background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 23  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

 

SZEREGI POTĘGOWE 

 

)

(

n

c

ciąg liczb zespolonych 

=

0

0

)

(

n

n

n

z

z

c

- szereg potęgowy,  

gdzie (

n

c

)- ciąg współczynników szeregu, 

0

z

C - środek, „centrum” (ustalone), 

z

C - zmienna. 

 

 

Dla  dowolnego  ustalonego 

z

C  szereg  potęgowy  może  być  zbieżny  albo  rozbieżny.  Jeżeli  szereg 

=

0

0

)

(

n

n

n

z

z

c

jest zbieżny w pewnym punkcie wC , to jest on zbieżny w każdym kole domkniętym 

r

z

z

|

|

0

,  gdzie  r<|w-z

0

|.  Rzeczywiście  ze  zbieżności  szeregu 

=

0

0

)

(

n

n

n

z

w

c

i  z  WK  zbieżności 

szeregu  mamy 

0

)

(

lim

0

=

n

n

n

z

w

c

,  a  stąd   

K

z

w

c

n

n

|

)

(

|

0

.  Wobec tego  dla 

z

spełniających 

warunek 0<

r

z

z

|

|

0

, gdzie  r<|w-z

0

| dostajemy 

n

n

n

n

n

n

Kq

z

w

z

z

z

w

c

z

z

c





|

|

|

|

|

)

(

|

|

)

(

|

0

0

0

0

 , gdzie 0<q<1. Stąd teza 

Podobnie  jeśli szereg jest rozbieżny w pewnym punkcie w , to jest rozbieżny dla

z

spełniających 

warunek  

r

z

z

|

|

0

, gdzie r<|w-z

0

|.  

 
Wobec tego, z każdym szeregiem potęgowym związane jest tzw. koło zbieżności. Jeżeli 

z

C  leży 

we wnętrzu koła zbieżności, to szereg jest zbieżny. Jeżeli na zewnątrz – to rozbieżny, zaś jeżeli z leży 

na okręgu koła, to badanie zbieżności wymaga stosowania specjalnych metod. 

 

Tw: (

O promieniu zbieżności R szeregu potęgowego 

Jeżeli istnieje granica

  

n

n

n

c

c

1

sup

lim

+

=

α

 

(d’Alambert)

  

 

lub  

n

n

n

c

sup

lim

=

α

  

(Cauchy)

 ,  

to   

=

=

<

<

=

α

α

α

α

0

0

0

1

R

 

Dow. (fragment) 

z

C – dowolnie ustalone, badamy bezwzględną zbieżność 

=

0

0

)

(

n

n

n

z

z

c

Dla ustalonego 

z

  szereg liczbowy  

=

0

0

)

(

n

n

n

z

z

c

jest szeregiem o wyrazach nieujemnych. 

Z  kryterium d’Alamberta 

0

0

1

0

1

0

1

sup

lim

sup

lim

z

z

z

z

c

c

z

z

c

z

z

c

g

n

n

n

n

n

n

n

n

=

=

=

+

+

+

α

więc  gdy 

1

0

<

− z

z

α

  szereg jest  zbieżny. Wobec tego dla 

z

C spełniających warunek  

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 23  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

α

1

0

<

− z

z

 (

α

α

0

) – szereg jest zbieżny czyli jest także zbieżny w kole 

R

z

z

<

0

 o 

promieniu 

α

1

=

R

. (Podobnie   dla 

=

=

α

α

0

 ). 

 
Z  kryterium  Weierstrassa  wynika  ponadto,  że  szereg  potęgowy  jest  jednostajnie  zbieżny,  w 
każdym kole domkniętym zawartym w kole zbieżności (bez brzegu!) 

 

Przykład. Zbadać obszar zbieżności 

=

+

1

1

4

3

n

n

n

n

z

n

 

 

3

4

4

3

3

4

3

lim

4

3

lim

1

=

=

=

=

+

R

n

n

n

n

n

n

n

n

α

 

 

 jeżeli z leży na okręgu ⇔ z=

ϕ

ϕ

ϕ

i

e

i

3

4

3

4

)

sin

(cos

=

+

 

i wówczas  

( )

=

=

+

=

1

1

3

4

1

3

4

3

n

in

n

in

n

n

n

e

n

e

n

ϕ

ϕ

 

 

 
 
Tw

Kryterium Dirichleta.    Jeżeli 

 

  

•  ciąg (a

n

) jest ciągiem monotonicznie malejącym do zera  

• 

M

z

f

z

S

n

k

k

n

E

z

n

=

=

|

)

(

|

|

)

(

|

0

(czyli ciąg  sum częściowych 

=

n

k

k

z

f

0

)

(

jest ograniczony) 

to szereg 

=0

)

(

n

n

n

z

f

a

 jest jednostajnie zbieżny w zbiorze E  

Jeżeli  w  powyższym  kryterium  ustalimy 

z

C,  to  otrzymamy  jeszcze  jedno  kryterium  zbieżności 

szeregu liczbowego (

=0

n

n

n

b

a

, gdzie 

)

(z

f

b

n

n

=

). 

 
Ciąg dalszy przykładu 

0

ϕ

  

0

3

n

  

( )

...

1

1

=

=

=

=

=

n

k

k

i

n

k

k

i

n

e

e

S

ϕ

ϕ

ciąg geometryczny

ϕ

ϕ

ϕ

i

in

i

e

e

e

=

1

1

...

 

 

0

1

2

ϕ

ϕ

i

n

e

S

 , stąd  dla 

0

ϕ

 szereg jest zbieżny. 

Dla 

0

=

ϕ

 dostajemy szereg harmoniczny (rozbieżny) 

 

 

W przypadku rzeczywistym  kołem zbieżności jest przedział na osi, a jego brzegiem końce przedziału. 
 

 
Zbieżność jednostajna a ciągłość 

Tw. Jeżeli 

• 

R

E

f

n

:

 jest ciągiem funkcji ciągłych na E 

• 

n

f

f

 

to 

f

jest ciągła na E 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 23  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

 
Wnioski

)

(

)

(

lim

)

(

lim

lim

0

0

0

x

f

x

f

x

f

x

x

n

n

x

x

=

=

=

)

(

lim

lim

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

n

x

x

n

n

n

=

 

(zmiana kolejności granic

 
Tw

(wariant dla szeregu) Jeżeli  
• 

R

E

f

n

:

 jest ciągiem funkcji ciągłych na E 

•  Szereg 

=

1

)

(

n

n

x

f

zbieżny jednostajnie na E  

to 

=1

)

(

szeregu

suma

n

n

x

f

 jest funkcją ciągłą na E 

Wniosek

=

=

=

=

=





1

0

1

1

)

(

)

(

lim

)

(

lim

0

0

n

n

n

n

x

x

n

n

x

x

x

f

x

f

x

f

 

 
Jeżeli  szereg  funkcji  ciągłych  jest  jednostajnie  zbieżny,  to  można  przejść  do  granicy  wyraz  po 
wyrazie

 

Zbieżność jednostajna a całkowanie 

 
Tw

(zbieżność jednostajna a całkowanie) Jeżeli  

• 

]

,

b

a

f

n

n

R

(całkowalna w sensie Riemanna) 

• 

n

f

f

, gdzie 

]

,

b

a

E

=

 

to 

]

,

b

a

f

R

 i 

=

b

a

n

n

b

a

dx

x

f

dx

x

f

)

(

lim

)

(

 

Tw

(wariant dla szeregu) 

• 

]

,

b

a

f

n

n

R

 

•   Szereg 

=

1

)

(

n

n

x

f

jednostajnie zbieżny 

to 

]

,

[

)

(

1

b

a

x

f

n

n

R

=

 i 

∑∫

∫ ∑

=

=

=

1

1

)

(

)

(

n

b

a

n

b

a

n

n

dx

x

f

dx

x

f

 

 
Szereg jednostajnie zbieżny funkcji całkowalnych w sensie Riemanna można całkować wyraz po 
wyrazie. 
 
 

 

Zbieżność jednostajna a różniczkowalność

 

 
Uwaga:  Ciąg 

)

sin(

)

(

1

nx

x

f

n

n

=

funkcji  różniczkowalnych  na  R  jest  jednostajnie  zbieżny  do 

0

)

(

x

f

,  a  ciąg  pochodnych 

)

cos(

)

(

'

nx

x

f

n

=

nie jest  nawet  punktowo  zbieżny  (np.  rozbieżny  dla 

2

π

=

x

 
Tw. Jeżeli 

• 

R

b

a

f

n

n

]

,

[

:

 różniczkowalna  na 

]

,

[

b

a

 

•  ciąg liczbowy 

)

(

0

x

f

n

jest zbieżny dla pewnego 

]

,

[

0

b

a

x

 

• 

n

 jest jednostajnie zbieżny na 

]

,

[

b

a

 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 23  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

to  ciąg  funkcyjny

n

f

  jest  jednostajnie  zbieżny  na 

]

,

[

b

a

  do  pewnej  różniczkowalnej  funkcji  

(

n

f

f

) i 

)

(

'

)

(

lim

]

,

[

x

f

x

f

n

n

b

a

x

=

 

 
Tw

(wariant dla szeregu) Jeżeli 
• 

n

n

f

 różniczkowalne na 

]

,

[

b

a

 

•  Szereg 

=

1

0

)

(

n

n

x

f

zbieżny dla pewnego 

]

,

[

0

b

a

x

 

• 

=

1

)

(

n

n

x

f

jednostajnie zbieżny na 

]

,

[

b

a

 

to szereg

=1

)

(

n

n

x

f

jest jednostajnie zbieżny na 

]

,

[

b

a

 i 

=

=

=

1

1

)

(

)

(

n

n

n

n

x

f

x

f

 

 
 

 

Zastosowanie do szeregów potęgowych

Def.  Jeżeli    f  ma  przedstawienie  w  postaci 

=

=

0

0

)

(

)

(

n

n

n

z

z

c

z

f

C

z

z

c

n

0

,

,

,  to  f  nazywamy 

funkcją analityczną

 
Ponieważ  nie  wprowadzono  pojęcia  pochodnej  funkcji 

C

C

f

:

,  ani  całki  takiej  funkcji, 

ograniczmy się do funkcji zmiennej rzeczywistej. 

=

=

0

0

)

(

)

(

n

n

n

x

x

c

x

f

R

x

x

c

n

0

,

,

 

Załóżmy, że szereg 

=

0

0

)

(

n

n

n

x

x

c

 jest zbieżny w przedziale 

R

x

x

<

|

|

0

. Wówczas  

•  szereg ten jest jednostajnie zbieżny w każdym przedziale postaci 

]

,

[

0

0

ε

ε

+

+

R

x

R

x

•  suma  szeregu 

=

=

0

0

)

(

)

(

n

n

n

x

x

c

x

f

  jest  ciągła  i  różniczkowalna  na 

)

,

(

0

0

R

x

R

x

+

,  oraz 

=

=

=

=

0

1

0

0

)

(

)

(

n

n

n

n

n

x

x

nc

f

x

f

  (szereg  po  zróżniczkowaniu  ma  taki  sam  promień 

zbieżności jak szereg wyjściowy

 

=

+

=

0

0

)

(

)

(

)

1

(

...

)

1

(

)

(

n

k

n

n

k

x

x

c

k

n

n

n

x

f

=

=

+

k

n

k

n

n

x

x

c

k

n

n

n

)

(

)

1

(

...

)

1

(

0

 

 

k

k

c

k

x

f

!

)

(

0

)

(

=

  

!

)

(

0

)

(

k

x

f

c

k

k

=

 

 

Stąd  f(x)=

=

0

0

0

)

(

)

(

!

)

(

n

n

n

x

x

n

x

f

jest sumą swojego szeregu Taylora 

• 

1

0

0

1

)

(

)

(

0

+

=

+

=

n

x

x

n

n

c

x

x

dt

t

f

n

 szereg potęgowy można całkować wyraz po wyrazie 

 
 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 23  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

Przykład. Znaleźć promień zbieżności i sumę wewnątrz przedziału zbieżności 

=

+

0

4

)

3

(

n

n

n

n

x

   (

0

,

4

)

3

(

1

0

=

+

=

x

n

a

n

n

4

1

4

1

4

)

3

(

1

lim

lim

=

=

=

+

=

=

α

α

R

n

a

n

n

n

n

n

n

 

dla 

4

=

x

 otrzymujemy szereg 

=

+

0

)

3

(

1

n

n

 - rozbieżny (harmoniczny) 

dla 

4

=

x

 otrzymujemy szereg  

=

+

0

)

3

(

)

1

(

n

n

n

 - zbieżny (anharmoniczny) 

Przedział zbieżności 

)

4

,

4

[−

 

 

 
Promień zbieżności nie zmienia się po całkowaniu i różniczkowaniu szeregu potęgowego 

(*)   

3

0

4

)

3

(

1

)

(

x

x

n

x

S

n

n

n

+

=

=

 

 

dx

d

x

n

x

x

S

n

n

n

3

0

3

4

)

3

(

1

)

(

+

=

+

=

 

 

[

]

x

x

x

x

x

x

x

S

n

n

n

n

n

=

=

=

=

+

=

4

4

4

4

1

)

(

2

0

2

2

0

3

  dla 

4

<

x

   / 

x

dt

0

)

(

 

 

x

x

x

S

x

x

S

+

=

4

4

2

3

3

ln

64

16

2

0

)

0

(

)

(

   (

x

x

x

x

=

>

<

4

4

0

4

4

(**) 



=

=

=

<

<

+

=

+

4

)

(

lim

2

ln

0

4

0

)

ln

64

16

2

(

)

(

4

2

1

3

1

4

4

2

1

3

x

x

S

x

x

x

x

x

S

x

x

x

tw.Abela

 

)

0

(

S

wyznaczamy wstawiając 

0

=

x

 do  wzoru  

=

+

=

0

4

)

3

(

1

)

(

n

n

n

x

n

x

S

i uwzględniając umowę 

x

x

= 1

0

  (w szczególności 

1

0

0

=

). Wobec tego 

3

1

0

0

0

0

4

)

3

0

(

1

0

4

)

3

(

1

)

0

(

=

+

=

+

=

=

n

n

n

n

S

 

 

Uwaga 1. Umowa

x

x

= 1

0

  (w szczególności 

1

0

0

=

) nie jest w sprzeczności z symbolem 

nieoznaczonym 

0

0

 w którym zarówno podstawa potęgi jak i wykładnik zmierzają do 0. W naszym 

przypadku 

0

x

 wykładnik jest równy 0  i mamy wiec zdefiniowaną funkcję stałą 

0

x

=1 w sąsiedztwie 

punktu 0. Punkt ten jest punktem nieciągłości usuwalnej, gdyż 

1

lim

0

0

=

x

x

Uwaga 2. Suma szeregu potęgowego jest funkcją jednostajnie ciągła w każdym przedziale 
domkniętym zawartym w przedziale zbieżności . Stąd 

3

1

0

)

(

lim

)

0

(

=

=

x

S

S

x

 

 
Do wyznaczania wartości sumy szeregu w  punkcie końcowym przedziału zbieżności wykorzystano 
następujące  
 
Tw.  (Abela). Jeżeli szereg potęgowy  jest zbieżny w punkcie końcowym przedziału zbieżności, to 

jego suma jest funkcją jednostronnie ciągłą w tym punkcie. 

 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 23  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

 

Uwaga. Jeżeli funkcja  f  jest postaci  

=

=

0

0

)

(

)

(

n

n

n

x

x

c

x

f

,

R

x

x

<

|

|

0

 przy czym promień 

zbieżności jest dodatni ( czyli f jest analityczna w

)

,

(

0

0

R

x

R

x

+

 , to  jest ona funkcją klasy 

+

)

,

(

0

0

R

x

R

x

C

, tzn. ma wszystkie pochodne ciągłe w 

)

,

(

0

0

R

x

R

x

+

.

 

Funkcja 



=

=

0

,

0

0

,

)

(

2

1

x

x

e

x

f

x

  jest  funkcją klasy 

R

C

, tzn. ma wszystkie pochodne ciągłe w R  i  

n

f

n

= ,

0

)

0

(

)

(

 stąd  

)

(

0

!

)

0

(

0

)

(

x

f

x

n

f

n

n

n

=

.  W tym przypadku funkcja f  klasy 

R

C

 

nie jest sumą swojego szeregu Taylora, czyli nie jest funkcją analityczną. Jest tak dlatego, że 
promień zbieżności  R szeregu Taylora funkcji f   jest równy 0. 
 
 

Przykłady   rozwinięć Taylora (Maclaurina) 
 
 

 

L

+

+

+

+

+

+

=

=

=

!

5

!

4

!

3

!

2

1

!

5

4

3

0

2

x

x

x

x

x

k

x

e

k

k

x

,  

 

 

R

 

L

+

+

=

+

=

=

+

!

7

!

5

!

3

)!

1

2

(

)

1

(

sin

7

5

3

0

1

2

x

x

x

x

k

x

x

k

k

k

,    

 

R

 

L

+

+

=

=

=

!

6

!

4

!

2

1

)!

2

(

)

1

(

cos

6

4

2

0

2

x

x

x

k

x

x

k

k

k

,  

 

 

R

 

L

+

+

=

=

=

+

4

)

1

(

3

)

1

(

2

)

1

(

)

1

(

)

1

(

)

1

(

ln

4

3

2

1

1

x

x

x

x

k

x

x

k

k

k

,  

1

|

1

|

<

x

 

 

Jeśli 

A

 jest macierzą kwadratową 

n

×

o normie 

A

,  to korzystając z faktu, że zbieżność szeregu 

(liczbowego) nom pociąga za sobą zbieżność szeregu w przestrzeni unormowanej możemy 
zdefiniować funkcje macierzowe  
 

L

+

+

+

+

+

+

=

=

=

!

5

!

4

!

3

!

2

!

5

4

3

0

2

A

A

A

A

A

I

k

A

e

k

k

A

,  

 

 

 

L

+

+

=

+

=

=

+

!

7

!

5

!

3

)!

1

2

(

)

1

(

sin

7

5

3

0

1

2

A

A

A

A

k

A

A

k

k

k

,  

 

 

 

L

+

+

=

=

=

!

6

!

4

!

2

)!

2

(

)

1

(

cos

6

4

2

0

2

A

A

A

I

k

A

A

k

k

k

,    

L

+

+

=

=

=

+

4

)

(

3

)

(

2

)

(

)

(

)

(

)

1

(

ln

4

3

2

1

1

I

A

I

A

I

A

I

A

k

I

A

A

k

k

k

,  gdy 

1

|

1

|

<

j

λ

.

,

,

1

n

j

L

=

 

 
Problem. Jak efektywnie wyznaczać te (i inne) funkcje? Ponieważ każda macierz spełnia soje 
równanie charakterystyczne, to wyższe potęgi macierzy są liniowymi kombinacjami niższych potęg 
i w konsekwencji powyższe szeregi redukują się do wielomianów macierzowych. Sposób 

wyznaczania macierzy 

At

e

zostanie omówiony przy okazji układów równań różniczkowych liniowych.