\omega) = \left[ \frac{e^{(1-i\omega)x}}{1-i\omega} \right]_{-\infty}^0 + \left[ \frac{e^{-(1+i\omega)x}}{-(1+i\omega)} \right]_0^\infty = \frac 1 {1+\omega^2}$
Теперь восстановим функцию $f(x)$ с помощью обратного преобразования Фурье: $f(x) = \frac 1 {2\pi} \int\limits_{-\infty}^\infty \frac 1 {1+\omega^2} e^{i\omega x} d \omega$
### Пример 1: Функция $f(x)=e^{-|x|}$ 2. $f(x)=e^{-x^2}$
Вычислим *преобразование Фурье*:
Рассмотрим функцию $f(x)=e^{-|x|}$. $F(\omega) = \int\limits_{-\infty}^\infty e^{-x^2} e^{-i\omega x}dx$
Вычислим преобразование Фурье: Используем известный результат:
$F(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}e^{-|x|}e^{-i\omega x}dx=\int_{-\infty}^{0}e^{x}e^{-i\omega x}dx+\int_{0}^{\infty}e^{-x}e^{-i\omega x}dx$ $F(\omega) = \sqrt \pi e^{-\omega^2/4}$
Рассчитаем интегралы: Теперь восстановим функцию $f(x)$ с помощью *обратного преобразования Фурье*: $f(x) = \frac 1 {2\pi} \int\limits_{-\infty}^\infty \sqrt \pi e^{-\omega^2/4} e^{i\omega x} d\omega$
$F(\omega)=\left[\frac{e^{(1-i\omega)x}}{1-i\omega}\right]_{-\infty}^{0}+\left[\frac{e^{-(1+i\omega)x}}{-(1+i\omega)}\right]_{0}^{\infty}=\frac{1}{1+\omega^2}$
Теперь восстановим функцию $f(x)$ с помощью обратного преобразования Фурье:
$f(x)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}\frac{1}{1+\omega^2}e^{i\omega x}d\omega$
### Пример 2: Функция $f(x)=e^{-x^2}$
Рассмотрим функцию $f(x)=e^{-x^2}$.
Вычислим преобразование Фурье:
$F(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^2}e^{-i\omega x}dx$
Используем известный результат:
$F(\omega)=\sqrt{\pi}e^{-\omega^2/4}$
Теперь восстановим функцию $f(x)$ с помощью обратного преобразования Фурье:
$f(x)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}\sqrt{\pi}e^{-\omega^2/4}e^{i\omega x}d\omega$
@@ -1,46 +1,39 @@
# Ряды с неотрицательными членами. Признаки сравнения # Ряды с неотрицательными членами. Признаки сравнения
## Ряды с неотрицательными членами ## Ряды с неотрицательными членами
Ряд с неотрицательными членами — это бесконечная сумма неотрицательных чисел, представленная в виде: $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$, где $a_n \geq 0$ для всех $n$.
Ряд с неотрицательными членами — это бесконечная сумма неотрицательных чисел, представленная в виде:
$ \sum_{n=1}^{\infty} a_n $
где $ a_n \geq 0 $ для всех $ n $.
## Признаки сравнения ## Признаки сравнения
Признаки сравнения позволяют определить сходимость или расходимость ряда, сравнивая его с другим рядом, сходимость которого известна. Признаки сравнения позволяют определить сходимость или расходимость ряда, сравнивая его с другим рядом, сходимость которого известна.
### Первый признак сравнения ### Первый признак сравнения
Пусть $\sum a_n$ и $\sum b_n$ — два ряда с неотрицательными членами, и пусть $0 \leq a_n \leq b_n$ для всех $n$. Пусть $\sum a_n$ и $\sum b_n$ — два ряда с неотрицательными членами, и пусть $0 \leq a_n \leq b_n$ для всех $n$.
- Если ряд $\sum b_n$ сходится, то и ряд $\sum a_n$ сходится. - Если ряд $\sum b_n$ сходится, то и ряд $\sum a_n$ сходится.
- Если ряд $\sum a_n$ расходится, то и ряд $\sum b_n$ расходится. - Если ряд $\sum a_n$ расходится, то и ряд $\sum b_n$ расходится.
### Второй признак сравнения (предельный признак сравнения) ### Второй признак сравнения (предельный признак сравнения)
Пусть $\sum a_n$ и $\sum b_n$ — два ряды с положительными членами, и пусть существует предел: Пусть $\sum a_n$ и $\sum b_n$ — два ряды с положительными членами, и пусть существует предел:
$\lim_{n \to \infty} \frac{a_n}{b_n} = L$ $\lim\limits_{n \to \infty} \frac{a_n}{b_n} = L$
- Если $0 < L < \infty$, то ряды $\sum a_n$ и $\sum b_n$ либо оба сходятся, либо оба расходятся. - Если $0 < L < \infty$, то ряды $\sum a_n$ и $\sum b_n$ либо оба сходятся, либо оба расходятся.
- Если $L = 0$ и ряд $\sum b_n$ сходится, то ряд $\sum a_n$ также сходится. - Если $L = 0$ и ряд $\sum b_n$ сходится, то ряд $\sum a_n$ также сходится.
- Если $L = \infty$ и ряд $\sum b_n$ расходится, то ряд $\sum a_n$ также расходится. - Если $L = \infty$ и ряд $\sum b_n$ расходится, то ряд $\sum a_n$ также расходится.
## Примеры ## Примеры
1. **Сравнение с гармоническим рядом**: 1. **Сравнение с гармоническим рядом**:
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}$. Сравним его с гармоническим рядом $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 n$, который расходится.
Сравним его с гармоническим рядом $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$, который расходится. Поскольку $\frac{1}{n^2} \leq \frac{1}{n}$ для всех $n$, и гармонический ряд расходится, то ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n^2}$ сходится (по первому признаку сравнения).
Поскольку $\frac{1}{n^2} \leq \frac{1}{n}$ для всех $n$, и гармонический ряд расходится, то ряд $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}$ сходится (по первому признаку сравнения).
2. **Предельный признак сравнения**: 2. **Предельный признак сравнения**:
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n \sqrt{n}}$. Сравним его с рядом $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n^{3/2}}$.
Сравним его с рядом $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{3/2}}$. Вычислим предел:
$$
Вычислим предел: \lim_{n \to \infty} \frac{\frac 1 {n \sqrt n}}{\frac 1 {n^{3/2}}} =
$$\lim_{n \to \infty} \frac{\frac{1}{n \sqrt{n}}}{\frac{1}{n^{3/2}}} = \lim_{n \to \infty} \frac{n^{3/2}}{n \sqrt{n}} = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{\sqrt{n}} = 0$$ \lim_{n \to \infty} \frac{n^{3/2}}{n \sqrt{n}} =
\lim_{n \to \infty} \frac 1 {\sqrt{n}} = 0
Поскольку ряд $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{3/2}}$ сходится (так как $p = \frac{3}{2} > 1$), то и ряд $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n \sqrt{n}}$ сходится (по второму признаку сравнения). $$
Поскольку ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n^{3/2}}$ сходится (так как $p = \frac 3 2 > 1$), то и ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n \sqrt n}$ сходится (по второму признаку сравнения).
@@ -1,45 +1,37 @@
# Признаки Даламбера и Коши сходимости знакоположительных рядов # Признаки Даламбера и Коши сходимости знакоположительных рядов
## Введение ## Введение
**Знакоположительные ряды** — это ряды, все члены которых являются положительными числами ^da23a3
Знакоположительные ряды — это ряды, все члены которых являются положительными числами. Для определения сходимости таких рядов используются различные признаки, среди которых особое место занимают признаки Даламбера и Коши. Для определения сходимости таких рядов используются различные признаки, среди которых особое место занимают признаки Даламбера и Коши.
## Признак Даламбера ## Признак Даламбера
**Признак Даламбера** позволяет определить сходимость ряда $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ на основе предела отношения последовательных членов ряда.
Признак Даламбера позволяет определить сходимость ряда $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ на основе предела отношения последовательных членов ряда.
Пусть $a_n > 0$ для всех $n$. Рассмотрим предел: Пусть $a_n > 0$ для всех $n$. Рассмотрим предел:
$\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} = L$ $\lim\limits_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} = L$
- Если $L < 1$, то ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ сходится.
- Если $L < 1$, то ряд $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ сходится. - Если $L > 1$, то ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ расходится.
- Если $L > 1$, то ряд $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ расходится. - Если $L = 1$, то *признак Даламбера* не позволяет сделать вывод о сходимости ряда.
- Если $L = 1$, то признак Даламбера не позволяет сделать вывод о сходимости ряда.
### Пример ### Пример
Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac n {2^n}$.
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n}{2^n}$. Вычислим предел: $\lim\limits_{n \to \infty} \frac{\frac{n+1}{2^{n+1}}}{\frac n {2^n}} = \lim\limits_{n \to \infty} \frac{n+1}{2n} = \frac 1 2$
Вычислим предел: Поскольку $\frac 1 2 < 1$, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac n {2^n}$ сходится по *признаку Даламбера*.
$\lim_{n \to \infty} \frac{\frac{n+1}{2^{n+1}}}{\frac{n}{2^n}} = \lim_{n \to \infty} \frac{n+1}{2n} = \frac{1}{2}$
Поскольку $\frac{1}{2} < 1$, ряд $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n}{2^n}$ сходится по признаку Даламбера. ## Признак Коши
**Признак Коши** (корневой признак) позволяет определить сходимость ряда $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ на основе предела корня из $n$-го члена ряда.
## Признак Коши (корневой признак) Пусть $a_n > 0$ для всех $n$. Рассмотрим предел: $\lim\limits_{n \to \infty} \sqrt[n]{a_n} = L$
- Если $L < 1$, то ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ сходится.
Признак Коши (корневой признак) позволяет определить сходимость ряда $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ на основе предела корня из $n$-го члена ряда. - Если $L > 1$, то ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ расходится.
- Если $L = 1$, то *признак Коши* не позволяет сделать вывод о сходимости ряда.
Пусть $a_n > 0$ для всех $n$. Рассмотрим предел:
$\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{a_n} = L$
- Если $L < 1$, то ряд $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ сходится.
- Если $L > 1$, то ряд $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ расходится.
- Если $L = 1$, то признак Коши не позволяет сделать вывод о сходимости ряда.
### Пример ### Пример
Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \left( \frac n 2 \right)^n$.
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty} \left(\frac{n}{2}\right)^n$. Вычислим предел: $\lim\limits_{n \to \infty} \sqrt[n]{\left( \frac n 2 \right)^n} = \lim\limits_{n \to \infty} \frac n 2 = \infty$
Вычислим предел: Поскольку $\infty > 1$, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \left( \frac n 2 \right)^n$ расходится по *признаку Коши*.
$\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{\left(\frac{n}{2}\right)^n} = \lim_{n \to \infty} \frac{n}{2} = \infty$
Поскольку $\infty > 1$, ряд $\sum_{n=1}^{\infty} \left(\frac{n}{2}\right)^n$ расходится по признаку Коши.
@@ -1,48 +1,40 @@
# Интегральный признак сходимости знакоположительных рядов # Интегральный признак сходимости знакоположительных рядов
## Введение ## Введение
Интегральный признак сходимости позволяет определить сходимость [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/4#^da23a3|знакоположительных рядов]], сравнивая их с соответствующими несобственными интегралами. Этот признак особенно полезен для рядов, члены которых можно выразить через непрерывные функции.
Интегральный признак сходимости позволяет определить сходимость знакоположительных рядов, сравнивая их с соответствующими несобственными интегралами. Этот признак особенно полезен для рядов, члены которых можно выразить через непрерывные функции. ## Формулировка
Пусть $f(x)$ — непрерывная, положительная и убывающая функция на интервале $[1, \infty)$. Рассмотрим ряд: $\sum\limits_{n=1}^\infty f(n)$
## Формулировка интегрального признака Интегральный признак утверждает, что ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty f(n)$ сходится тогда и только тогда, когда сходится несобственный интеграл: $\int\limits_1^\infty f(x)dx$
Пусть $f(x)$ — непрерывная, положительная и убывающая функция на интервале $[1, \infty)$. Рассмотрим ряд: ## Доказательство
$\sum_{n=1}^{\infty}f(n)$ Рассмотрим частичные суммы ряда $S_n = \sum\limits_{k=1}^n f(k)$ и соответствующие интегралы $I_n = \int\limits_1^n f(x)dx$.
Интегральный признак утверждает, что ряд $\sum_{n=1}^{\infty}f(n)$ сходится тогда и только тогда, когда сходится несобственный интеграл:
$\int_{1}^{\infty}f(x)dx$
## Доказательство интегрального признака
Рассмотрим частичные суммы ряда $S_n=\sum_{k=1}^{n}f(k)$ и соответствующие интегралы $I_n=\int_{1}^{n}f(x)dx$.
Поскольку $f(x)$ убывает, можно записать неравенства: Поскольку $f(x)$ убывает, можно записать неравенства:
$f(k+1)\leq\int_{k}^{k+1}f(x)dx\leq f(k)$ $f(k+1) \leq \int\limits_k^{k+1} f(x)dx \leq f(k)$
Суммируя эти неравенства от $k=1$ до $k=n-1$, получаем: Суммируя эти неравенства от $k=1$ до $k=n-1$, получаем: $\sum\limits_{k=2}^n f(k) \leq \int\limits_1^n f(x)dx \leq \sum\limits_{k=1}^{n-1} f(k)$
$\sum_{k=2}^{n}f(k)\leq\int_{1}^{n}f(x)dx\leq\sum_{k=1}^{n-1}f(k)$
Или, что эквивалентно: Или, что эквивалентно: $S_n - f(1) \leq I_n \leq S_{n-1}$
$S_n-f(1)\leq I_n\leq S_{n-1}$
Если интеграл $\int_{1}^{\infty}f(x)dx$ сходится, то $I_n$ ограничено, и, следовательно, $S_n$ также ограничено, что означает сходимость ряда $\sum_{n=1}^{\infty}f(n)$. Если интеграл $\int\limits_1^\infty f(x)dx$ сходится, то $I_n$ ограничено, и, следовательно, $S_n$ также ограничено, что означает сходимость ряда $\sum\limits_{n=1}^\infty f(n)$.
Аналогично, если интеграл $\int_{1}^{\infty}f(x)dx$ расходится, то $I_n$ не ограничено, и, следовательно, $S_n$ также не ограничено, что означает расходимость ряда $\sum_{n=1}^{\infty}f(n)$. Аналогично, если интеграл $\int\limits_1^\infty f(x)dx$ расходится, то $I_n$ не ограничено, и, следовательно, $S_n$ также не ограничено, что означает расходимость ряда $\sum\limits_{n=1}^\infty f(n)$.
## Примеры ## Примеры
1. **Гармонический ряд**: 1. **Гармонический ряд**:
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}$. Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 n$.
Функция $f(x)=\frac{1}{x}$ убывает и положительна на $[1, \infty)$. Вычислим интеграл: Функция $f(x)=\frac{1}{x}$ убывает и положительна на $[1, \infty)$. Вычислим интеграл:
$\int_{1}^{\infty}\frac{1}{x}dx=\left[\ln x\right]_{1}^{\infty}=\infty$ $\int\limits_1^\infty \frac 1 x dx = \left[ \ln x \right]_1^\infty = \infty$
Поскольку интеграл расходится, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}$ также расходится. Поскольку интеграл расходится, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 n$ также расходится.
2. **Обобщенный гармонический ряд**: 2. **Обобщенный гармонический ряд**:
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^p}$, где $p>1$. Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n^p}$, где $p>1$.
Функция $f(x)=\frac{1}{x^p}$ убывает и положительна на $[1, \infty)$. Вычислим интеграл: Функция $f(x)=\frac{1}{x^p}$ убывает и положительна на $[1, \infty)$. Вычислим интеграл:
$\int_{1}^{\infty}\frac{1}{x^p}dx=\left[-\frac{1}{(p-1)x^{p-1}}\right]_{1}^{\infty}=\frac{1}{p-1}$ $\int\limits_1^\infty \frac 1 {x^p} dx = \left[ -\frac 1 {(p-1)x^{p-1}} \right]_1^\infty = \frac 1 {p-1}$
Поскольку интеграл сходится, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^p}$ также сходится при $p>1$. Поскольку интеграл сходится, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n^p}$ также сходится при $p>1$.
@@ -1,40 +1,26 @@
# Знакочередующиеся ряды. Признак Лейбница. Оценка остатка сходящегося знакочередующегося ряда. # Знакочередующиеся ряды. Признак Лейбница. Оценка остатка сходящегося знакочередующегося ряда.
## Введение ## Введение
**Знакочередующиеся ряды** — это ряды, члены которых чередуются по знаку. Один из наиболее известных признаков сходимости таких рядов — это признак Лейбница.
Знакочередующиеся ряды — это ряды, члены которых чередуются по знаку. Один из наиболее известных признаков сходимости таких рядов — это признак Лейбница.
## Признак Лейбница ## Признак Лейбница
**Признак Лейбница** позволяет определить сходимость знакочередующегося ряда вида $\sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n+1}b_n$, где $b_n$ — положительные числа.
Признак Лейбница позволяет определить сходимость знакочередующегося ряда вида: *Признак Лейбница* утверждает, что ряд $\sum\limits_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}b_n$ сходится, если:
$\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}b_n$
где $b_n$ — положительные числа.
Признак Лейбница утверждает, что ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}b_n$ сходится, если:
1. $b_n$ убывает, то есть $b_{n+1}\leq b_n$ для всех $n$. 1. $b_n$ убывает, то есть $b_{n+1}\leq b_n$ для всех $n$.
2. $\lim_{n\to\infty}b_n=0$. 2. $\lim\limits_{n\to\infty}b_n=0$.
### Пример ### Пример
Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1}\frac 1 n}$.
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$. Проверим условия *признака Лейбница*:
Проверим условия признака Лейбница:
1. $b_n=\frac{1}{n}$ убывает, так как $\frac{1}{n+1}<\frac{1}{n}$ для всех $n$. 1. $b_n=\frac{1}{n}$ убывает, так как $\frac{1}{n+1}<\frac{1}{n}$ для всех $n$.
2. $\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}=0$. 2. $\lim\limits_{n\to\infty} \frac 1 n = 0$.
Таким образом, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} \frac 1 n}$ сходится по *признаку Лейбница*.
Таким образом, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$ сходится по признаку Лейбница.
## Оценка остатка сходящегося знакочередующегося ряда ## Оценка остатка сходящегося знакочередующегося ряда
Для сходящегося *знакочередующегося ряда* $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} b_n}$ остаток ряда $R_n$ после $n$ членов можно оценить следующим образом:
Для сходящегося знакочередующегося ряда $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}b_n$ остаток ряда $R_n$ после $n$ членов можно оценить следующим образом: $|R_n| = |S-S_n| \leq b_{n+1}$, где $S$ — сумма ряда, а $S_n$ — частичная сумма первых $n$ членов ряда.
$|R_n|=|S-S_n|\leq b_{n+1}$
где $S$ — сумма ряда, а $S_n$ — частичная сумма первых $n$ членов ряда.
### Пример ### Пример
Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} \frac 1 n}$.
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$. Оценка остатка после $n$ членов: $|R_n| \leq \frac 1 {n+1}$
Таким образом, остаток ряда $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} \frac 1 n}$ после $n$ членов не превосходит $\frac{1}{n+1}$.
Оценка остатка после $n$ членов:
$|R_n|\leq\frac{1}{n+1}$
Таким образом, остаток ряда $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$ после $n$ членов не превосходит $\frac{1}{n+1}$.
@@ -1,43 +1,29 @@
# Знакопеременные ряды. Теорема Коши о сходимости абсолютно сходящегося ряда. # Знакопеременные ряды. Теорема Коши о сходимости абсолютно сходящегося ряда.
## Введение ## Введение
**Знакопеременные ряды** — это ряды, члены которых могут быть как положительными, так и отрицательными. Одним из важных понятий в теории рядов является абсолютная сходимость. Теорема Коши о сходимости абсолютно сходящегося ряда утверждает, что абсолютная сходимость ряда влечет за собой его обычную сходимость.
Знакопеременные ряды — это ряды, члены которых могут быть как положительными, так и отрицательными. Одним из важных понятий в теории рядов является абсолютная сходимость. Теорема Коши о сходимости абсолютно сходящегося ряда утверждает, что абсолютная сходимость ряда влечет за собой его обычную сходимость.
## Абсолютная сходимость
Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}a_n$ называется абсолютно сходящимся, если ряд $\sum_{n=1}^{\infty}|a_n|$ сходится.
## Теорема Коши о сходимости абсолютно сходящегося ряда ## Теорема Коши о сходимости абсолютно сходящегося ряда
Если ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ *[[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/8#Абсолютной сходимости|абсолютно сходится]]*, то он также *сходится* в обычном смысле. ^446f33
Теорема Коши утверждает, что если ряд $\sum_{n=1}^{\infty}a_n$ абсолютно сходится, то он также сходится в обычном смысле.
### Формулировка теоремы ### Формулировка теоремы
Пусть $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ — абсолютно сходящийся ряд, то есть $\sum\limits_{n=1}^\infty |a_n|$ сходится. Тогда ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ также сходится.
Пусть $\sum_{n=1}^{\infty}a_n$ — абсолютно сходящийся ряд, то есть $\sum_{n=1}^{\infty}|a_n|$ сходится. Тогда ряд $\sum_{n=1}^{\infty}a_n$ также сходится.
### Доказательство ### Доказательство
Рассмотрим частичные суммы ряда $S_n=\sum\limits_{k=1}^n a_k$ и соответствующие частичные суммы ряда из абсолютных значений $T_n=\sum\limits_{k=1}^n |a_k|$.
Рассмотрим частичные суммы ряда $S_n=\sum_{k=1}^{n}a_k$ и соответствующие частичные суммы ряда из абсолютных значений $T_n=\sum_{k=1}^{n}|a_k|$. Поскольку ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty |a_n|$ сходится, то последовательность $T_n$ ограничена. Это означает, что существует такое число $M$, что $T_n\leq M$ для всех $n$.
Поскольку ряд $\sum_{n=1}^{\infty}|a_n|$ сходится, то последовательность $T_n$ ограничена. Это означает, что существует такое число $M$, что $T_n\leq M$ для всех $n$.
Теперь рассмотрим разность частичных сумм $S_m-S_n$ для $m>n$: Теперь рассмотрим разность частичных сумм $S_m-S_n$ для $m>n$:
$|S_m-S_n|=|\sum_{k=n+1}^{m}a_k|\leq\sum_{k=n+1}^{m}|a_k|=T_m-T_n$ $|S_m-S_n| = \left| \sum\limits_{k=n+1}^m a_k \right| \leq \sum\limits_{k=n+1}^m |a_k| = T_m-T_n$
Поскольку последовательность $T_n$ ограничена, то и разность $T_m-T_n$ ограничена. Следовательно, последовательность $S_n$ является фундаментальной (последовательность Коши), а значит, сходится. Поскольку последовательность $T_n$ ограничена, то и разность $T_m-T_n$ ограничена. Следовательно, последовательность $S_n$ является фундаментальной (*последовательность Коши*), а значит, сходится.
Таким образом, если ряд $\sum_{n=1}^{\infty}a_n$ абсолютно сходится, то он также сходится в обычном смысле. Таким образом, если ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ абсолютно сходится, то он также сходится в обычном смысле.
## Примеры ## Примеры
1. $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} \frac 1 {n^2}}$
Ряд из абсолютных значений $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n^2}$ сходится, так как это [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/2#^e8e233|обобщенный гармонический ряд]] с $p=2>1$. Следовательно, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} \frac 1 {n^2}}$ абсолютно сходится и, следовательно, сходится в обычном смысле.
1. **Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n^2}$**: 1. $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} \frac 1 n}$
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n^2}$. Ряд из абсолютных значений $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 n$ [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/2#^e432ca|расходится]], так как это [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/2#^ab323a|гармонический ряд]]. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$ не является абсолютно сходящимся, но он сходится по [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/6#Признак Лейбница|признаку Лейбница]].
Ряд из абсолютных значений $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}$ сходится, так как это обобщенный гармонический ряд с $p=2>1$. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n^2}$ абсолютно сходится и, следовательно, сходится в обычном смысле.
2. **Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$**:
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$.
Ряд из абсолютных значений $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}$ расходится, так как это гармонический ряд. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$ не является абсолютно сходящимся, но он сходится по признаку Лейбница.
@@ -1,39 +1,29 @@
# Абсолютно сходящиеся ряды и их свойства # Абсолютно сходящиеся ряды и их свойства
## Введение ## Введение
**Абсолютно сходящиеся ряды** — это ряды, для которых ряд из абсолютных значений их членов сходится. Абсолютная сходимость является более сильным свойством по сравнению с обычной сходимостью и имеет ряд важных свойств.
Абсолютно сходящиеся ряды — это ряды, для которых ряд из абсолютных значений их членов сходится. Абсолютная сходимость является более сильным свойством по сравнению с обычной сходимостью и имеет ряд важных свойств. ## Абсолютной сходимости
## Определение абсолютной сходимости Ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ называется **абсолютно сходящимся**, если ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty |a_n|$ *сходится*.
Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}a_n$ называется абсолютно сходящимся, если ряд $\sum_{n=1}^{\infty}|a_n|$ сходится.
## Свойства абсолютно сходящихся рядов ## Свойства абсолютно сходящихся рядов
### 1. Абсолютная сходимость влечет за собой обычную сходимость ### 1. Абсолютная сходимость влечет за собой обычную сходимость
Если ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ *абсолютно сходится*, то он также *сходится* в обычном смысле. Это следует из [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/7#^446f33|теоремы Коши]] о сходимости абсолютно сходящегося ряда.
Если ряд $\sum_{n=1}^{\infty}a_n$ абсолютно сходится, то он также сходится в обычном смысле. Это следует из теоремы Коши о сходимости абсолютно сходящегося ряда.
### 2. Перестановка членов абсолютно сходящегося ряда ### 2. Перестановка членов абсолютно сходящегося ряда
Если ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ *абсолютно сходится*, то любая перестановка его членов также *сходится* и имеет ту же сумму. Это свойство не выполняется для условно сходящихся рядов (рядов, которые сходятся, но не абсолютно).
Если ряд $\sum_{n=1}^{\infty}a_n$ абсолютно сходится, то любая перестановка его членов также сходится и имеет ту же сумму. Это свойство не выполняется для условно сходящихся рядов (рядов, которые сходятся, но не абсолютно).
### 3. Линейность абсолютной сходимости ### 3. Линейность абсолютной сходимости
Если ряды $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ и $\sum\limits_{n=1}^\infty b_n$ *абсолютно сходятся*, то их линейная комбинация $\sum\limits_{n=1}^\infty (\alpha a_n + \beta b_n)$ также *абсолютно сходится* для любых констант $\alpha$ и $\beta$.
Если ряды $\sum_{n=1}^{\infty}a_n$ и $\sum_{n=1}^{\infty}b_n$ абсолютно сходятся, то их линейная комбинация $\sum_{n=1}^{\infty}(\alpha a_n+\beta b_n)$ также абсолютно сходится для любых констант $\alpha$ и $\beta$.
### 4. Произведение абсолютно сходящихся рядов ### 4. Произведение абсолютно сходящихся рядов
Если ряды $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ и $\sum\limits_{n=1}^\infty b_n$ *абсолютно сходятся*, то их произведение $\sum\limits_{n=1}^\infty c_n$, где $c_n = \sum\limits_{k=1}^n {a_k b_{n-k}}$, также *абсолютно сходится*.
Если ряды $\sum_{n=1}^{\infty}a_n$ и $\sum_{n=1}^{\infty}b_n$ абсолютно сходятся, то их произведение $\sum_{n=1}^{\infty}c_n$, где $c_n=\sum_{k=1}^{n}a_kb_{n-k}$, также абсолютно сходится.
## Примеры ## Примеры
1. $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} \frac 1 {n^2}}$
Ряд из абсолютных значений $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 {n^2}$ *сходится*, так как это [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/2#^e8e233|обобщенный гармонический ряд]] с $p=2>1$. Следовательно, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} \frac 1 {n^2}}$ *абсолютно сходится* и, следовательно, сходится в обычном смысле.
1. **Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n^2}$**: 1. $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} \frac 1 n}$
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n^2}$. Ряд из абсолютных значений $\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1 n$ *расходится*, так как это [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/2#^ab323a|гармонический ряд]]. Следовательно, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} \frac 1 n}$ *не является абсолютно сходящимся*, но он *сходится* по [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/6#Признак Лейбница|признаку Лейбница]].
Ряд из абсолютных значений $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}$ сходится, так как это обобщенный гармонический ряд с $p=2>1$. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n^2}$ абсолютно сходится и, следовательно, сходится в обычном смысле.
2. **Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$**:
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$.
Ряд из абсолютных значений $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}$ расходится, так как это гармонический ряд. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$ не является абсолютно сходящимся, но он сходится по признаку Лейбница.
@@ -1,60 +1,50 @@
# Условно сходящиеся ряды. Признаки Абеля и Дирихле. Теорема Римана. # Условно сходящиеся ряды. Признаки Абеля и Дирихле. Теорема Римана.
## Введение ## Введение
**Условно сходящиеся ряды** — это ряды, которые сходятся, но не абсолютно. Такие ряды имеют особые свойства и требуют специальных методов для анализа их сходимости.
Условно сходящиеся ряды — это ряды, которые сходятся, но не абсолютно. Такие ряды имеют особые свойства и требуют специальных методов для анализа их сходимости.
## Условно сходящиеся ряды ## Условно сходящиеся ряды
Ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ называется *условно сходящимся*, если он *сходится*, но ряд из абсолютных значений $\sum\limits_{n=1}^\infty |a_n|$ *расходится*.
Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}a_n$ называется условно сходящимся, если он сходится, но ряд из абсолютных значений $\sum_{n=1}^{\infty}|a_n|$ расходится.
## Признак Дирихле ## Признак Дирихле
**Признак Дирихле** позволяет определить сходимость ряда $\sum\limits_{n=1}^\infty a_nb_n$, где $a_n$ и $b_n$ — последовательности чисел.
Признак Дирихле позволяет определить сходимость ряда $\sum_{n=1}^{\infty}a_nb_n$, где $a_n$ и $b_n$ — последовательности чисел. ### Формулировка
### Формулировка признака Дирихле
Пусть $a_n$ и $b_n$ — последовательности чисел, удовлетворяющие следующим условиям: Пусть $a_n$ и $b_n$ — последовательности чисел, удовлетворяющие следующим условиям:
1. Частичные суммы $A_n=\sum_{k=1}^{n}a_k$ ограничены, то есть существует такое число $M$, что $|A_n|\leq M$ для всех $n$. 1. Частичные суммы $A_n=\sum\limits_{k=1}^n a_k$ ограничены, то есть существует такое число $M$, что $|A_n|\leq M$ для всех $n$.
2. $b_n$ монотонно стремится к нулю, то есть $b_n\to0$ и $b_n\geq b_{n+1}$ для всех $n$. 2. $b_n$ монотонно стремится к нулю, то есть $b_n\to0$ и $b_n\geq b_{n+1}$ для всех $n$.
Тогда ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_nb_n$ сходится.
Тогда ряд $\sum_{n=1}^{\infty}a_nb_n$ сходится.
### Пример ### Пример
Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} \frac 1 n}$.
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$. Пусть $a_n=(-1)^{n+1}$ и $b_n=\frac 1 n$. Частичные суммы $A_n = \sum\limits_{k=1}^n (-1)^{k+1}$ *ограничены*, так как $|A_n|\leq1$ для всех $n$. Последовательность $b_n=\frac{1}{n}$ *монотонно стремится* к нулю. Следовательно, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} \frac 1 n}$ сходится по признаку Дирихле.
Пусть $a_n=(-1)^{n+1}$ и $b_n=\frac{1}{n}$. Частичные суммы $A_n=\sum_{k=1}^{n}(-1)^{k+1}$ ограничены, так как $|A_n|\leq1$ для всех $n$. Последовательность $b_n=\frac{1}{n}$ монотонно стремится к нулю. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$ сходится по признаку Дирихле.
## Признак Абеля ## Признак Абеля
**Признак Абеля** является обобщением признака Дирихле и позволяет определить сходимость ряда $\sum\limits_{n=1}^\infty a_nb_n$, где $a_n$ и $b_n$ — последовательности чисел.
Признак Абеля является обобщением признака Дирихле и позволяет определить сходимость ряда $\sum_{n=1}^{\infty}a_nb_n$, где $a_n$ и $b_n$ — последовательности чисел. ### Формулировка
### Формулировка признака Абеля
Пусть $a_n$ и $b_n$ — последовательности чисел, удовлетворяющие следующим условиям: Пусть $a_n$ и $b_n$ — последовательности чисел, удовлетворяющие следующим условиям:
1. Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}a_n$ сходится. 1. Ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ сходится.
2. $b_n$ монотонно ограничена, то есть существует такое число $M$, что $|b_n|\leq M$ для всех $n$, и $b_n$ монотонна. 2. $b_n$ монотонно ограничена, то есть существует такое число $M$, что $|b_n|\leq M$ для всех $n$, и $b_n$ монотонна.
Тогда ряд $\sum_{n=1}^{\infty}a_nb_n$ сходится. Тогда ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty a_nb_n$ сходится.
### Пример ### Пример
Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1}\frac 1 n}$.
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$. Пусть $a_n = (-1)^{n+1}$ и $b_n = \frac 1 n$. Ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n+1}$ *сходится* по [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/6#Признак Лейбница|признаку Лейбница]]. Последовательность $b_n = \frac 1 n$ *монотонно ограничена*. Следовательно, ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1}\frac 1 n}$ *сходится* по признаку Абеля.
Пусть $a_n=(-1)^{n+1}$ и $b_n=\frac{1}{n}$. Ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}$ сходится по признаку Лейбница. Последовательность $b_n=\frac{1}{n}$ монотонно ограничена. Следовательно, ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$ сходится по признаку Абеля.
## Теорема Римана ## Теорема Римана
**Теорема Римана** утверждает, что условно сходящийся ряд можно переставить так, чтобы он сходился к любому заранее заданному числу или расходился.
Теорема Римана утверждает, что условно сходящийся ряд можно переставить так, чтобы он сходился к любому заранее заданному числу или расходился. ### Формулировка
Пусть $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ — *условно сходящийся* ряд. Тогда существует такая перестановка членов ряда, что переставленный ряд *сходится* к любому заранее заданному числу или расходится.
### Формулировка теоремы Римана %%
###
Пусть $\sum_{n=1}^{\infty}a_n$ — условно сходящийся ряд. Тогда существует такая перестановка членов ряда, что переставленный ряд сходится к любому заранее заданному числу или расходится. Пример
Рассмотрим ряд $\sum\limits_{n=1}^\infty {(-1)^{n+1} \frac 1 n}$.
### Пример
Рассмотрим ряд $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{1}{n}$.
Этот ряд условно сходится. Согласно теореме Римана, можно переставить члены этого ряда так, чтобы он сходился к любому заранее заданному числу или расходился.
Этот ряд *условно сходится*. Согласно теореме Римана, можно переставить члены этого ряда так, чтобы он сходился к любому заранее заданному числу или расходился.
%%
@@ -1,37 +1,29 @@
## Двойной интеграл, определение и свойства. Теорема существования. ## Двойной интеграл, определение и свойства. Теорема существования.
### Определение двойного интеграла ### Определение
Двойной интеграл функции двух переменных $f(x, y)$ по области $D$ на плоскости $xy$ определяется как предел суммы Римана при стремлении диаметров подобластей к нулю. Формально, если $D$ разбита на $n$ подобластей $D_i$ с диаметрами $\delta_i$, то двойной интеграл определяется как: Двойной интеграл функции двух переменных $f(x, y)$ по области $D$ на плоскости $xy$ определяется как предел суммы Римана при стремлении диаметров подобластей к нулю. Формально, если $D$ разбита на $n$ подобластей $D_i$ с диаметрами $\delta_i$, то двойной интеграл определяется как:
$$\iint\limits_D f(x, y) \, dA = \lim_{\delta_i \to 0} \sum_{i=1}^n f(x_i, y_i) \Delta A_i,$$
$$\iint_{D} f(x, y) \, dA = \lim_{\delta_i \to 0} \sum_{i=1}^{n} f(x_i, y_i) \Delta A_i,$$
где $(x_i, y_i)$ — произвольная точка в подобласти $D_i$, а $\Delta A_i$ — площадь подобласти $D_i$. где $(x_i, y_i)$ — произвольная точка в подобласти $D_i$, а $\Delta A_i$ — площадь подобласти $D_i$.
### Свойства двойного интеграла ### Свойства
1. **Линейность**: 1. **Линейность**:
- Если $f(x, y)$ и $g(x, y)$ интегрируемы на $D$, то для любых констант $a$ и $b$: - Если $f(x, y)$ и $g(x, y)$ интегрируемы на $D$, то для любых констант $a$ и $b$:
$$\iint\limits_D (a f(x, y) + b g(x, y)) \, dA = a \iint\limits_D f(x, y) \, dA + b \iint\limits_D g(x, y) \, dA$$
$$\iint_{D} (a f(x, y) + b g(x, y)) \, dA = a \iint_{D} f(x, y) \, dA + b \iint_{D} g(x, y) \, dA.$$
2. **Аддитивность**: 2. **Аддитивность**:
- Если $D$ разбита на две непересекающиеся области $D_1$ и $D_2$, то: - Если $D$ разбита на две непересекающиеся области $D_1$ и $D_2$, то:
$$\iint\limits_D f(x, y) \, dA = \iint\limits_{D_1} f(x, y) \, dA + \iint\limits_{D_2} f(x, y) \, dA$$
$$\iint_{D} f(x, y) \, dA = \iint_{D_1} f(x, y) \, dA + \iint_{D_2} f(x, y) \, dA.$$
3. **Монотонность**: 3. **Монотонность**:
- Если $f(x, y) \geq g(x, y)$ для всех $(x, y)$ в $D$, то: - Если $f(x, y) \geq g(x, y)$ для всех $(x, y)$ в $D$, то:
$$\iint\limits_D f(x, y) \, dA \geq \iint\limits_D g(x, y) \, dA$$
$$\iint_{D} f(x, y) \, dA \geq \iint_{D} g(x, y) \, dA.$$
4. **Абсолютная интегрируемость**: 4. **Абсолютная интегрируемость**:
- Если $f(x, y)$ интегрируема на $D$, то и $|f(x, y)|$ также интегрируема на $D$, причем: - Если $f(x, y)$ интегрируема на $D$, то и $|f(x, y)|$ также интегрируема на $D$, причем:
$$\left| \iint\limits_D f(x, y) \, dA \right| \leq \iint\limits_D |f(x, y)| \, dA$$
$$\left| \iint_{D} f(x, y) \, dA \right| \leq \iint_{D} |f(x, y)| \, dA.$$
### Теорема существования двойного интеграла ### Теорема существования двойного интеграла
Теорема существования двойного интеграла утверждает, что если функция $f(x, y)$ непрерывна на замкнутой и ограниченной области $D$, то двойной интеграл $\iint_{D} f(x, y) \, dA$ существует. Теорема существования двойного интеграла утверждает, что если функция $f(x, y)$ непрерывна на замкнутой и ограниченной области $D$, то двойной интеграл $\iint_{D} f(x, y) \, dA$ существует.
Формально, если $f(x, y)$ непрерывна на $D$, то для любого разбиения области $D$ на подобласти $D_i$ с диаметрами $\delta_i$, сумма Римана: Формально, если $f(x, y)$ непрерывна на $D$, то для любого разбиения области $D$ на подобласти $D_i$ с диаметрами $\delta_i$, сумма Римана:
@@ -41,17 +33,13 @@ $$\sum_{i=1}^{n} f(x_i, y_i) \Delta A_i$$
имеет предел при $\delta_i \to 0$, и этот предел не зависит от выбора точек $(x_i, y_i)$ в подобластях $D_i$. имеет предел при $\delta_i \to 0$, и этот предел не зависит от выбора точек $(x_i, y_i)$ в подобластях $D_i$.
### Пример ### Пример
Рассмотрим пример вычисления двойного интеграла. Пусть $f(x, y) = x^2 y$ и область $D$ ограничена прямоугольником с вершинами $(0,0)$, $(1,0)$, $(1,2)$, $(0,2)$. Тогда двойной интеграл можно вычислить как: Рассмотрим пример вычисления двойного интеграла. Пусть $f(x, y) = x^2 y$ и область $D$ ограничена прямоугольником с вершинами $(0,0)$, $(1,0)$, $(1,2)$, $(0,2)$. Тогда двойной интеграл можно вычислить как:
$$\iint\limits_D x^2 y \, dA = \int_0^2 \int_0^1 x^2 y \, dx \, dy$$
$$\iint_{D} x^2 y \, dA = \int_{0}^{2} \int_{0}^{1} x^2 y \, dx \, dy.$$
Вычислим внутренний интеграл: Вычислим внутренний интеграл:
$$\int\limits_0^1 x^2 y \, dx = \left[ \frac{x^3}{3} y \right]_0^1 = \frac y 3$$
$$\int_{0}^{1} x^2 y \, dx = \left[ \frac{x^3}{3} y \right]_{0}^{1} = \frac{y}{3}.$$
Теперь вычислим внешний интеграл: Теперь вычислим внешний интеграл:
$$\int\limits_0^2 \frac y 3 \, dy = \left[ \frac{y^2}{6} \right]_0^2 = \frac 2 3$$
$$\int_{0}^{2} \frac{y}{3} \, dy = \left[ \frac{y^2}{6} \right]_{0}^{2} = \frac{4}{3}.$$
Таким образом, значение двойного интеграла равно $\frac{4}{3}$. Таким образом, значение двойного интеграла равно $\frac{4}{3}$.
@@ -1,49 +1,35 @@
## Задачи, приводящие к понятию двойного интеграла ## Задачи, приводящие к понятию двойного интеграла
### 1. Вычисление площади области ### 1. Вычисление площади области
Если область $D$ ограничена кривыми $y=f(x)$ и $y=g(x)$ на интервале $[a,b]$, то площадь этой области можно вычислить с помощью двойного интеграла:
Одной из основных задач, приводящих к понятию двойного интеграла, является вычисление площади области $D$ на плоскости $xy$. Если область $D$ ограничена кривыми $y=f(x)$ и $y=g(x)$ на интервале $[a,b]$, то площадь этой области можно вычислить с помощью двойного интеграла: $$A = \iint\limits_D dA = \int\limits_a^b \int\limits_{g(x)}^{f(x)}dy\,dx.$$
$$A=\iint_{D}dA=\int_{a}^{b}\int_{g(x)}^{f(x)}dy\,dx.$$
### 2. Вычисление объема тела ### 2. Вычисление объема тела
Двойной интеграл также используется для вычисления объема тела, ограниченного поверхностью $z=f(x,y)$ и проекцией этой поверхности на плоскость $xy$. Если $D$ — область на плоскости $xy$, то объем тела можно вычислить как: Двойной интеграл также используется для вычисления объема тела, ограниченного поверхностью $z=f(x,y)$ и проекцией этой поверхности на плоскость $xy$. Если $D$ — область на плоскости $xy$, то объем тела можно вычислить как:
$$V = \iint\limits_D f(x,y)\,dA.$$
$$V=\iint_{D}f(x,y)\,dA.$$
### 3. Вычисление массы пластины ### 3. Вычисление массы пластины
Если плотность пластины $\rho(x,y)$ задана как функция координат $(x,y)$, то масса пластины, занимающей область $D$, можно вычислить с помощью двойного интеграла: Если плотность пластины $\rho(x,y)$ задана как функция координат $(x,y)$, то масса пластины, занимающей область $D$, можно вычислить с помощью двойного интеграла:
$$M = \iint\limits_D \rho(x,y)\,dA.$$
$$M=\iint_{D}\rho(x,y)\,dA.$$
### 4. Вычисление центра масс пластины ### 4. Вычисление центра масс пластины
Центр масс пластины с плотностью $\rho(x,y)$ и областью $D$ можно найти, используя двойные интегралы. Координаты центра масс $(x_c,y_c)$ определяются как: Центр масс пластины с плотностью $\rho(x,y)$ и областью $D$ можно найти, используя двойные интегралы. Координаты центра масс $(x_c,y_c)$ определяются как:
$$x_c=\frac{\iint_{D}x\rho(x,y)\,dA}{\iint_{D}\rho(x,y)\,dA},$$ $$x_c = \frac{\iint_D x\rho(x,y)\,dA} {\iint_{D}\rho(x,y)\,dA},$$
$$y_c = \frac{\iint_D y\rho(x,y)\,dA} {\iint_{D}\rho(x,y)\,dA}.$$
$$y_c=\frac{\iint_{D}y\rho(x,y)\,dA}{\iint_{D}\rho(x,y)\,dA}.$$
### 5. Вычисление моментов инерции ### 5. Вычисление моментов инерции
Моменты инерции пластины относительно осей $x$ и $y$ также можно вычислить с помощью двойных интегралов. Моменты инерции $I_x$ и $I_y$ определяются как: Моменты инерции пластины относительно осей $x$ и $y$ также можно вычислить с помощью двойных интегралов. Моменты инерции $I_x$ и $I_y$ определяются как:
$$I_x = \iint\limits_D y^2\rho(x,y)\,dA,$$
$$I_x=\iint_{D}y^2\rho(x,y)\,dA,$$
### Пример ### Пример
Рассмотрим пример вычисления объема тела, ограниченного поверхностью $z=x^2+y^2$ и проекцией этой поверхности на плоскость $xy$ в пределах круга радиуса 1. Область $D$ — это круг радиуса 1, центрированный в начале координат. В полярных координатах $(r,\theta)$ область $D$ описывается как $0\leq r\leq1$ и $0\leq\theta\leq2\pi$. Тогда объем тела можно вычислить как: Рассмотрим пример вычисления объема тела, ограниченного поверхностью $z=x^2+y^2$ и проекцией этой поверхности на плоскость $xy$ в пределах круга радиуса 1. Область $D$ — это круг радиуса 1, центрированный в начале координат. В полярных координатах $(r,\theta)$ область $D$ описывается как $0\leq r\leq1$ и $0\leq\theta\leq2\pi$. Тогда объем тела можно вычислить как:
$$V=\iint\limits_D (x^2+y^2)\,dA = \int_0^{2\pi} \int_0^1 r^2r \, dr \, d\theta$$
$$V=\iint_{D}(x^2+y^2)\,dA=\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{1}r^2r\,dr\,d\theta.$$
Вычислим внутренний интеграл: Вычислим внутренний интеграл:
$$\int_0^1 r^3 \, dr = \left[ \frac{r^4} 4 \right]_0^1 = \frac 1 4$$
$$\int_{0}^{1}r^3\,dr=\left[\frac{r^4}{4}\right]_{0}^{1}=\frac{1}{4}.$$
Теперь вычислим внешний интеграл: Теперь вычислим внешний интеграл:
$$\int_0^{2\pi} \frac 1 4 \, d\theta = \frac 1 4 \cdot 2\pi = \frac \pi 2$$
$$\int_{0}^{2\pi}\frac{1}{4}\,d\theta=\frac{1}{4}\cdot2\pi=\frac{\pi}{2}.$$
Таким образом, объем тела равен $\frac{\pi}{2}$. Таким образом, объем тела равен $\frac{\pi}{2}$.
@@ -1,4 +1,4 @@
## Тема 1. Числовые, функциональные, степенные ряды, ряды Фурье. ### Числовые, функциональные, степенные ряды, ряды Фурье
1. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/1|Числовые ряды. Общий член ряда, сумма ряда. Необходимое условие сходимости ряда. ]] 1. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/1|Числовые ряды. Общий член ряда, сумма ряда. Необходимое условие сходимости ряда. ]]
2. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/2|Гармонический и обобщенный гармонический ряды и их сходимость. ]] 2. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/2|Гармонический и обобщенный гармонический ряды и их сходимость. ]]
3. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/3| Ряды с неотрицательными членами. Признаки сравнения. ]] 3. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/3| Ряды с неотрицательными членами. Признаки сравнения. ]]
@@ -22,7 +22,8 @@
21. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/21|Разложение в ряд Фурье четных и нечетных функций.]] 21. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/21|Разложение в ряд Фурье четных и нечетных функций.]]
22. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/22|Разложение в ряд Фурье функций произвольного периода.]] 22. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/22|Разложение в ряд Фурье функций произвольного периода.]]
23. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/23|Разложение в ряд Фурье непериодической функции.]] 23. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/1 раздел/23|Разложение в ряд Фурье непериодической функции.]]
## Тема 2. Кратные, криволинейные и поверхностные интегралы
### Тема 2. Кратные, криволинейные и поверхностные интегралы
24. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/24|Двойной интеграл, определение и свойства. Теорема существования.]] 24. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/24|Двойной интеграл, определение и свойства. Теорема существования.]]
25. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/25|Задачи, приводящие к понятию двойного интеграла.]] 25. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/25|Задачи, приводящие к понятию двойного интеграла.]]
26. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/26|Вычисление двойного интеграла в декартовых координатах: сведение двойного интеграла к повторному.]] 26. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/26|Вычисление двойного интеграла в декартовых координатах: сведение двойного интеграла к повторному.]]
@@ -43,4 +44,4 @@
41. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/41|Поверхностные интегралы второго рода: определение, теорема существования (без доказательства), свойства. Вычисление поверхностного интеграла второго рода.]] 41. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/41|Поверхностные интегралы второго рода: определение, теорема существования (без доказательства), свойства. Вычисление поверхностного интеграла второго рода.]]
42. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/42|Формула Остроградского-Гаусса.]] 42. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/42|Формула Остроградского-Гаусса.]]
43. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/43|Формула Стокса.]] 43. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/43|Формула Стокса.]]
44. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/44|Приложения поверхностных интегралов второго рода.]] 44. [[2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/44|Приложения поверхностных интегралов второго рода.]]