הבדלים בין גרסאות בדף "משתמש:אור שחף/133 - תרגול/29.5.11"
(←דוגמה 1) |
מ (←סכומי טורים) |
||
(7 גרסאות ביניים של 2 משתמשים אינן מוצגות) | |||
שורה 1: | שורה 1: | ||
=סכומי טורים= | =סכומי טורים= | ||
− | '''תזכורת:''' (אינטגרציה איבר איבר בסדרות) אם <math>f_n</math> סדרת פונקציות רציפות המתכנסות במ"ש לפונקציה f ב-<math>[a,b]</math>, אז f אינטגרבילית ומתקיים <math>\lim_{n\to\infty}\int\limits_a^b f_n=\int\limits_a^b f</math>. באופן דומה ננסח עבור גזירה איבר-איבר בסדרות: <math>f_n</math> סדרת פונקציות גזירות ורציפות ב-<math>[a,b]</math> המתכנסת בנקודה אחת <math>x_0\in[a,b]</math> ל-<math>f(x_0)</math>. אם <math>f_n'</math> סדרת פונקציות המתכנסות במ"ש ב-<math>[a,b]</math> אז <math>f</math> גזירה <math>\lim_{n\to\infty} f_n'(x)=f'(x)=\left(\lim_{n\to\infty}f_n(x)\right)'</math> | + | '''תזכורת:''' (אינטגרציה איבר איבר בסדרות) אם <math>f_n</math> סדרת פונקציות רציפות המתכנסות במ"ש לפונקציה f ב-<math>[a,b]</math>, אז f אינטגרבילית ומתקיים <math>\lim_{n\to\infty}\int\limits_a^b f_n=\int\limits_a^b f</math>. באופן דומה ננסח עבור גזירה איבר-איבר בסדרות: <math>f_n</math> סדרת פונקציות גזירות ורציפות ב-<math>[a,b]</math> המתכנסת בנקודה אחת לפחות <math>x_0\in[a,b]</math> ל-<math>f(x_0)</math>. אם <math>f_n'</math> סדרת פונקציות המתכנסות במ"ש ב-<math>[a,b]</math> אז <math>f</math> גזירה <math>\lim_{n\to\infty} f_n'(x)=f'(x)=\left(\lim_{n\to\infty}f_n(x)\right)'</math>. |
− | + | ||
− | + | ||
− | + | ||
− | יהי <math> | + | באופן דומה נגדיר עבור טורים. עבור אינטגרציה, לדוגמה: יהי <math>\sum_{n=1}^\infty f_n(x)</math> טור של פונקציות רציפות ב-<math>[a,b]</math> המתכנס במ"ש בקטע לפונקצית סכום <math>S(x)</math>, אזי טור המספרים מתכנס ומתקיים <math>\sum_{n=1}^\infty \int\limits_a^b f_n=\int\limits_a^b \sum_{n=1}^\infty f_n=\int\limits_a^b S</math>. |
− | + | גזירה איבר איבר של טורי פונקציות: יהיו <math>f_n</math> פונציות גזירות רציפות ב-<math>[a,b]</math> כך שהטור <math>\sum_{n=1}^\infty f_n(x)</math> מתכנס ב-<math>x_0\in[a,b]</math> ל-<math>S(x_0)</math>. אם טור הנגזרות <math>\sum_{n=1}^\infty f_n'(x)</math> מתכנס במידה שווה בקטע אז מתקיים <math>\sum_{n=1}^\infty f_n'(x)=S'(x)=\left(\sum_{n=1}^\infty f_n(x)\right)'</math>. | |
− | + | ==דוגמה 1== | |
+ | <ol> | ||
+ | <li> הוכיחו שלכל <math>t\in(0,1)</math> מתקיים <math>\ln(1+t)=\sum_{n=1}^\infty (-1)^{n+1}\frac{t^n}n</math>. | ||
− | |||
− | |||
===פתרון=== | ===פתרון=== | ||
− | + | ידוע ש-<math>\ln(1+t)=\int\limits_0^t\frac{\mathrm dx}{1+x}</math> וש-<math>\frac1{1+x}=\sum_{n=0}^\infty (-1)^nx^n</math> (לפי נוסחת סכום סדרה הנדסית). מספיק להראות שהטור הנ"ל מתכנס במ"ש בקטע <math>[0,a]</math> ואז נוכל לעשות אינטגרציה איבר-איבר. נשתמש במבחן ה-M של ויירשראס: <math>|(-1)^nx^n|\le a^n</math> לכל <math>x\in[0,a]</math>. אם <math>0<a<1</math> אזי <math>\sum_{n=0}^\infty a^n</math> מתכנס ולכן <math>\sum_{n=0}^\infty (-1)^nx^n</math> מתכנס במ"ש. | |
− | + | עתה יהי <math>t\in(0,1)</math> ונסתכל על הקטע מהצורה <math>[0,t]</math>, שם הראנו שהטור הנ"ל מתכנס במ"ש ולכן {{left|<math>\begin{align}\ln(1+t)&=\int\limits_0^t\frac{\mathrm dx}{1+x}\\&=\int\limits_0^t \sum_{n=0}^\infty (-1)^nx^n \mathrm dx\\&=\sum_{n=0}^\infty \int\limits_0^t (-1)^nx^n\mathrm dx\\&=\sum_{n=0}^\infty\left[(-1)^n\frac{x^{n+1}}{n+1}\right]_{x=0}^t\\&=\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^nt^{n+1}}{n+1}\\&=\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}\frac{t^n}n\end{align}</math>}}{{משל}} | |
− | <math> | + | </li> |
+ | <li> חשבו <math>\sum_{n=1}^\infty (-1)^n \frac1{2^nn}</math>. | ||
− | + | ===פתרון=== | |
+ | נעזר בסעיף 1. ברור כי <math>t=\frac12</math> נמצא בקטע <math>(0,1)</math>, ולכן נציב: <math>\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^n}{2^nn}=-\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}\frac{\left(\frac12\right)^n}n=-\ln\left(1\tfrac12\right)</math>. {{משל}} | ||
+ | </li> | ||
+ | </ol> | ||
+ | |||
+ | ==דוגמה 2== | ||
+ | חשבו את סכום הטור <math>\sum_{n=1}^\infty\frac n{(n+1)x^n}</math> עבור <math>x>1</math>. | ||
− | |||
− | |||
===פתרון=== | ===פתרון=== | ||
− | נשים לב | + | נשים לב כי <math>\frac n{(n+1)x^n}=\frac1{x^n}-\frac1{(n+1)x^n}</math>, ולפיכך מספיק לחשב את <math>\sum_{n=1}^\infty \frac1{x^n}-\sum_{n=1}^\infty \frac1{(n+1)x^n}</math>. |
− | + | ראשית נוכיח שהטור <math>\sum_{n=1}^\infty x^n</math> מתכנס במ"ש ב-<math>(0,1)</math>. יהי <math>0<x_0<1</math> ולכן <math>\left|x^n\right|\le x_0^n</math> לכל <math>x\in[0,x_0]</math>. כמו כן <math>\sum_{n=1}^\infty x_0^n</math> מתכנס כי <math>0<x_0<1</math> והטור הנדסי, לכן, ממבחן ה-M של ויירשראס, הטור <math>\sum_{n=1}^\infty x^n=\frac1{1-x}</math> מתכנס במ"ש ב-<math>[0,x_0]</math>. עתה נוכל לעשות אינטגרציה איבר-איבר: <math>\int\limits_0^x\frac{\mathrm dt}{1-t}=\int\limits_0^x\sum_{n=1}^\infty t^n\mathrm dt=\sum_{n=1}^\infty\int\limits_0^x t^n\mathrm dt=\sum_{n=1}^\infty\frac{x^{n+1}}{n+1}</math>. כמו כן, ברור כי <math>\int\limits_0^x\frac{\mathrm dt}{1-t}=[-\ln|1-t|]_{t=0}^x=-\ln(1-x)</math>, ולכן <math>\sum_{n=1}^\infty \frac{x^n}{n+1}=-\frac1x\ln(1-x)</math>. | |
− | + | עתה, אם <math>x>1</math> אזי <math>\frac1x\in(0,1)</math> ולבסוף {{left|<math>\begin{align}\sum_{n=1}^\infty\frac n{(n+1)x^n}&=\sum_{n=1}^\infty \frac1{x^n}-\sum_{n=1}^\infty \frac1{(n+1)x^n}\\&=\frac1{1-\tfrac1x}-\left(-\frac1{1/x}\ln\left(1-\frac1x\right)\right)\\&=\frac x{x-1}+x\ln\left(\frac{x-1}x\right)\end{align}</math>}} {{משל}} | |
− | |||
− | |||
==דוגמה 3== | ==דוגמה 3== | ||
− | + | מהו סכום הטור <math>\sum_{n=1}^\infty\frac n{x^n}</math> עבור <math>x<1</math>? | |
+ | |||
===פתרון=== | ===פתרון=== | ||
− | + | נשים לב שאם נגדיר<math>f_n(x)=\frac1{x^n}</math> אזי <math>f_n'(x)=(x^{-n})'=-n\cdot x^{-n-1}=\frac{-n}{x^{n+1}}</math>. כמו כן <math>\sum_{n=1}^\infty f_n(x)=\sum_{n=1}^\infty \frac1{x^n}=\frac{1/x}{1-1/x}=\frac1{x-1}</math>. נבדוק את התנאים לגזירה איבר-איבר. דרוש ש-<math>\sum f_n'(x)</math> יתכנס במ"ש. | |
+ | |||
+ | נעזר במבחן ה-M של ויירשראס. אם <math>x>1</math> אז יש <math>1<a<x</math> ולכן <math>\left|\frac{-n}{x^{n+1}}\right|\le\frac n{a^{n+1}}</math>. הטור <math>\sum_{n=1}^\infty \frac n{a^{n+1}}</math> טור מתכנס עפ"י מבחן המנה של ד'לאמר (או מבחן השורש של קושי). | ||
+ | |||
+ | נסיק שהטור <math>\sum_{n=1}^\infty\frac{-n}{x^{n+1}}</math> מתכנס במ"ש ולכן <math>\left(\sum_{n=1}^\infty \frac1{x^n}\right)'=\sum_{n=1}^\infty \left(\frac1{x^n}\right)'=\sum_{n=1}^\infty \frac{-n}{x^{n+1}}</math> וגם <math>\left(\sum_{n=1}^\infty \frac1{x^n}\right)'=\left(\frac1{x-1}\right)'=\frac{-1}{(x-1)^2}</math>. לסיכום <math>\sum_{n=1}^\infty \frac{-n}{x^{n+1}}=\frac{-1}{(x-1)^2}</math>, ולפיכך <math>\sum_{n=1}^\infty\frac n{x^n}=\frac x{(x-1)^2}</math>. {{משל}} | ||
+ | |||
+ | =טורי חזקות= | ||
+ | רדיוס ההתכנסות של טור חזקות <math>\sum_{n=1}^\infty a_nx^n</math> הוא <math>R=\frac1{\displaystyle\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|a_n|}}</math>, והוא מתכנס בהחלט ב-<math>(x_0-R,x_0+R)</math>. לגבי התכנסות בקצוות הקטע, יש לבדוק בנפרד. | ||
− | |||
==דוגמה 4== | ==דוגמה 4== | ||
− | + | מצאו את תחום התכנסות של הטור <math>\sum_{n=1}^\infty\frac{x^n}\sqrt[3]n</math>. | |
+ | |||
+ | ===פתרון=== | ||
+ | אכן מדובר על טור חזקות כי כאשר המקדם הכללי הוא <math>a_n=\frac1\sqrt[3]n</math>. לכן רדיוס ההתכנסות הוא <math>R=\frac1{\displaystyle\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]\tfrac1\sqrt[3]n}=\left(1/\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]n\right)^{-3}=1</math>. ז"א כאשר <math>|x|<1</math> הטור מתכנס. נשאר לבדוק האם יש התכנסות בקצוות <math>x=\pm1</math>. עבור <math>x=1</math> הטור הוא <math>\sum_{n=1}^\infty \frac{1^n}\sqrt[3]n</math>, שמתבדר כי הוא גדול מ-<math>\sum_{n=1}^\infty\frac1n=\infty</math>. עבור <math>x=-1</math> ברור שהטור מתכנס, לפי משפט לייבניץ. לסיכום, תחום ההתכנסות הוא <math>[-1,1)</math>. {{משל}} | ||
+ | |||
+ | ==דוגמה 5== | ||
+ | מצאו את תחום ההתכנסות של <math>\sum_{n=0}^\infty n!x^{n!}</math>. | ||
+ | |||
+ | ===פתרון=== | ||
+ | נשים לב כי הטור הנתון אינו טור חזקות, ולכן "נתקן" אותו. נגדיר <math>a_n=\begin{cases}n&\exists k:\ n=k!\\0&\text{else}\end{cases}</math>. נקבל את הטור <math>\sum_{n=0}^\infty a_n x^n</math>. במקרה הזה נצטרך לחשב <math>\limsup</math> (ולא סתם <math>\lim</math>). <math>1/\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{a_n}=1/\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]n=1/1=1</math> ולכן רדיוס ההתכנסות הוא 1. נבדוק בקצוות: ב-1 הטור הוא <math>\sum_{n=0}^\infty n!\cdot 1^{n!}\to\infty</math>. עבור <math>x=-1</math> הטור הוא <math>\sum_{n=0}^\infty n!(-1)^{n!}</math>, שגם שואף לאינסוף כי <math>n!</math> זוגי לכל <math>n>1</math>. לסיכום, תחום ההתכנסות הוא <math>(-1,1)</math>. {{משל}} |
גרסה אחרונה מ־15:41, 20 באוקטובר 2011
תוכן עניינים
סכומי טורים
תזכורת: (אינטגרציה איבר איבר בסדרות) אם סדרת פונקציות רציפות המתכנסות במ"ש לפונקציה f ב-, אז f אינטגרבילית ומתקיים . באופן דומה ננסח עבור גזירה איבר-איבר בסדרות: סדרת פונקציות גזירות ורציפות ב- המתכנסת בנקודה אחת לפחות ל-. אם סדרת פונקציות המתכנסות במ"ש ב- אז גזירה .
באופן דומה נגדיר עבור טורים. עבור אינטגרציה, לדוגמה: יהי טור של פונקציות רציפות ב- המתכנס במ"ש בקטע לפונקצית סכום , אזי טור המספרים מתכנס ומתקיים .
גזירה איבר איבר של טורי פונקציות: יהיו פונציות גזירות רציפות ב- כך שהטור מתכנס ב- ל-. אם טור הנגזרות מתכנס במידה שווה בקטע אז מתקיים .
דוגמה 1
- הוכיחו שלכל מתקיים .
פתרון
ידוע ש- וש- (לפי נוסחת סכום סדרה הנדסית). מספיק להראות שהטור הנ"ל מתכנס במ"ש בקטע ואז נוכל לעשות אינטגרציה איבר-איבר. נשתמש במבחן ה-M של ויירשראס: לכל . אם אזי מתכנס ולכן מתכנס במ"ש.
עתה יהי ונסתכל על הקטע מהצורה , שם הראנו שהטור הנ"ל מתכנס במ"ש ולכן - חשבו .
פתרון
נעזר בסעיף 1. ברור כי נמצא בקטע , ולכן נציב: .
דוגמה 2
חשבו את סכום הטור עבור .
פתרון
נשים לב כי , ולפיכך מספיק לחשב את .
ראשית נוכיח שהטור מתכנס במ"ש ב-. יהי ולכן לכל . כמו כן מתכנס כי והטור הנדסי, לכן, ממבחן ה-M של ויירשראס, הטור מתכנס במ"ש ב-. עתה נוכל לעשות אינטגרציה איבר-איבר: . כמו כן, ברור כי , ולכן .
עתה, אם אזי ולבסוףדוגמה 3
מהו סכום הטור עבור ?
פתרון
נשים לב שאם נגדיר אזי . כמו כן . נבדוק את התנאים לגזירה איבר-איבר. דרוש ש- יתכנס במ"ש.
נעזר במבחן ה-M של ויירשראס. אם אז יש ולכן . הטור טור מתכנס עפ"י מבחן המנה של ד'לאמר (או מבחן השורש של קושי).
נסיק שהטור מתכנס במ"ש ולכן וגם . לסיכום , ולפיכך .
טורי חזקות
רדיוס ההתכנסות של טור חזקות הוא , והוא מתכנס בהחלט ב-. לגבי התכנסות בקצוות הקטע, יש לבדוק בנפרד.
דוגמה 4
מצאו את תחום התכנסות של הטור .
פתרון
אכן מדובר על טור חזקות כי כאשר המקדם הכללי הוא . לכן רדיוס ההתכנסות הוא . ז"א כאשר הטור מתכנס. נשאר לבדוק האם יש התכנסות בקצוות . עבור הטור הוא , שמתבדר כי הוא גדול מ-. עבור ברור שהטור מתכנס, לפי משפט לייבניץ. לסיכום, תחום ההתכנסות הוא .
דוגמה 5
מצאו את תחום ההתכנסות של .
פתרון
נשים לב כי הטור הנתון אינו טור חזקות, ולכן "נתקן" אותו. נגדיר . נקבל את הטור . במקרה הזה נצטרך לחשב (ולא סתם ). ולכן רדיוס ההתכנסות הוא 1. נבדוק בקצוות: ב-1 הטור הוא . עבור הטור הוא , שגם שואף לאינסוף כי זוגי לכל . לסיכום, תחום ההתכנסות הוא .