Степенные ряды. Теорема Абеля. Интервал сходимости

Определение 2.1. Функциональный ряд вида

(2.1)

называется степенным рядом, числа a_n ÎR, n = 1, 2, ¼ называются коэффициентами степенного ряда.

Замечание 2.1. Степенные ряды замечательны прежде всего тем, что их члены u_n(x) = a_n(x - x₀)ⁿ, n = 1, 2, ¼, являются сравнительно простыми функ-циями. Частичные суммы степенного ряда S_n(x) – многочлены от переменной х степени не выше п. Относительная простота u_n(x) и S_n(x) служит причиной мно-гих свойств, присущих степенным рядам, которыми не обладают другие функ-циональные ряды. Область сходимости степенного ряда никогда не является пустым множеством, поскольку ряд (2.1) обязательно сходится в точке x₀.

В ряде (2.1) сделаем замену переменной: y = x - x₀, получим ряд:

. (2.2)

Очевидно, что исследование сходимости ряда (2.1) эквивалентно исследованию сходимости ряда (2.2). Поэтому далее будем рассматривать ряды вида (2.2), но для обозначения переменной будем использовать букву x, а не y.

В основе теории степенных рядов лежит следующая теорема.

Теорема 2.1 (теорема Абеля). Если степенной ряд

(2.3)

сходится при x = x₀ ¹ 0, то он сходится, и притом абсолютно, при x: |x| < |x₀|.

Если степенной ряд (2.3) расходится при x = x₀, то он расходится и при всяком x: |x| > |x₀|.

►Доказательство проведём в два этапа.

1) Пусть ряд (2.3) сходится в некоторой точке x₀ , иными словами, сходится числовой ряд

. (2.4)

Общий член ряда (2.4) стремится к нулю при n ® ¥, и потому последовательность ограничена, т. е. существует такая постоянная M > 0, что , n = 1, 2, ¼ .

В силу этого для общего члена ряда (2.3) получается следующая оценка:

.

Если |x| < |x₀|, то ряд есть геометрический ряд со знаменателем , поэтому он сходится. Но тогда по признаку сравнения сходится и ряд , что означает абсолютную сходимость ряда (2.3) при |x| < |x₀|.

2) Пусть теперь ряд расходится при некотором x = x₀. Но тогда он будет расходиться при любом x¢, удовлетворяющем условию |x¢| > |x₀|. В самом деле, если бы при каком-либо x¢, удовлетворяющем этому условию, ряд (2.3) сходился, то в силу только что доказанной первой части теоремы он должен был бы сходиться в точке x₀, так как |x₀| < |x¢|. Но это противоречит условию, что в точке x₀ряд расходится. Следовательно, ряд расходится и в точке x¢.◄

Теорема Абеля позволяет судить о расположении точек сходимости и расходимости степенного ряда (2.3).

Следствие из теоремы 2.1. Пусть в точке x₀ ¹ 0 ряд (2.3) сходится, но тогда ряд (2.3) сходится в каждой точке интервала (-|x₀|, |x₀|). Если же ряд (2.3) расходится в точке x₁, то он расходится в интервалах (-¥, -|x₁|), (|x₁|, +¥).

Из этого можно заключить, что для рассматриваемого степенного ряда су-ществует число R > 0, такое, что при |x| < R ряд абсолютно сходится, а при |x| > R ряд расходится. Число R называется радиусом сходимости, а интервал (-R, R) называется интервалом сходимости степенного ряда.

Замечание 2.2. Для ряда (2.1) интервал сходимости имеет вид (x₀ - R, x₀ + R).

Замечание 2.3. На концах интервала сходимости (т. е. при x = ±R для ряда (2.3), при x = x₀ ±R для ряда (2.1)) ряд может или сходиться или расходиться. Здесь необходимо дополнительное исследование.

Замечание 2.4. У некоторых рядов интервал сходимости вырождается в точку (R = 0), а у других совпадает со всей осью (R = ¥)

При нахождении радиуса сходимости степенного ряда во многих случаях можно использовать признаки сходимости для знакоположительных рядов.

Пример 2.1. Найти область сходимости ряда .

►Данный ряд является рядом с неортицательными членами. Применим к данному ряду, например, радикальный признак Коши. Так как

,

то ряд будет абсолютно сходиться, если

Þ Þ .

Исследуем поведение ряда на концах интервала сходимости. Пусть , тогда ряд расходится, так как его общий член не стремится к нулю. Таким образом, область сходимости ряда: .◄