Свойства расходящихся рядов. Высшая математика
1. Основные понятия. Пусть дана бесконечная последовательность чисел
Определение. Выражение
где - общий член ряда.
Пример 7.1
Рассмотрим ряд . Здесь - общий член ряда.
Рассмотрим суммы, составленные из конечного числа членов ряда (7.1): , , , ..., , . . . Такие суммы называются частичными суммами ряда. называется -ой частичной суммой ряда. Таким образом, частичная сумма это сумма (конечного числа) слагаемых:
. | (7.3) |
Последовательность , , , ..., , ... или .называется последовательностью частичных сумм ряда (7.1).
Определение. Если существует конечный предел , то ряд (1.1) называется сходящимся, а число - суммой этого ряда. В этом случае пишут
Если последовательность не имеет предела, то ряд (7.1) называется расходящимся. Расходящийся ряд суммы не имеет.
Пример 7.2
Решение
Общий член ряда можно представить в виде
, (n = 1, 2, 3, . . .).
Следовательно, данный ряд сходится, и его сумма равна 1.
Пример 7.3 (геометрическая прогрессия)
Рассмотрим последовательность, каждый член которой, начиная со второго, получается в результате умножения предыдущего члена на одно и то же число:
Иногда сам ряд (7.5) называют геометрической прогрессией.
Частичная сумма ряда (7.5) представляет собой сумму членов геометрической прогрессии и
вычисляется по формуле
. | (7.6) |
Если , тогда . Следовательно, при ряд (7.5) сходится. Если , тогда . Следовательно, при ряд (7.5) расходится. Если , тогда (7.5) превращается в ряд 1 + 1 + 1 + ... + 1 + ... . Для такого ряда и
Следовательно, при ряд (7.5) расходится.
При рассмотрении рядов, важным является вопрос о сходимости (расходимости). Для решения этого вопроса в примерах 7.1 и 7.2 использовалось определение сходимости. Чаще для этого используются определенные свойства ряда, которые называются признаками сходимости ряда.
Теорема 7.1 (необходимый признак сходимости). Если ряд (7.1) сходится, то его общий член стремится к нулю при неограниченном возрастании , т. е.
Ряд (7.8) называется гармоническим рядом.
Для этого ряда . Однако, никакого вывода о сходимости ряда (7.8) пока сделать нельзя, так как утверждение, обратное теореме 7.1, не является верным.
Покажем, что ряд (7.8) расходится. Это можно установить рассуждениями от противного. Предположим, что ряд (7.8) сходится, и его сумма равна S .Тогда = –
– , что противоречит неравенству
Следовательно, гармонический ряд расходится.
Необходимым признаком можно воспользоваться для установления факта расходимости ряда. Действительно, из теоремы 7.1 следует, что если общий член ряда не стремится к нулю, то ряд расходится.
Пример 7.5
Рассмотрим ряд .
Здесь , . Предел не равен нулю, следовательно, ряд расходится.
Таким образом, если выполняется условие (7.7), вопрос о сходимости ряда (7.1) остается открытым. Ряд может расходиться, а может и сходиться. Для решения этого вопроса могут
быть использованы свойства ряда, из которых следует сходимость этого ряда. Такие свойства называются достаточными признаками сходимости рядов.
Ряды с положительными членами. Рассмотри достаточные признаки сходимости рядов с положительными членами.
Теорема 7.2 .(Признак Даламбера).
положительны :
1) если , ряд (7.1) сходится;
2) если , ряд (7.1) сходится;
Примечание. Ряд (7.1) будет расходиться и в том случае, когда , так как тогда, начиная с некоторого номера N, будет и, значит, не стремится к нулю при .
Пример 7.6
Исследовать на сходимость ряд .
Решение . , , тогда =
Найденный предел меньше единицы. Следовательно, данный ряд сходится.
Пример 7.7
Исследовать на сходимость ряд .
Решение . , , тогда =
= = = = = = = .
Найденный предел больше единицы. Следовательно, данный ряд расходится.
Теорема 7.3 .(Радикальный признак Коши).
Пусть дан ряд (7.1), все члены которого положительны :
и существует предел
, | (7.11) |
(где обозначение найденного предела). Тогда:
1) если , ряд (7.1) сходится;
2) если , ряд (7.1) сходится;
3) если , рассматриваемый признак не дает ответа на вопрос о сходимости ряда.
Доказательство признака можно найти в .
Пример 7.8
Исследовать на сходимость ряд .
Решение .
Найдем предел (7.11):
Найденный предел больше единицы. Следовательно, данный ряд расходится (теорема 7.3).
Обобщенный гармонический ряд. Обобщенным гармоническим рядом называется ряд вида
Теорема 7.3 . (теорема Лейбница). Если для ряда (7.13) выполняются два условия:
1) члены ряда по абсолютной величине монотонно убывают :
2) общий член ряда стремится к нулю :
то ряд (7.13) сходится.
Доказательство признака можно найти, например, в .
Пример 7.9.
Рассмотрим знакочередующийся ряд
(7.14) |
Для этого ряда условия теоремы (7.13) выполнены:
Следовательно, ряд (7.12) сходится.
Следствие из теоремы 7.3. Остаток знакочередующегося ряда (7.13), удовлетворяющего условиям теоремы Лейбница, имеет знак своего первого члена и меньше его по абсолютной величине.
Пример 7.10. Вычислить с точностью до 0,1 сумму сходящегося ряда
В качестве приближенного значения суммы ряда мы должны взять ту частичную сумму , для которой . Согласно следствию, . Следовательно, достаточно положить , т. е. , тогда
Отсюда с точностью до 0,1.
Абсолютная и условная сходимость . Рассмотрим ряд, члены которого имеют произвольные знаки
Отметим, что ряд (7.16) является рядом с положительными членами и для него применимы соответствующие теоремы, приведенные выше.
Теорема 7.4 (Признак абсолютной сходимости). Если сходится ряд (7.16) , то сходится и ряд (7.15).
(Доказательство теоремы можно найти, например, в ).
Определение.
Если сходится ряд (7.16), то соответствующий ряд (7.15) называется абсолютно сходящимся абсолютно сходящим ся.
Может оказаться, что ряд (7.16) расходится, а ряд (7.15) сходится. В этом случае ряд (7.15) называется условно сходящимся .
Отметим, что знакочередующийся ряд (7.13) является частным случаем ряда, члены которого имеют произвольные знаки. Поэтому для исследования знакочередующегося ряда также можно применить теорему 7.5.
Пример 7.11
Решение
Рассмотрим ряд, составленный из абсолютных величин членов данного ряда . Этот ряд сходится, т. к. это обобщенный гармонический ряд (7.12) со значением Следовательно, по признаку абсолютной сходимости (теорема 7.5) исходный ряд сходится абсолютно.
Пример 7.12
Ряд исследовать на сходимость.
Решение
по теореме Лейбница сходится, но ряд, составленный из абсолютных величин членов исходного ряда, расходится (это гармонический ряд). Следовательно, исходный ряд сходится условно.
Основные определения
Определение. Сумма членов бесконечной числовой последовательности называется числовым рядом.
При этом числа будем называть членами ряда, а un - общим членом ряда.
Определение. Суммы, n = 1, 2, … называются частными (частичными) суммами ряда.
Таким образом, возможно рассматривать последовательности частичных сумм ряда S1, S2, …,Sn, …
Определение. Ряд называется сходящимся, если сходится последовательность его частных сумм. Сумма сходящегося ряда - предел последовательности его частных сумм.
Определение. Если последовательность частных сумм ряда расходится, т.е. не имеет предела, или имеет бесконечный предел, то ряд называется расходящимся и ему не ставят в соответствие никакой суммы.
Свойства рядов
1) Сходимость или расходимость ряда не нарушится если изменить, отбросить или добавить конечное число членов ряда.
2) Рассмотрим два ряда и, где С - постоянное число.
Теорема. Если ряд сходится и его сумма равна S, то ряд тоже сходится, и его сумма равна СS. (C 0)
3) Рассмотрим два ряда и. Суммой или разностью этих рядов будет называться ряд, где элементы получены в результате сложения (вычитания) исходных элементов с одинаковыми номерами.
Теорема. Если ряды и сходятся и их суммы равны соответственно S и, то ряд тоже сходится и его сумма равна S + .
Разность двух сходящихся рядов также будет сходящимся рядом.
Сумма сходящегося и расходящегося рядов будет расходящимся рядом.
О сумме двух расходящихся рядов общего утверждения сделать нельзя.
При изучении рядов решают в основном две задачи: исследование на сходимость и нахождение суммы ряда.
Критерий Коши.
(необходимые и достаточные условия сходимости ряда)
Для того, чтобы последовательность была сходящейся, необходимо и достаточно, чтобы для любого существовал такой номер N, что при n > N и любом p > 0, где р - целое число, выполнялось бы неравенство:
Доказательство. (необходимость)
Пусть, тогда для любого числа найдется номер N такой, что неравенство
выполняется при n>N. При n>N и любом целом p>0 выполняется также неравенство. Учитывая оба неравенства, получаем:
Необходимость доказана. Доказательство достаточности рассматривать не будем.
Сформулируем критерий Коши для ряда.
Для того, чтобы ряд был сходящимся необходимо и достаточно, чтобы для любого существовал номер N такой, что при n>N и любом p>0 выполнялось бы неравенство
Однако, на практике использовать непосредственно критерий Коши не очень удобно. Поэтому, как правило, используются более простые признаки сходимости:
1) Если ряд сходится, то необходимо, чтобы общий член un стремился к нулю. Однако, это условие не является достаточным. Можно говорить только о том, что если общий член не стремится к нулю, то ряд точно расходится. Например, так называемый гармонический ряд является расходящимся, хотя его общий член и стремится к нулю.
Пример. Исследовать сходимость ряда
- - необходимый признак сходимости не выполняется, значит ряд расходится.
- 2) Если ряд сходится, то последовательность его частных сумм ограничена.
Однако, этот признак также не является достаточным.
Например, ряд 1-1+1-1+1-1+ … +(-1)n+1+… расходится, т.к. расходится последовательность его частных сумм в силу того, что
Однако, при этом последовательность частных сумм ограничена, т.к. при любом n.
1 свойство .
Отбрасывание конечного числа членов не влияет на сходимость ч.р.
РассмотримиПусть
Если существует конечный предел справа в (29.1), то существует и предел слева, и рядсходится
2 свойство .
Если рядсходится и имеет сумму S, то ряд
с = const, сходится и имеет сумму cS.
Пустьтогда
3 свойство .
Если рядысходятся и имеют суммысоответственно, то рядсходится и имеет сумму
Ряды с положительными членами. Признаки сравнения сходимости положительных рядов. Положительные ряды
Если a n ≥ 0 (n = 1, 2, 3, ...), то рядa 1 +a 2 +a 3 + ... называетсяположительным . В том случае, когда при всехn оказываетсяa n > 0, будем называть рядстрого положительным .
Положительные ряды обладают многими свойствами, сближающими их с обычными суммами конечного числа слагаемых.
Легко видеть, что частичная сумма S n =a 1 +a 2 + ... +a n положительного рядавозрастает (может быть, не строго) с увеличениемn . Так как всякая возрастающая числовая последовательность имеет конечный или бесконечный предел (причем члены последовательности не превосходят этого предела), то для любого положительного ряда существует предел
Этот предел будет конечным или бесконечным, смотря по тому, ограничено сверху или нет множество частичных сумм {S n }. Таким образом, имеет место
Теорема 1 . Положительный ряд сходится тогда и только тогда, когда множество его частичных сумм ограничено сверху.
Разумеется, у ряда не положительного ограниченность множества частичных сумм не обеспечивает сходимости, как это видно из примера ряда 1 + (-1) + 1 + (-1) + ...
Отметим еще, что частичные суммы сходящегося положительного ряда не превосходят его суммы.
Доказанная теорема сводит вопрос о сходимости положительного ряда к более простому вопросу об ограниченности множества его частичных сумм.
Рассмотрим, например, ряд (24)
в котором α > 1. Суммуэтого ряда можно записать так:
Так как сумма содержит 2 k слагаемых, а самое большое из них есть первое, то эта сумма не превосходит числа
Поэтому
Стоящая здесь справа сумма есть частичная сумма геометрической прогрессии
Как было доказано ранее эта прогрессия сходится (т. к. α > 1), и сумма ее равна
Так как прогрессия (25) также является рядом положительным, то ее частичные суммы не превосходят ее суммы (26). Тем более
Это неравенство установлено для любого m . Но для всякогоn можно найти такоеm , что 2 m - 1 >n .
Поэтому при всяком n оказываетсяи ряд (24) сходится.
Следует, однако, заметить, что непосредственное применение теоремы 1 встречается сравнительно редко.
Обычно применяют основанные на ней, но более удобные признаки сходимости рядов. Простейший из них - это так называемый признак сравнения рядов
Если каждый член положительного ряда не больше, чем имеющий тот же номер член другого ряда, то второй ряд называется мажорантным по отношению к первому.
Иначе говоря, ряд b 1 +b 2 +b 3 + ... является мажорантным по отношению к рядуa 1 +a 2 +a 3 + ..., если при всехn будетa n ≤b n .
Легко понять, что частичная сумма данного ряда не больше, чем (имеющая тот же номер) частичная сумма ряда мажорантного. Значит, если ограничены сверху частичные суммы мажорантного ряда, то это и подавно так для исходного ряда. Отсюда вытекает
Теорема 2. Если для положительного ряда существует сходящийся мажорантный ряд, то и сам этот ряд сходится. Если же данный ряд расходится, то расходится и всякий мажорантный для него ряд.
Рассмотрим, например, ряд (27)
предполагая α < 1. Ясно, что этот ряд - мажорантный по отношению к гармоническому ряду, и потому ряд (27) расходится.
Первый признак сравнения рядов. Пустьи- два знакоположительных числовых ряда и выполняется неравенстводля всехk = 1, 2, 3, ... Тогда из сходимости рядаследует сходимость, а из расходимости рядаследует расходимость. Первый признак сравнения используется очень часто и представляет собой очень мощный инструмент исследования числовых рядов на сходимость. Основную проблему представляет подбор подходящего ряда для сравнения. Ряд для сравнения обычно (но не всегда) выбирается так, что показатель степени егоk-ого члена равен разности показателей степени числителя и знаменателяk-ого члена исследуемого числового ряда. К примеру, пусть, разность показателей степени числителя и знаменателя равна2 – 3 = -1 , поэтому, для сравнения выбираем ряд сk-ым членом, то есть, гармонический ряд. Рассмотрим несколько примеров.Пример. Установить сходимость или расходимость ряда.Решение. Так как предел общего члена ряда равен нулю, то необходимое условие сходимости ряда выполнено. Несложно заметить, что справедливо неравенстводля всех натуральныхk . Мы знаем, что гармонический рядрасходится, следовательно, по первому признаку сравнения исходный ряд также является расходящимся.Пример. Исследуйте числовой рядна сходимость.Решение. Необходимое условие сходимости числового ряда выполняется, так как. Очевидно выполнение неравенствадля любого натурального значенияk . Рядсходится, так как обобщенно гармонический рядявляется сходящимся дляs > 1 . Таким образом, первый признак сравнения рядов позволяет констатировать сходимость исходного числового ряда.Пример. Определите сходимость или расходимость числового ряда.Решение. , следовательно, необходимое условие сходимости числового ряда выполнено. Какой ряд выбрать для сравнения? Напрашивается числовой ряд, а чтобы определиться сs , внимательно исследуем числовую последовательность. Члены числовой последовательностивозрастают к бесконечности. Таким образом, начиная с некоторого номераN (а именно, сN = 1619 ), члены этой последовательности будут больше2 . Начиная с этого номераN , справедливо неравенство. Числовой рядсходится в силу первого свойства сходящихся рядов, так как получается из сходящегося рядаотбрасыванием первыхN – 1 члена. Таким образом, по первому признаку сравнения сходящимся является ряд, а в силу первого свойства сходящихся числовых рядов сходится будет и ряд.Второй признак сравнения. Пустьи- знакоположительные числовые ряды. Если, то из сходимости рядаследует сходимость. Если, то из расходимости числового рядаследует расходимость.Следствие. Еслии, то из сходимости одного ряда следует сходимость другого, а из расходимости следует расходимость. Исследуем рядна сходимость с помощью второго признака сравнения. В качестве рядавозьмем сходящийся ряд. Найдем предел отношенияk-ых членов числовых рядов:Таким образом, по второму признаку сравнения из сходимости числового рядаследует сходимость исходного ряда.
Пример. Исследовать на сходимость числовой ряд.Решение. Проверим необходимое условие сходимости ряда. Условие выполнено. Для применения второго признака сравнения возьмем гармонический ряд. Найдем предел отношенияk-ых членов:Следовательно, из расходимости гармонического ряда следует расходимость исходного ряда по второму признаку сравнения. Для информации приведем третий признак сравнения рядов.Третий признак сравнения. Пустьи- знакоположительные числовые ряды. Если с некоторого номераN выполняется условие, то из сходимости рядаследует сходимость, а из расходимости рядаследует расходимость.
Введение
числовой коши даламбер
Понятие бесконечных сумм фактически было известно ученым Древней Греции (Евдокс, Евклид, Архимед). Нахождение бесконечных сумм являлось составной частью так называемого метода исчерпывания, широко используемого древнегреческими учеными для нахождения площадей фигур, объемов тел, длин кривых и т.д. Так, например, Архимед для вычисления площади параболического сегмента (т.е. фигуры, ограниченной прямой и параболой) нашел сумму бесконечной геометрической прогрессии со знаменателем 1/4.
Ряд, как самостоятельное понятие, математики стали использовать в XVII в. И. Ньютон и Г. Лейбниц применяли ряды для решения алгебраических и дифференциальных уравнений. Теория рядов в XVIII-XIX вв. развивалась в работах Я. и И. Бернулли, Б. Тейлора, К. Маклорена, Л. Эйлера, Ж. Даламбера, Ж. Лагранжа и др. Строгая теория рядов была создана в XIX в. на основе понятия предела в трудах К. Гаусса, Б. Больцано, О. Коши, П. Дирихле, Н. Абеля, К. Вейерштрасса, Б. Римана и др.
Актуальность изучения данной проблемы обусловлена тем, что раздел математики, позволяющий решить любую корректно поставленную задачу с достаточной для практического использования точностью, называется теорией рядов. Даже если некоторые тонкие понятия математического анализа появились вне связи с теорией рядов, они немедленно применялись к рядам, которые служили как бы инструментом для испытания значимости этих понятий. Такое положение сохраняется и сейчас. Таким образом, представляется актуальным изучить числовые ряды, их основные понятия и особенности сходимости ряда.
1. История возникновения
.1 Первое упоминание и использование числового ряда
Правила арифметики дают нам возможность определить сумму двух, трех, четырех и вообще любого конечного набора чисел. А если количество слагаемых бесконечно? Пусть это даже «самая маленькая» бесконечность, т.е. пусть число слагаемых счетно.
Нахождение бесконечных сумм являлось составной частью так называемого метода исчерпывания, широко используемого древнегреческими учеными для нахождения площадей фигур, объемов тел, длин кривых и т.д. Так, например, Архимед для вычисления площади параболического сегмента (т.е. фигуры, ограниченной прямой и параболой) нашел сумму бесконечной геометрической прогрессии со знаменателем 1/4.
Почти две с половиной тысячи лет назад греческий математик и астроном Евдокс Книдский применял метод «исчерпывания» к нахождению площадей и объемов. Идея этого метода состоит в том, чтобы исследуемое тело разбить на счетное число частей, площади или объемы которых известны, а затем эти объемы сложить. Этот метод применяли и Эвклид, и Архимед. Естественно, полного и аккуратного обоснования метода в работах античных математиков не было. До этого нужно было пройти еще долгий двухтысячелетний путь, на котором были и блестящие откровения, и ошибки, и курьезы.
Вот, например, как рассуждал один средневековый богослов при доказательстве - не более и не менее - существования Всемогущего Бога.
Запишем в равновеликих величинах S как бесконечную сумму
S = 1010101010… (1)
«Заменим в правой части этого равенства каждый нуль на сумму 1+(-1)
S =1+(-1)+ 1+(-1)+ 1+(-1)+… (2)
Оставив в одиночестве первое слагаемое в правой части (2), объединим с помощью скобок второе слагаемое с третьим, четвертое с пятым и т.д. Тогда
S=1 + ((-1) +1) + ((-1) +1) +… = 1+0+0+… = 1.»
«Если из нуля можно по желанию получить единицу, то допустимо и предположение о сотворении мира из ничего!»
Согласимся ли мы с таким рассуждением? Конечно, нет. С точки зрения современной математики ошибка автора состоит в том, что он пытается оперировать с понятиями, которым не дано определения (что это такое - «сумма бесконечного числа слагаемых»), и совершает преобразования (раскрытие скобок, перегруп-пировка), законность которых не была им обоснована.
Широко пользовались счетными суммами, не уделяя достаточного внимания вопросу о том, что же точно означает это понятие, крупнейшие математики XVII и XVIII веков - Исаак Ньютон (1642-1727), Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716), Брук Тейлор (1685-1731), Колин Маклорен (1698-1746), Жозеф Луи Лагранж (1736-1813). Виртуозным мастерством обращения с рядами отмечался Леонард, Эйлер (1707-1783), вместе с тем он нередко признавал недостаточное обоснование используемых им приемов. В ста работах неоднократно встречаются предложения вроде такого «Мы обнаружили, что эти два бесконечных выражения равны, хотя и оказалось невозможным это доказать». Он предостерегает математиков от использования «расходящихся рядов», хотя сам не всегда заботился от этом, и лишь гениальная интуиция защищает его от неверных заключений; правда, и у него случаются «проколы».
К началу XIX века необходимость аккуратного обоснования свойств «счетных сумм» становится ясной. В 1812 году Карл Фридрих Гаусс (1777-1865) дает первый образец исследования сходимости ряда, в 1821 году наш хороший знакомый Огюстен Луи Коши (1789-1857) устанавливает основные современные принципы теории рядов.
.2 Дальнейшее изучение числовых рядов. Четкая формулировка понятия числового ряда
Суммирование бесконечных геометрических прогрессий со знаменателем, меньшим 1, производилось уже в древности (Архимед). Расходимость гармонического ряда была установлена итальянским ученым Менголи в 1650 г. Степенные ряды появились у Ньютона (1665), который полагал, что степенным рядом можно представить любую функцию. У ученых XVIII века ряды постоянно встречались в вычислениях, но далеко не всегда уделялось внимание вопросу о сходимости. Точная теория рядов начинается с работ Гаусса (1812), Больцано (1817) и, наконец, Коши, где впервые дано современное определение суммы сходящегося ряда и установлены основные теоремы. 1821 году Коши публикует «Курс анализа в Политехнической королевской школе», имевший наибольшее значение для распространения новых идей обоснования математического анализа в первой половине XIX века.
«Рядом называют неограниченную последовательность количеств
получающихся один из других по определенному закону… Пусть
есть сумма n-первых членов, где n - какое-либо целое число. Если при постоянном возрастании значений n сумма неограниченно приближается к известному пределу S, ряд называется сходящимся, а этот предел-суммой ряда. Наоборот, если при неограниченном возрастании n сумма не приближается ни к какому определенному пределу, ряд будет расходящимся и не будет иметь суммы…» [Из первой части «Курса анализа в политехнической королевской школе» О. Коши (1821) {№54 т. III, c. 114-116, перевод А.П. Юшкевича }]
.3 Задачи, приводящие к понятию числового ряда и те, в которых он использовался
Быстроногий Ахиллес никогда не догонит черепахи, если в начале движения черепаха находилась на некотором расстоянии впереди него. Действительно, пусть начальное расстояние есть а и пусть Ахиллес бежит в k раз быстрее черепахи. Когда Ахиллес пройдет расстояние а, черепаха отползет па а/k, когда Ахиллес пройдет это расстояние, черепаха отползет на a/, и т.д., т.е. всякий раз между состязающимися будет оставаться отличное от нуля расстояние.
В этой апории, помимо того же затруднения отсчитанной бесконечности, имеется и еще одно. Предположим, что в некоторый момент времени Ахиллес догонит черепаху. Запишем путь Ахиллеса
и путь черепахи
Каждому отрезку пути а/, пройденному Ахиллесом, соответствует отрезок пути a/ черепахи. Поэтому к моменту встречи Ахиллес должен пройти «столько же» отрезков пути, сколько и черепаха. С другой стороны, каждому отрезку а/, пройденному черепахой, можно сопоставить равный ему по величине отрезок пути Ахиллеса. Но, кроме того, Ахиллес должен пробежать еще один отрезок длины а, т.е. он должен пройти на единицу больше отрезков, чем черепаха. Если количество отрезков, пройденное последней, есть б, то получаем
«Стрела». «Стрела». Если время и пространство состоят из неделимых частиц, то летящая стрела неподвижна, так как в каждый неделимый момент времени она занимает равное себе положение, т.е. покоится, а отрезок времени и есть сумма таких неделимых моментов.
Эта апория направлена против представления о непрерывной величине - как о сумме бесконечного числа неделимых частиц.
«Стадион». Пусть по стадиону движутся по параллельным прямым равные массы с равной скоростью, но в противоположных направлениях. Пусть ряд, означает неподвижные массы, ряд - массы, движущиеся вправо, а ряд - массы, движущиеся влево (рис. 1). Будем теперь рассматривать массы. как неделимые. В неделимый момент времени проходят неделимую часть пространства. Действительно, если бы в неделимый момент времени некоторое тело проходило более одной неделимой части пространства, то неделимый момент времени был бы делим, если же меньше, то можно было бы разделить неделимую часть пространства. Рассмотрим теперь движение неделимых друг относительно друга: за два неделимых момента времени, пройдет две неделимые части, и одновременно отсчитает четыре неделимые части, т.е. неделимый момент времени окажется делимым.
Этой апории можно придать и несколько другую форму. За одно и то же время t точка проходит половину отрезка и целый отрезок. Но каждому неделимому моменту времени отвечает неделимая часть пространства, проходимая за это время. Тогда в некотором отрезке а и отрезке 2а содержится «одинаковое» число точек, «одинаковое» в том смысле, что между точками обоих отрезков можно установить взаимно однозначное соответствие. Этим впервые было установлено такое соответствие между точками отрезков различной длины. Если считать, что мера отрезка получается как сумма мер неделимых, то вывод является парадоксальным.
2. Применение числового ряда
.1 Определение
Пусть задана бесконечная числовая последовательность
Определение 1.1 . Числовым рядом или просто рядом называется выражение (сумма) вида
Числа называются членами ряда , - общим или n-м членом ряда.
Чтобы задать ряд (1.1) достаточно задать функцию натурального аргумента вычисления -го члена ряда по его номеру
Из членов ряда (1.1) образуем числовую последовательность частичных сумм где - сумма первых членов ряда, которая называется n -й частичной суммой , т.е.
…………………………….
…………………………….
Числовая последовательность при неограниченном возрастании номера может:
) иметь конечный предел;
) не иметь конечного предела (предел не существует или равен бесконечности).
Определение 1.2 . Ряд (1.1) называется сходящимся, если последовательность его частичных сумм (1.5) имеет конечный предел, т.е.
В этом случае число называется суммой ряда (1.1) и обозначается
Определение 1.3. Ряд (1.1) называется расходящимся, если последовательность его частичных сумм не имеет конечного предела.
Расходящемуся ряду не приписывают никакой суммы.
Таким образом, задача нахождения суммы сходящегося ряда (1.1) равносильна вычислению предела последовательности его частичных сумм.
.2 Основные свойства числовых рядов
Свойства суммы конечного числа слагаемых отличаются от свойств ряда, т.е. суммы бесконечного числа слагаемых. Так, в случае конечного числа слагаемых их можно группировать в каком угодно порядке, от этого сумма не изменится. Существуют сходящиеся ряды (условно сходящиеся), для которых, как показал Риман Георг Фридрих Бернхард, меняя надлежащим образом порядок следования их членов, можно сделать сумму ряда равной какому угодно числу, и даже расходящийся ряд.
Пример 2.1. Рассмотрим расходящийся ряд вида
Сгруппировав его члены попарно, получим сходящийся числовой ряд с суммой, равной нулю:
С другой стороны, сгруппировав его члены попарно, начиная со второго члена, получим также сходящийся ряд, но уже с суммой, равной единице:
Сходящиеся ряды обладают некоторыми свойствами, которые позволяют действовать с ними, как с конечными суммами. Так их можно умножать на числа, почленно складывать и вычитать. У них можно объединять в группы любые рядом стоящие слагаемые.
Теорема 2.1. (Необходимый признак сходимости ряда).
Если ряд (1.1) сходится, то его общий член стремится к нулю при неограниченном возрастании n, т.е.
Доказательство теоремы следует из того, что, и если
S - сумма ряда (1.1), то
Условие (2.1) является необходимым, но недостаточным условием для сходимости ряда. Т. е., если общий член ряда стремится к нулю при, то это не значит, что ряд сходится. Например, для гармонического ряда (1.2) однако он расходится.
Следствие (Достаточный признак расходимости ряда).
Если общий член ряда не стремится к нулю при, то этот ряд расходится.
Свойство 2.1. Сходимость или расходимость ряда не изменится, если произвольным образом удалить из него, добавить к нему, переставить в нем конечное число членов (при этом для сходящегося ряда его сумма может измениться).
Доказательство свойства следует из того, что ряд (1.1) и любой его остаток сходятся или расходятся одновременно.
Свойство 2.2. Сходящийся ряд можно умножать на число, т.е., если ряд (1.1) сходится, имеет сумму S и c - некоторое число, тогда
Доказательство следует из того, что для конечных сумм справедливы равенства
Свойство 2.3. Сходящиеся ряды можно почленно складывать и вычитать, т.е. если ряды,
сходятся,
сходится и его сумма равна т.е.
Доказательство следует из свойств предела конечных сумм, т.е.
Признак сравнения
Пусть даны два положительных ряда
и выполняются условия для всех n=1,2,…
Тогда: 1) из сходимости ряда (3.2) следует сходимость ряда (3.1);
) из расходимости ряда (3.1) следует расходимость ряда (3.2).
Доказательство . 1. Пусть ряд (3.2) сходится и его сумма равна В. Последовательность частичных сумм ряда (3.1) является неубывающей ограниченной сверху числом В, т.е.
Тогда в силу свойств таких последовательностей следует, что она имеет конечный предел, т.е. ряд (3.1) сходится.
Пусть ряд (3.1) расходится. Тогда, если ряд (3.2) сходится, то в силу доказанного выше пункта 1 сходился бы и исходный ряд, что противоречит нашему условию. Следовательно ряд (3.2) также расходится.
Этот признак удобно применять к определению сходимости рядов, сравнивая их с рядами, сходимость которых уже известна.
Признак Даламбера
Тогда: 1) при q < 1 ряд (1.1) сходится;
) при q > 1 ряд (1.1) расходится;
) при q = 1 о сходимости ряда (1.1) ничего сказать нельзя, необходимы дополнительные исследования.
Замечание: Ряд (1.1) будет расходиться и в том случае, когда
Признак Коши
Пусть члены положительного ряда (1.1) таковы, что существует предел
Тогда: 1) при q < 1 ряд (1.1) сходится;
) при q > 1 ряд (1.1) расходится;
3) при q = 1 о сходимости ряда (1.1) ничего сказать нельзя, необходимы дополнительные исследования.
Интегральный признак Коши - Маклорена
Пусть функция f(x) непрерывная неотрицательная невозрастающая функция на промежутке
Тогда ряд и несобственный интеграл сходятся или расходятся одновременно.
.3 Задачи
Числовые ряды применяются не только в математике, но и в ряде других наук. Хотелось бы привести несколько примеров такого использования.
Например, для исследования свойств структур обломочных пород. На практике использование понятия «структура» в основном свелось к характеристике размерных параметров зёрен. В связи с этим понятие «структура» в петрографии не соответствует понятию «структура» в кристаллографии, структурной геологии и других науках о строении вещества. В последних «структура» больше соответствует понятию «текстура» в петрографии и отражает способ заполнения пространства. Если принять, что «структура» является пространственным понятиям, то следующие структуры нужно считать бессодержательными: вторичные или первичные структуры и текстуры; кристаллические, химические, замещения (разъедания, перекристаллизации и т.д.), деформационные структуры, ориентированные, остаточные структуры и пр. Поэтому эти «структуры» названы «ложными структурами».
Структура - это множество структурных элементов, характеризуемое размерами зерен и их количественными соотношениями.
При проведении конкретных классификаций обычно используются линейные параметры зерна с последовательностью
хотя количественные оценки распространённости осуществляются через площадные (процентные) параметры. Эта последовательность может иметь значительную длину и никогда не строится. Обычно же говорят только о пределах изменения параметров, называя максимальные (max) и минимальные (min) значения размеров зерен.
Одно из направлений представления P4 - использование числовых рядов, которые строятся также как и указанная выше последовательность, но вместо (?) ставиться знак суммы (+). Свертка всех последовательностей осуществляется объединением равных элементов и сложением их площадей. Тогда имеем последовательность:
Выражение означает, что измерена площадь, занимаемая всеми сечениями тех зерен i, размер которых равен.
Эта особенность зёрен позволяет проводить числовой анализ полученных соотношений. Во-первых, параметр можно рассматривать как значения координатной оси и таким образом строить некоторый график S=f(l). Во-вторых, последовательность (RSl) 1 можно ранжировать, например, по убыванию коэффициентов, в результате получается ряд
Именно этот ряд и называется структурой данного сечения породы, он же является и определением понятия «структура». Параметр есть элемент структуры, а параметр k= - длина структуры. По построению n=k. Такое представление структуры позволяет проводить сравнение различных структур между собой.
Также, Бутусов Кирилл Павлович Открыл явление «резонанса волн биений», на основе чего сформулировал «закон планетных периодов», из-за которого периоды обращений планет образуют числовые ряды Фибоначчи и Люка и доказал, что «закон планетных расстояний» Иоганна Тициуса есть следствие «резонанса волн биений» (1977). Одновременно обнаружил проявление «золотого сечения» и в распределении ряда других параметров тел Солнечной системы (1977). В связи с этим ведет работу по созданию «золотой математики» - новой системы счисления, основанной на числе Фидия (1,6180339), более адекватной задачам астрономии, биологии, архитектуры, эстетики, теории музыки и т.д.
Из истории астрономии известно, что И. Тициус, немецкий астроном XVIII в., с помощью этого ряда Фибоначчи нашел закономерность и порядок в расстояниях между планетами солнечной системы.
Однако один случай, который, казалось бы, противоречил закону: между Марсом и Юпитером не было планеты. Сосредоточенное наблюдение за этим участком неба привело к открытию пояса астероидов. Произошло это после смерти Тициуса в начале XIX в. Ряд Фибоначчи используют широко: с его помощью представляют архитектонику и живых существ, и рукотворных сооружений, и строение Галактик. Эти факты - свидетельства независимости числового ряда от условий его проявления, что является одним из признаков его универсальности.
Криптография - наука о математических методах обеспечения конфиденциальности (невозможности прочтения информации посторонним) и аутентичности (целостности и подлинности авторства, а также невозможности отказа от авторства) информации. Подавляющее большинство современных криптографических систем используют либо поточные, либо блочные алгоритмы, базирующиеся на различных типах шифрах замены и перестановки. К сожалению, практически все алгоритмы, используемые в поточных криптосистемах, ориентированных на использование в военных и правительственных системах связи, а также, в некоторых случаях, для зашиты информации коммерческого характера, что вполне естественно делает их секретными и недоступными для ознакомления. Единственными стандартными алгоритмами поточного шифрования являются уже американский стандарт DES (режимы CFB и OFB) и российский стандарт ГОСТ 28147-89 (режим гаммирования). При этом алгоритмы поточного шифрования, используемые в этих стандартах, являются засекреченными.
Основу функционирования поточных криптосистем составляют генераторы случайных или псевдослучайных последовательностей. Рассмотрим этот вопрос более подробно.
Псевдослучайные последовательности
Секретные ключи представляют собой основу криптографических преобразований, для которых, следуя правилу Керкхофа, стойкость хорошей шифровальной системы определяется лишь секретностью ключа. Однако в практике создание, распределение и хранение ключей редко были сложными технически, хотя и дорогими задачами. Основная проблема классической криптографии долгое время заключалась в трудности генерирования непредсказуемых двоичных последовательностей большой длины с применением короткого случайного ключа. Для ее решения широко используются генераторы двоичных псевдослучайных последовательностей. Существенный прогресс в разработке и анализе этих генераторов был достигнут лишь к началу шестидесятых годов. Поэтому в данной главе рассмотрены правила получения ключей и генерации на их основе длинных псевдослучайных последовательностей, используемых криптографическими системами для преобразования сообщения в шифровку.
Получаемые программно из ключа, случайные или псевдослучайные ряды чисел называются на жаргоне отечественных криптографов гаммой, по названию у - буквы греческого алфавита, которой в математических записях обозначаются случайные величины. Интересно отметить, что в книге «Незнакомцы на мосту», написанной адвокатом разведчика Абеля, приводится термин гамма, который специалисты ЦРУ пометили комментарием - «музыкальное упражнение?», то есть в пятидесятые годы они не знали его смысла. Получение и размножение реализаций настоящих случайных рядов опасно, сложно и накладно. Физическое моделирование случайности с помощью таких физических явлений, как радиоактивное излучение, дробовой шум в электронной лампе или туннельный пробой полупроводникового стабилитрона не дают настоящих случайных процессов. Хотя известны случаи удачных применений их в генерации ключей, например, в российском криптографическом устройстве КРИПТОН. Поэтому вместо физических процессов для генерации гаммы применяют программы для ЭВМ, которые хотя и называются генераторами случайных чисел, но на самом деле выдающие детерминированные числовые ряды, которые только кажутся случайными по своим свойствам. От них требуется, чтобы, даже зная закон формирования, но не зная ключа в виде начальных условий, никто не смог бы отличить числовой ряд от случайного, как будто он получен бросанием идеальных игральных костей. Можно сформулировать три основных требования к криптографически стойкому генератору псевдослучайной последовательности или гаммы:
Период гаммы должен быть достаточно большим для шифрования сообщений различной длины.
Гамма должна быть трудно предсказуемой. Это значит, что если известны тип генератора и кусок гаммы, то невозможно предсказать следующий за этим куском бит гаммы с вероятностью выше х. Если криптоаналитику станет известна какая-то часть гаммы, он все же не сможет определить биты, предшествующие ей или следующие за ней.
Генерирование гаммы не должно быть связано с большими техническими и организационными трудностями.
Последовательности Фибоначчи
Интересный класс генераторов случайных чисел неоднократно предлагался многими специалистами целочисленной арифметике, в частности Джорджем Марсалиа и Арифом Зейманом. Генераторы этого типа основаны на использовании последовательностей Фибоначчи. Классический пример такой последовательности {0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34…}. За исключением первых двух ее членов, каждый последующий член равен сумме двух предшествующих. Если брать только последнюю цифру каждого числа в последовательности, то получится последовательность чисел {0, 1, 1, 2, 5, 8, 3, 1, 4, 5, 9, 4…} Если эта последовательность применяется для начального заполнения массива большой длины, то, используя этот массив, можно создать генератор случайных чисел Фибоначчи с запаздыванием, где складываются не соседние, а удаленные числа. Марсалиа и Зейман предложили ввести в схему Фибоначчи «бит переноса», который может иметь начальное значение 0 или 1. Построенный на этой основе генератор «сложения с переносом» приобретает интересные свойства, на их основании можно создавать последовательности, период которых значительно больше, чем у применяемых в настоящее время конгруэнтных генераторов. По образному выражению Марсалиа, генераторы этого класса можно рассматривать как усилители случайности. «Вы берете случайное заполнение длиной в несколько тысяч бит и генерируете длинные последовательности случайных чисел». Однако большой период сам по себе еще не является достаточным условием. Слабые места гамм бывает трудно обнаружить и аналитику требуется применять утонченные методы анализа последовательностей, чтобы выделить определенные закономерности, которые скрыты в большом массиве цифр.
Выводы
Ряды широко используются в математике и ее приложениях, в теоретических исследованиях, так и при приближенных численных решениях задач. Многие числа могут быть записаны в виде специальных рядов, с помощью которых удобно вычислять их приближенные значения с нужной точностью. Метод разложения в ряды является эффективным методом изучения функций. Он применяется для вычисления приближенных значений функций, для вычисления и оценок интегралов, для решения всевозможных уравнений (алгебраических, дифференциальных, интегральных).
Список литературы
1.Шилов Г.Е. Математический анализ. Функции одного переменного. Ч. 1-2 - М.:Наука, 1969
Майков Е.В. Математический анализ. Числовые ряды/Е.В. Майков. - 1999
.«Курс анализа в политехнической королевской школе»
О. Коши (1821) {№54 т. III, c. 114-116, перевод А.П. Юшкевича}
История математики с древнейших времен до начала XIX столетия (под ред. Юшкевича А.П., том I)
Хрестоматия по истории математики (часть II) (под ред. Юшкевича А.П.)
Высшая математика: Общий курс: Учеб. - 2-е изд., / А.И. Яблонский, А.В. Кузнецов, Е.И. Шилкина и др.; Под общ. ред. С.А. Самаля. - Мн.: Выш. шк., 2000. - 351 с.
Марков Л.Н., Размыслович Г.П. Высшая математика. Часть 2. Основы математического анализа и элементы дифференциальных уравнений. - Мн.: Амалфея, 2003. - 352 с.
8.Макаров В.П. Вопросы теоретической геологии. 7. Элементы теории структур. /Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2007. Одесса, Черноморье, 2007. Т.19. С. 27 - 40.
9.Половинкина Ю. Ир. Структуры горных пород. Часть 1: Магматические породы; Часть 2: Осадочные породы; Часть 3: Метаморфические породы. - М.: Госгеолиздат, 1948.
10.http://shaping.ru/mku/butusov.asp
Http://www.abc-people.com/idea/zolotsech/gr-txt.htm
Учебно-методический комплекс дисциплины «Математика». Раздел 10 «Ряды». Теоретические основы. Методические указания для студентов. Материалы для самостоятельной работы студентов. - Уфа: Издательство УГНТУ, 2007. - 113 с.
13.http://cryptolog.ru/? Psevdosluchainye_posledovatelmznosti
14.Галуев Г.А. Математические основы криптологии: Учебно-методическое пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ 2003.-120 с.
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
1.Числовые ряды: основные понятия, необходимые условия сходимости ряда. Остаток ряда.
2.Ряды с положительными членами и признаки их сходимости: признаки сравнения, Даламбера, Коши.
3. Знакочередующиеся ряды, признак Лейбница.
1. Определение числового ряда. Сходимость
В математических приложениях, а также при решении некоторых задач в экономике, статистике и других областях рассматриваются суммы с бесконечным числом слагаемых. Здесь мы дадим определение того, что понимается под такими суммами.
Пусть задана бесконечная числовая последовательность
Определение 1.1 . Числовым рядом или просто рядом называется выражение (сумма) вида
. (1.1)
Числа называютсячленами ряда , –общим или n–м членом ряда.
Чтобы задать ряд (1.1) достаточно задать функцию натурального аргумента вычисления-го члена ряда по его номеру
Пример 1.1 . Пусть . Ряд
(1.2)
называется гармоническим рядом .
Пример 1.2 . Пусть ,Ряд
(1.3)
называется обобщенным гармоническим рядом . В частном случае при получается гармонический ряд.
Пример 1.3 . Пусть =. Ряд
называется рядом геометрической прогрессии .
Из членов ряда (1.1) образуем числовую последовательность частичных сумм где – суммапервых членов ряда, которая называетсяn -й частичной суммой , т. е.
…………………………….
…………………………….
Числовая последовательность при неограниченном возрастании номераможет:
1) иметь конечный предел;
2) не иметь конечного предела (предел не существует или равен бесконечности).
Определение 1.2 . Ряд (1.1) называется сходящимся, если последовательность его частичных сумм (1.5) имеет конечный предел, т. е.
В этом случае число называетсясуммой ряда (1.1) и пишется
Определение 1.3. Ряд (1.1) называется расходящимся, если последовательность его частичных сумм не имеет конечного предела.
Расходящемуся ряду не приписывают никакой суммы.
Таким образом, задача нахождения суммы сходящегося ряда (1.1) равносильна вычислению предела последовательности его частичных сумм.
Рассмотрим несколько примеров.
Пример 1.4. Доказать, что ряд
сходится, и найти его сумму.
Найдем n-ю частичную сумму данного ряда .
Общий член ряда представим в виде.
Отсюда имеем: . Следовательно, данный ряд сходится и его сумма равна 1:
Пример 1.5 . Исследовать на сходимость ряд
Для этого ряда
. Следовательно, данный ряд расходится.
Замечание. При ряд (1.6) представляет собой сумму бесконечного числа нулей и является, очевидно, сходящимся.
2. Основные свойства числовых рядов
Свойства суммы конечного числа слагаемых отличаются от свойств ряда, т. е. суммы бесконечного числа слагаемых. Так, в случае конечного числа слагаемых их можно группировать в каком угодно порядке, от этого сумма не изменится. Существуют сходящиеся ряды (условно сходящиеся, которые будут рассмотрены в разделе 5), для которых, как показал Риман* , меняя надлежащим образом порядок следования их членов, можно сделать сумму ряда равной какому угодно числу, и даже расходящийся ряд.
Пример 2.1. Рассмотрим расходящийся ряд вида (1.7)
Сгруппировав его члены попарно, получим сходящийся числовой ряд с суммой, равной нулю:
С другой стороны, сгруппировав его члены попарно, начиная со второго члена, получим также сходящийся ряд, но уже с суммой, равной единице:
Сходящиеся ряды обладают некоторыми свойствами, которые позволяют действовать с ними, как с конечными суммами. Так их можно умножать на числа, почленно складывать и вычитать. У них можно объединять в группы любые рядом стоящие слагаемые.
Теорема 2.1. (Необходимый признак сходимости ряда).
Если ряд (1.1) сходится, то его общий член стремится к нулю при неограниченном возрастании n, т. е.
Доказательство теоремы следует из того, что , и если
S – сумма ряда (1.1), то
Условие (2.1) является необходимым, но недостаточным условием для сходимости ряда. Т. е., если общий член ряда стремится к нулю при , то это не значит, что ряд сходится. Например, для гармонического ряда (1.2)однако, как будет показано ниже, он расходится.
Следствие (Достаточный признак расходимости ряда).
Если общий член ряда не стремится к нулю при, то этот ряд расходится.
Пример 2.2. Исследовать на сходимость ряд
.
Для этого ряда
Следовательно, данный ряд расходится.
Рассмотренные выше расходящиеся ряды (1.6), (1.7) также являются таковыми в силу того, что для них не выполняется необходимый признак сходимости.Для ряда (1.6) пределдля ряда (1.7) пределне существует.
Свойство 2.1. Сходимость или расходимость ряда не изменится, если произвольным образом удалить из него, добавить к нему, переставить в нем конечное число членов (при этом для сходящегося ряда его сумма может измениться).
Доказательство свойства следует из того, что ряд (1.1) и любой его остаток сходятся или расходятся одновременно.
Свойство 2.2. Сходящийся ряд можно умножать на число, т. е., если ряд (1.1) сходится, имеет сумму S и c – некоторое число, тогда
Доказательство следует из того, что для конечных сумм справедливы равенства
Свойство 2.3. Сходящиеся ряды можно почленно складывать и вычитать, т. е. если ряды ,
сходятся,
сходится и его сумма равна т. е.
.
Доказательство следует из свойств предела конечных сумм, т. е.