Интегральный признак Коши — Маклорена: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
[отпатрулированная версия][непроверенная версия]
Содержимое удалено Содержимое добавлено
вернул набросок
м Project talk:Викификатор#Шаблон:Rq, replaced: {{rq|source}} → {{подст:нет источников}}
 
(не показано 15 промежуточных версий 8 участников)
Строка 1: Строка 1:
{{Другие значения|Признак Коши}}
{{Другие значения|Признак Коши}}
'''Интегральный признак Коши́ — Макло́рена''' — признак [[сходимость|сходимости]] убывающего положительного [[числовой ряд|числового ряда]]. Признак Коши — Маклорена даёт возможность свести проверку сходимости ряда к проверке сходимости [[несобственный интеграл|несобственного интеграла]] соответствующей функции на <math>[1,\infty)</math>, последний часто может быть найден в явном виде.
'''Интегральный признак Коши́ — Макло́рена''' — [[признак сходимости]] убывающего положительного [[числовой ряд|числового ряда]]. Признак Коши — Маклорена даёт возможность свести проверку сходимости ряда к проверке сходимости [[несобственный интеграл|несобственного интеграла]] соответствующей функции на <math>[1,\infty)</math>, последний часто может быть найден в явном виде.


== Формулировка теоремы ==
== Формулировка теоремы ==
{{теорема|Пусть для функции f(x) выполняется:
{{теорема|Пусть для функции <math>f(x)</math> выполняется:
# <math>\forall x: f(x)\geqslant 0</math> (функция принимает неотрицательные значения)
# <math>\forall x\geqslant 1\quad f(x)>0</math> , т.е. функция принимает положительные значения на промежутке <math>[1,+\infty)</math>;
# <math>\forall x_1 \forall x_2: f(x_1)>f(x_2) \Leftrightarrow x_1 < x_2</math> (функция монотонно убывает)
# <math>\forall x_1, x_2\geqslant 1\qquad x_1 < x_2 \Rightarrow f(x_1)\geqslant f(x_2)</math> , т.е. функция является монотонно невозрастающей на <math>[1,+\infty)</math>;
# <math>\forall n \in \N: f(n) = a_n</math> (соответствие функции члену ряда)
# <math>\forall n \in \N\quad f(n) = a_n</math> (соответствие значения функции члену ряда).
Тогда ряд <math>\sum_{n=1}^\infty a_n</math> и несобственный интеграл <math>\int\limits_1^\infty\!f(x)\,dx</math> сходятся или расходятся одновременно.}}
Тогда ряд <math>\sum_{n=1}^\infty a_n</math> и несобственный интеграл <math>\int\limits_1^\infty\!f(x)\,dx</math> сходятся или расходятся одновременно.}}


== Набросок доказательства ==
== Набросок доказательства ==
[[Файл:Инт признак Коши.png|300px|right]]
[[Файл:Инт признак Коши.png|300px|right]]
# Построим на графике f(x) ступенчатые фигуры как показано на рисунке
# Построим на графике <math>f(x)</math> ступенчатые фигуры как показано на рисунке.
# Площадь большей фигуры равна <math>S_b=f(1)+f(2)+f(3)+...+f(n-1)</math>
# Площадь большей фигуры равна <math>S_b=f(1)+f(2)+f(3)+...+f(n-1)</math> .
# Площадь меньшей фигуры равна <math>S_s=f(2)+f(3)+f(4)+...+f(n)</math>
# Площадь меньшей фигуры равна <math>S_s=f(2)+f(3)+f(4)+...+f(n)</math> .
# Площадь криволинейной трапеции под графиком функции равна <math>S_{tr}=\int\limits_1^n f(x)\,dx</math>
# Площадь [[Криволинейная трапеция|криволинейной трапеции]] под [[График функции|графиком функции]] равна <math>S_{tr}=\int\limits_1^n f(x)\,dx</math>
# Получаем <math>S_s \leqslant S_{tr} \leqslant S_b \; \Rightarrow \; S_n - a_1 \leqslant \int\limits_1^n f(x)\,dx \leqslant S_{n-1}</math>
# Получаем <math>S_s \leqslant S_{tr} \leqslant S_b \; \Rightarrow \; S_n - a_1 \leqslant \int\limits_1^n f(x)\,dx \leqslant S_{n-1}</math>
# Далее доказывается с помощью [[критерий сходимости знакоположительных рядов|критерия сходимости знакоположительных рядов]].
# Далее доказывается с помощью [[критерий сходимости знакоположительных рядов|критерия сходимости знакоположительных рядов]].


== Полное доказательство ==
== Полное доказательство ==
<math>\forall b > 1</math> <math>f(x)</math> монотонна на <math>[1, b]</math><br>
<math>\forall b > 1</math> <math>f(x)</math> монотонна на <math>[1, b]</math>, следовательно <math>\int\limits_1^b f(x) dx</math> существует.


<math>\forall x \in [n, n+1]</math> <math>f(n) \geqslant f(x) \geqslant f(n+1)</math>, следовательно
Следовательно <math>\int\limits_1^b f(x) dx</math> сходится<br>


<math>\forall x \in [n, n+1]</math> <math>f(n) \geqslant f(x) \geqslant f(n+1)</math><br>
<math>\forall n \in \N \qquad</math> <math>\int\limits_n^{n+1} f(n) dx = f(n) \geqslant \int\limits_n^{n+1} f(x) dx \geqslant f(n+1)</math>.<br>Отсюда, если <math>\int\limits_1^{+\infty} f(x)\, dx</math> сходится, то


<math>S_n-f(1) = f(2) + ... + f(n) \leqslant \int\limits_1^{n} f(x)\, dx \leqslant \int\limits_1^{+\infty} f(x)\, dx< +\infty</math>.<br>Поэтому <math>S_n</math> ограничена. А так как она неубывающая, то она сходится.
<math>\forall n \in \N</math> <math>\int\limits_n^{n+1} f(n) dx = f(n) \geqslant \int\limits_n^{n+1} f(x) dx \geqslant f(n+1)</math><br>


<math>S_n = f(1) + ... + f(n) \geqslant \int\limits_1^{n+1} f(x) dx \geqslant S_{n+1}-f(1)</math><br>
Если <math>\int\limits_1^{+\infty} f(x)\, dx</math> расходится, то есть <math>\lim_{n\to\infty}\int\limits_1^{n} f(x)\, dx=+\infty</math> , то


<math>S_n = f(1) + ... + f(n) \geqslant \int\limits_1^{n+1} f(x)\, dx \to +\infty,</math> значит ряд расходится.
<math>S_n</math> нестрого монотонно возрастает<br>


Теорема доказана.
Обозначим <math>F(x) = \int\limits_1^x f(t) dt</math><br>


== Примеры ("эталонные" ряды) ==
Пределы <math>S_n</math> и <math>F(x)</math> — конечные числа, следовательно <math>S_n</math> и <math>F(x)</math> ограничены (идея)<br>
* Обобщённый гармонический ряд <math>\sum\frac1{n^p}</math> сходится при <math>p>1
</math> и расходится при <math>p\leqslant 1
</math>, так как


<math>\int\limits_1^\infty\frac1xdx=\ln x|_1^{+\infty}=+\infty</math> (случай <math>p= 1
Пусть сходится интеграл <math>\int\limits_1^\infty f(x) dx</math> <math>\Rightarrow</math> <math>F(x)</math> ограничена <math>\Rightarrow</math> <math>S_n</math> ограничена <math>\Rightarrow</math> <math>\exists \lim\limits_{n \to \infty} S_n</math><br>
</math>),


<math>\int\limits_1^{+\infty}\frac{1}{x^p}dx=\left.\frac{1}{1-p}x^{1-p}\right|_1^{+\infty}=\frac{1}{p-1}</math> при <math>p> 1
Пусть теперь сходится сумма <math>S_n</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\forall n</math> <math>\exists S \geqslant S_n</math> <math>\Rightarrow</math> <math>\forall n</math> <math>S \geqslant \int\limits_1^{n+1} f(x) dx \geqslant \int\limits_1^b f(x) dx</math> <math>\Rightarrow</math> <math>F(x)</math> ограничена <math>\Rightarrow</math> <math>\exists \lim\limits_{b \to +\infty} \int\limits_1^b f(x) dx</math>, так как если функция <math>f(x)</math> неотрицательна на некотором полуинтервале <math>[a,b)</math>, то для сходимости интеграла <math>\int\limits_a^b f(x) dx </math> необходимо и достаточно, чтобы все интегралы <math>\int\limits_a^c f(x) dx</math>, где <math>c \in [a, b)</math> были ограничены. Теорема доказана.
</math>,


<math>\int\limits_1^{+\infty}\frac{1}{x^p}dx=\left.\frac{1}{1-p}x^{1-p}\right|_1^{+\infty}=+\infty </math> при <math>p< 1
== Примеры ==
</math>.
* <math>\sum\frac1n</math> расходится, так как <math>\int\limits_1^\infty\frac1xdx=\ln x|_1^\infty=\infty</math>.
* <math>\sum\frac1{n^2}</math> сходится, так как <math>\int\limits_1^\infty\frac1{x^2}dx=-\left.\frac1x\right|_1^\infty=1</math>.
*<math>\sum\limits_{n=2}^\infty\frac1{x \ln^q x}</math> сходится при <math>q>1
</math> и расходится при <math>q\leqslant 1
</math>. Для обоснования нужно рассмотреть <math>\int\limits_2^{+\infty}\frac{1}{x\ln^q x}dx</math>.
*На основе сравнения с этими рядами основаны признаки Раабе, Гаусса, Бертрана и некоторые другие. Серию "эталонных" рядов можно продолжить, и на их основе построить семейство все более тонких признаков для медленно сходящихся рядов.


== Оценка остатка ряда ==
== Оценка остатка ряда ==
Строка 56: Строка 64:
* [[Интеграл Коши]]
* [[Интеграл Коши]]


{{Нет источников |дата=2024-10-20}}
{{rq|source}}
{{Признаки сходимости рядов}}
{{Признаки сходимости рядов}}
{{ВС}}


[[Категория:Признаки сходимости]]
[[Категория:Признаки сходимости]]

Текущая версия от 04:10, 20 октября 2024

Интегральный признак Коши́ — Макло́рена — признак сходимости убывающего положительного числового ряда. Признак Коши — Маклорена даёт возможность свести проверку сходимости ряда к проверке сходимости несобственного интеграла соответствующей функции на , последний часто может быть найден в явном виде.

Формулировка теоремы

[править | править код]

Пусть для функции выполняется:

  1. , т.е. функция принимает положительные значения на промежутке ;
  2. , т.е. функция является монотонно невозрастающей на ;
  3. (соответствие значения функции члену ряда).

Тогда ряд и несобственный интеграл сходятся или расходятся одновременно.

Набросок доказательства

[править | править код]
  1. Построим на графике ступенчатые фигуры как показано на рисунке.
  2. Площадь большей фигуры равна .
  3. Площадь меньшей фигуры равна .
  4. Площадь криволинейной трапеции под графиком функции равна
  5. Получаем
  6. Далее доказывается с помощью критерия сходимости знакоположительных рядов.

Полное доказательство

[править | править код]

монотонна на , следовательно существует.

, следовательно

.
Отсюда, если сходится, то

.
Поэтому ограничена. А так как она неубывающая, то она сходится.

Если расходится, то есть , то

значит ряд расходится.

Теорема доказана.

Примеры ("эталонные" ряды)

[править | править код]
  • Обобщённый гармонический ряд сходится при и расходится при , так как

(случай ),

при ,

при .

  • сходится при и расходится при . Для обоснования нужно рассмотреть .
  • На основе сравнения с этими рядами основаны признаки Раабе, Гаусса, Бертрана и некоторые другие. Серию "эталонных" рядов можно продолжить, и на их основе построить семейство все более тонких признаков для медленно сходящихся рядов.

Оценка остатка ряда

[править | править код]

Интегральный признак Коши позволяет оценить остаток знакоположительного ряда. Из полученного в доказательстве выражения

с помощью несложных преобразований получаем:

.