přednášky 1
přednášky 1
přednášky 1
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Matematika III<br />
Řady<br />
Miroslava Dubcová, Daniel Turzík, Drahoslava Janovská<br />
Ústav matematiky<br />
Přednášky ZS 2012-2013
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Obsah<br />
1 Číselné řady.<br />
Součet nekonečné řady.<br />
Kritéria konvergence<br />
2 Funkční řady.<br />
Bodová konvergence.<br />
Stejnoměrná konvergence.<br />
3 Mocninná a Taylorova řada.<br />
Mocninná řada. Poloměr konvergence.<br />
Taylorova řada.<br />
4 Literatura
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Součet nekonečné řady.<br />
Nekonečnou posloupnost {a n} ∞ n=1 reálných ( případně komplexních) čísel<br />
zapsanou ve tvaru součtu<br />
∞∑<br />
nazýváme číselnou řadou.<br />
n=1<br />
Definice 1. Součet prvních n členů řady, tj. součet<br />
s n =<br />
a n<br />
n∑<br />
a i ,<br />
nazýváme n-tým částečným součtem dané řady. Je-li limita lim<br />
n→∞<br />
s n = s<br />
konečná, nazýváme číslo s součtem řady, píšeme<br />
s =<br />
a říkáme, že tato řada konverguje. Je-li lim<br />
n→∞<br />
s n nevlastní nebo tato limita<br />
neexistuje, součet řady nedefinujeme a říkáme, že řada diverguje.<br />
Příklad: Řada ∑ ∞<br />
n=1<br />
1<br />
n<br />
se nazývá řada harmonická. Ukážeme, že tato řada<br />
je divergentní.<br />
i=1<br />
∞∑<br />
i=1<br />
a i
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Součet nekonečné řady.<br />
Zřejmě<br />
s 2 n = 1 + 1 2 + ( 1 3 + 1 4 ) + ( 1 5 + 1 6 + 1 7 + 1 8 ) + ( 1 9 + · · · + 1<br />
16 ) + . . .<br />
1<br />
· · · + (<br />
2 n−1 + 1 + 1<br />
2 n−1 + 2 + · · · + 1 2 ) ≥ n. 1 n 2 ,<br />
nebot’ každý výraz v závorce je větší než 1 2 . Odtud<br />
a harmonická řada tedy diverguje.<br />
Příklad: Uvažujme řadu<br />
Zřejmě<br />
lim s 2<br />
n→∞ n ≥ lim n · 1<br />
n→∞ 2 = +∞,<br />
∞∑<br />
(−1) i = 1 − 1 + 1 − 1 + 1 − 1 + 1 − 1 + . . . .<br />
i=0<br />
∑n−1<br />
s n = (−1) i =<br />
i=0<br />
{ 0 pro n sudé ,<br />
1 pro n liché.<br />
Tedy lim<br />
n→∞<br />
s n neexistuje a tato řada diverguje.
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Součet nekonečné řady.<br />
Věta 1. Je-li řada ∞ ∑<br />
i=1<br />
Důkaz: Necht’ řada ∞ ∑<br />
s = lim<br />
n→∞<br />
s n−1 . Odtud<br />
a i konvergentní, pak lim<br />
i→∞<br />
a i = 0.<br />
i=1<br />
a i konverguje a s = lim<br />
n→∞<br />
s n. Pak ale též<br />
lim an = lim<br />
n→∞ n→∞ (sn − s n−1) = lim s n − lim s n−1 = s − s = 0.<br />
n→∞ n→∞<br />
Věta 1 říká, že podmínka lim a n = 0 je nutnou podmínkou pro konvergenci<br />
n→∞<br />
∑<br />
řady ∞ a n. Větu nelze obrátit, tj. ze vztahu lim a n = 0 neplyne, že řada<br />
n→∞<br />
n=1<br />
∞∑<br />
∑<br />
a n konverguje, jak ukazuje příklad harmonické řady ∞<br />
n=1<br />
ale řada diverguje.<br />
n=1<br />
1<br />
1<br />
, kde lim = 0,<br />
n n→∞ n
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Součet nekonečné řady.<br />
Velmi důležitou řadou je tzv. geometrická řada. Je to každá řada tvaru<br />
∞∑<br />
a + aq + aq 2 + · · · = aq i , kde a, q ∈ R, a ≠ 0.<br />
i=0<br />
Číslo q nazýváme kvocientem geometrické řady.<br />
∑<br />
Věta 2. Geometrická řada ∞ aq i je konvergentní právě tehdy, když |q| < 1.<br />
i=0<br />
V tomto případě pro její součet platí vztah<br />
∞∑<br />
aq i =<br />
a<br />
1 − q .<br />
i=0<br />
Důkaz: Podle vzorce pro rozdíl n-tých mocnin<br />
dostáváme<br />
1 − q n = (1 − q)(1 + q + q 2 + · · · + q n−1 )<br />
s n = a + aq + · · · + aq n−1 = a 1 − qn<br />
1 − q .<br />
Je-li |q| < 1, je lim<br />
n→∞<br />
q n = 0 a dostáváme<br />
lim sn = lim a 1 − qn<br />
n→∞ n→∞ 1 − q = a<br />
1 − q .
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Součet nekonečné řady.<br />
Naopak je-li |q| ≥ 1, pak lim<br />
i→∞<br />
aq i není rovna nule a tedy podle věty 1 je daná<br />
řada divergentní.<br />
Definice 2.<br />
∑<br />
řada ∞ |a i |.<br />
i=1<br />
∑<br />
Říkáme, že řada ∞ a i konverguje absolutně, jestliže konverguje<br />
i=1<br />
∑<br />
Věta 3. Jestliže řada ∞ a i konverguje absolutně, pak tato řada konverguje.<br />
i=1<br />
∑<br />
Jinak řečeno: konverguje-li řada ∞ ∑<br />
|a i |, konverguje i řada ∞ a i .<br />
Tvrzení věty 3 nelze obrátit. Později ukážeme, že řada ∞ ∑<br />
i=1<br />
n=1<br />
i=1<br />
(−1) n<br />
n<br />
konverguje,<br />
∑<br />
ale jak víme, řada ∞ ∑<br />
| (−1)n | diverguje. Řada ∞ (−1) n<br />
je tedy příkladem<br />
n<br />
n<br />
n=1<br />
n=1<br />
konvergentní řady, která není absolutně konvergentní. Určit součet<br />
konvergentní řady je obvykle značně obtížná úloha, kterou umíme řešit pro<br />
geometrickou řadu a dále v některých jednoduchých případech. Jednodušší<br />
úlohou může být úloha zjistit, zda je daná řada konvergentní (aniž bychom<br />
určovali její součet). K tomu slouží tzv. kritéria konvergence. Těchto kritérií<br />
je celá řada, některá z nich si nyní ukážeme.
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Kritéria konvergence<br />
Věta 4 (Srovnávací kritérium). Necht’ pro každé n ≥ 1, příp. n ≥ n 0 , platí<br />
0 ≤ a n ≤ b n. Potom platí:<br />
(i) konverguje-li řada<br />
nebo totéž ve negované formě<br />
∞∑<br />
b n, konverguje i řada<br />
n=1<br />
∞∑<br />
a n,<br />
n=1<br />
(ii) diverguje-li řada<br />
∞∑<br />
a n, diverguje i řada<br />
n=1<br />
∞∑<br />
b n.<br />
n=1<br />
Důkaz: Označme s n = (a 1 + a 2 + · · · + a n) a S n = (b 1 + b 2 + · · · + b n).<br />
zřejmě s n ≤ S n a obě posloupnosti {s n} i {S n} jsou neklesající. Je-li tedy<br />
lim Sn konečná, je nutně konečná i lim sn a tím je tvrzení dokázáno.<br />
n→∞ n→∞<br />
Ve větě 4 je možno platnost předpokladu 0 ≤ a n ≤ b n požadovat pro všechna<br />
n ≥ n 0 , kde n 0 ≥ 1 je nějaký pevný index. Konvergence nebo divergence<br />
řady totiž nezáleží na hodnotách konečného počtu sčítanců.
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Kritéria konvergence<br />
Příklad: Uvažujme řadu ∞ ∑<br />
∞∑<br />
n=1<br />
n=1<br />
1<br />
. Protože 0 ≤ 1 ≤ 1 pro n ≥ 1 a řada<br />
n.2 n n.2 n 2 n<br />
1<br />
2 n je konvergentní (je to geometrická řada s kvocientem q = 1/2), je<br />
podle věty 4 konvergentní i řada ∞ ∑<br />
Příklad: Řada ∞ ∑<br />
divergentní.<br />
n=2<br />
n=1<br />
1<br />
n.2 n .<br />
1<br />
1<br />
je divergentní, protože ≥ 1 pro n ≥ 2 a řada ∑ ∞ 1<br />
je<br />
ln n ln n n n<br />
n=2<br />
∑<br />
Věta 5 (Podílové kritérium). Uvažujme řadu ∞ a n, a n ≠ 0.<br />
1 Je-li lim | a n+1<br />
| < 1, pak řada<br />
n→∞<br />
a n<br />
2 Je-li lim | a n+1<br />
| > 1, pak řada<br />
n→∞<br />
a n<br />
n=1<br />
∞∑<br />
a n konverguje absolutně.<br />
n=1<br />
∞∑<br />
a n diverguje.<br />
n=1<br />
Větu nebudeme dokazovat. Poznamenejme jen, že důkaz první části spočívá<br />
na porovnání dané řady s jistou geometrickou řadou. Pro druhou část lze<br />
ukázat, že řada nesplňuje nutnou podmínku pro konvergenci danou větou 1.
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Kritéria konvergence<br />
Je-li<br />
lim | a n+1<br />
| = 1,<br />
n→∞ a n<br />
podílové kritérium o konvergenci řady nerozhodne. Existují řady konvergentní<br />
∑<br />
(např. ∞ 1<br />
) i řady divergentní (např. harmonická řada), pro které platí, že<br />
n 2<br />
n=1<br />
limita podílu je 1).<br />
Věta 6 (Odmocninové kritérium). Uvažujme řadu<br />
∞∑<br />
a n, a necht’ existuje<br />
n=1<br />
(konečná i nekonečná) limita lim<br />
√ n<br />
|a<br />
n→∞<br />
n| = L. Potom platí:<br />
∞∑<br />
1 je-li L < 1, řada a n je absolutně konvergentní,<br />
2 je-li L > 1, řada<br />
n=1<br />
∞∑<br />
a n je divergentní.<br />
n=1<br />
Důkaz: Je-li L < 1, zvolme ε > 0 tak, aby platilo L + ε < 1. Potom existuje<br />
n 0 ∈ N takové, že pro n ∈ N, n ≥ n 0 je n√ a n < L + ε < 1, odkud a n < (L + ε) n .<br />
∞∑<br />
Řada (L + ε) n je konvergentní geometrická řada.<br />
n=1
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Kritéria konvergence<br />
Podle srovnávacího kritéria (Věta 4) řada<br />
∞∑<br />
a n konverguje.<br />
Je-li L > 1, potom existuje n 0 ∈ N takové, že pro n ∈ N, n ≥ n 0 je n√ a n ≥ 1.<br />
Platí tedy a n ≥ 1 pro n ≥ n 0 , není tedy splněna nutná podmínka konvergence<br />
∞∑<br />
(Věta 1). Řada a n diverguje.<br />
n=1<br />
Odmocninové kritérium selže v případě, že lim<br />
√ n<br />
a n neexistuje nebo je<br />
n→∞<br />
rovna jedné.<br />
∞∑ 1<br />
Příklad: Vyšetřeme konvergenci řady<br />
(ln n) . n<br />
Použijeme odmocninové kritérium:<br />
√<br />
Řada tedy konverguje.<br />
n<br />
lim<br />
n→∞<br />
n=2<br />
1<br />
(ln n) n = lim<br />
n→∞<br />
n=1<br />
1<br />
ln n = 0 < 1.
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Kritéria konvergence<br />
Zatím se uvedená kritéria týkala absolutní konvergence. Uved’me nyní jedno<br />
kritérium pro neabsolutní konvergenci, Leibnitzovo kritérium. Týká se tzv.<br />
alternujících řad, tj. řad, jejichž členy pravidelně mění znaménko.<br />
Věta 7 (Leibnitzovo kritérium). Necht’ pro posloupnost {a n} platí:<br />
a n ≥ a n+1 ≥ 0 pro každé n ≥ 1, a současně<br />
Potom řada<br />
∞∑<br />
(−1) n a n<br />
konverguje.<br />
n=1<br />
lim a n = 0.<br />
n→∞<br />
∑<br />
Příklad: Řada ∞ (−1) (n+1) 1 splňuje podmínky věty 7 (posloupnost { 1 } je<br />
n n<br />
n=1<br />
1<br />
klesající a lim = 0 ) a tedy konverguje. (Později ukážeme, že její součet je<br />
n→∞ n<br />
ln 2.) Jak již bylo řečeno, tato řada nekonverguje absolutně, srovnej<br />
s harmonickou řadou.
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Kritéria konvergence<br />
Věta 8 (Integrální kritérium). Necht’ funkce f (x) definovaná pro x ≥ 1 je<br />
nerostoucí spojitá funkce splňující podmínku f (x) ≥ 0 pro x ≥ 1.<br />
∞∫<br />
∑<br />
Pak f (x) dx konverguje právě tehdy, když konverguje řada ∞ f (n).<br />
1<br />
Příklad: Řada ∞ ∑<br />
n=1<br />
∫ ∞<br />
1<br />
1<br />
konverguje, protože integrál<br />
n 2<br />
1<br />
x 2 dx = [− 1 x<br />
] ∞<br />
1<br />
= lim<br />
x→∞<br />
(− 1 x ) − (−1) = 1<br />
konverguje.<br />
Příklad: Pomocí integrálního kritéria můžeme také dokázat divergenci<br />
∑<br />
harmonické řady ∞ 1<br />
. Protože integrál<br />
n<br />
n=1<br />
n=1<br />
∫ ∞<br />
diverguje, diverguje i řada ∞ ∑<br />
1<br />
1<br />
x dx = [ln x]∞ 1<br />
n=1<br />
1<br />
n .<br />
= lim<br />
x→∞<br />
ln x = ∞
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Bodová konvergence.<br />
Definice 3. Necht’ n ∈ N a f n je reálné funkce jedné reálné proměnné<br />
∞∑<br />
definované na intervalu I. Potom řadu f n(x) nazýváme funkční řadou v<br />
I. Říkáme, že řada<br />
n=1<br />
∞∑<br />
f n(x) konverguje bodově v množině D ⊂ I, jestliže pro<br />
n=1<br />
každou hodnotu x ∈ D konverguje řada<br />
∞∑<br />
f n(x). Množinu D nazýváme<br />
n=1<br />
oborem konvergence řady. Označíme-li s m(x) =<br />
řady a platí-li lim sm(x) = s(x), pro x ∈ D, potom píšeme<br />
m→∞<br />
m∑<br />
f n(x) částečný součet<br />
n=1<br />
∞∑<br />
f n(x) = s(x), pro x ∈ D.<br />
n=1<br />
Důležitou otázkou týkající se řad funkcí je to, zda se vlastnosti jednotlivých<br />
členů řady (spojitost, existence derivace, apod.) přenáší také na součet řady.<br />
Bodová konvergence nám k tomu nestačí, musíme proto zavést silnější typ<br />
konvergence.
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Stejnoměrná konvergence.<br />
Definice 4.<br />
Říkáme, že řada<br />
∞∑<br />
f n(x) konverguje stejnoměrně k součtu<br />
n=1<br />
s(x) na intervalu I, jestliže posloupnost {s m(x)} ∞ n=1 jejich částečných součtů<br />
konverguje stejnoměrně k funkci s(x) na I (píšeme s m ⇒ s), tj.<br />
∀ε > 0 ∃n 0 ∈ N takové, že ∀x ∈ I a ∀n ∈ N, n ≥ n 0 platí |s m(x) − s(x)| < ε.<br />
Je třeba si uvědomit, že slabší vlastnost bodové konvergence znamená<br />
∀x ∈ I ∀ε > 0 ∃n 0 ∈ N takové, že a ∀n ∈ N, n ≥ n 0 platí |s m(x) − s(x)| < ε.<br />
Věta 9 (Weierstrassovo kriterium). Necht’ a n ≥ 0 a<br />
∞∑<br />
a n konverguje.<br />
Necht’ pro všechna x ∈ I a všechna n ∈ N platí |f n(x)| ≤ a n. Potom řada<br />
∞∑<br />
f n(x) konverguje stejnoměrně na I.<br />
n=1<br />
n=1<br />
Příklad: Rozhodněme, kde řada konverguje stejnoměrně<br />
∞∑<br />
n=1<br />
cos nx<br />
n 4 .
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Stejnoměrná konvergence.<br />
Použijeme Weierstrassovo kritérium<br />
∣ cos nx ∣∣ 1<br />
∣ ≤<br />
n 4 n 4 pro x ∈ R .<br />
Řada<br />
∞∑<br />
n=1<br />
1<br />
konverguje, tedy daná řada konverguje stejnoměrně v R .<br />
n4 Věta 10. Necht’ řada funkcí<br />
∞∑<br />
f n(x) konverguje stejnoměrně na I a má na I<br />
n=1<br />
součet s(x). Jsou-li všechny funkce f n(x) na I spojité, pak je na I spojitá také<br />
funkce s(x).<br />
∞∑<br />
Věta 11. Necht’ řada funkcí f n(x) konverguje stejnoměrně na I = [a, b] a<br />
n=1<br />
má na I součet s(x). Jsou-li všechny funkce f n(x) na I integrovatelné, pak je<br />
na I integrovatelná také funkce s(x) a plati<br />
∫ b<br />
∞∑<br />
∫ b<br />
∫ (<br />
b ∞<br />
)<br />
∑<br />
∞∑<br />
∫ b<br />
s(x) dx = f n(x) dx, tj. f n(x) dx = f n(x) dx.<br />
a<br />
n=1<br />
a<br />
a<br />
n=1<br />
n=1<br />
a
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Stejnoměrná konvergence.<br />
Příklad: Vypočtěte<br />
Řada<br />
∞∑<br />
n=1<br />
∫ 1<br />
2<br />
0<br />
(<br />
∑ ∞<br />
)<br />
n x n−1 dx.<br />
n=1<br />
n x n−1 konverguje stejnoměrně na [0, 1 ] (podle Weierstrassova<br />
2<br />
kritéria). Platí proto<br />
∫ (<br />
1 ∞<br />
)<br />
2 ∑<br />
n x n−1 dx =<br />
0<br />
n=1<br />
(<br />
∞∑ ∫ 12<br />
)<br />
n x n−1 dx =<br />
n=1<br />
Věta 12. Necht’ řada funkcí<br />
0<br />
∞∑<br />
n=1<br />
[<br />
x<br />
n ] 1 2<br />
0<br />
=<br />
∞∑<br />
n=1<br />
∞∑<br />
f n(x) konverguje na otevřeném intervalu<br />
n=1<br />
I = (a, b) a má na I součet s(x). Necht’ řada funkcí<br />
∞∑<br />
f n(x) ′ konverguje<br />
n=1<br />
1<br />
2 n = 1.<br />
stejnoměrně na I. Mají-li všechny funkce f n(x) na otevřeném intervalu I<br />
derivaci pro všechna n ∈ N, potom má také funkce s(x) derivaci na I a plati<br />
(<br />
∞∑<br />
∞ ′<br />
∑<br />
∞∑<br />
s ′ (x) dx = f n(x) ′ dx, tj. f n(x))<br />
= f n(x).<br />
′<br />
n=1<br />
n=1<br />
n=1
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Mocninná řada. Poloměr konvergence.<br />
Definice 5.<br />
Řadu tvaru<br />
∞∑<br />
a n(x − x 0 ) n ,<br />
n=0<br />
kde x 0 , a 0 , a 1 , . . . jsou reálná čísla, x je proměnná, nazýváme mocninnou<br />
řadou. Čísla a 0 , a 1 , . . . nazýváme koeficienty a číslo x 0 střed mocninné<br />
řady.<br />
Pro zvolenou hodnotu proměnné x je mocninná řada číselnou řadou. Součet<br />
mocninné řady představuje jistou funkci, definovanou právě pro ty hodnoty<br />
proměnné x, pro které odpovídající číselná řada konverguje.<br />
∑<br />
Příklad: Mocninná řada ∞ x n (se středem x 0 = 0) je geometrickou řadou<br />
n=0<br />
s kvocientem x, a tedy konverguje právě pro x ∈ (−1, 1). Podle věty 2 pro její<br />
součet platí<br />
∞∑<br />
x n = 1 pro x ∈ (−1, 1) .<br />
1 − x<br />
n=0
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Mocninná řada. Poloměr konvergence.<br />
Věta 13. Necht’<br />
∞∑<br />
a n(x − x 0 ) n je mocninná řada. Pak existuje číslo<br />
n=0<br />
R ∈ 〈0, +∞〉 (tj. R ∈ 〈0, +∞) nebo R = +∞), takové, že:<br />
1 Je-li R = 0, pak daná mocninná řada konverguje pouze pro x = x 0 a pro<br />
ostatní x ≠ x 0 diverguje.<br />
2 Je-li R ∈ (0, +∞), pak daná mocninná řada konverguje absolutně pro<br />
každé<br />
x ∈ (x 0 − R, x 0 + R) a diverguje pro každé<br />
x ∈ (−∞, x 0 − R) ∪ (x 0 + R, +∞).<br />
3 Je-li R = +∞, pak daná mocninná řada konverguje absolutně pro každé<br />
x ∈ R.<br />
Číslo R nazýváme poloměrem konvergence mocninné řady.<br />
∑<br />
Poloměr konvergence mocninné řady ∞ a n(x − x 0 ) n je možno určit pomocí<br />
podílového kritéria. Označme<br />
n=0<br />
R = lim<br />
n→∞<br />
∣ ∣∣∣ a n<br />
a n+1<br />
∣ ∣∣∣<br />
.
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Mocninná řada. Poloměr konvergence.<br />
Ukážeme, že R je poloměr konvergence dané mocninné řady. Platí<br />
lim<br />
n→∞ ∣ a ∣ ∣ ∣ ∣ ∣<br />
n+1(x − x 0 ) n+1 ∣∣∣ ∣∣∣ a n+1 (x − x 0 ) ∣∣∣ ∣∣∣ a n+1 ∣∣∣<br />
= lim<br />
= |x − x<br />
a n(x − x 0 ) n<br />
0 | · lim .<br />
n→∞ a n<br />
n→∞ a n<br />
Odtud okamžitě plyne, že pro |x − x 0 | < R mocninná řada konverguje<br />
absolutně a naopak pro |x − x 0 | > R diverguje. Tedy R je poloměrem<br />
konvergence dané mocninné řady. V případě 2. věty 13, tj. v případě<br />
R ∈ (0, +∞), nelze říci obecně nic o konvergenci mocninné řady pro<br />
x = x 0 − R a x = x 0 + R. Existují příklady, kdy mocninná řada konverguje jak<br />
pro x = x 0 − R tak pro x = x 0 + R, příklady kdy konverguje pouze pro jednu<br />
z těchto hodnot, i příklady, kdy pro obě z těchto hodnot diverguje.<br />
∑<br />
Příklad: Určete, pro které hodnoty proměnné x konverguje řada ∞<br />
Protože<br />
lim<br />
n→∞<br />
∣<br />
x n+1<br />
n+1<br />
x n<br />
n<br />
∣ = lim<br />
n→∞ ∣ x · n<br />
n + 1 ∣ = |x| ,<br />
je podle podílového kritéria daná řada absolutně konvergentní pro<br />
x ∈ (−1, 1) a divergentní pro x ∈ (−∞, −1) ∪ (1, +∞). Poloměr konvergence<br />
dané mocninné řady je tedy roven 1.<br />
n=1<br />
x n<br />
n .
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Mocninná řada. Poloměr konvergence.<br />
Pro x = 1 je daná řada harmonickou řadou, a tedy řadou divergentní, pro<br />
∞∑<br />
x = −1 je daná řada řadou (−1) n 1<br />
, u které jsme již určili, že konverguje.<br />
n<br />
n−1
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Taylorova řada.<br />
Definice 6. Necht’ funkce f má v bodě x 0 derivace všech řádů. Taylorovou<br />
řadou funkce f se středem v x 0 rozumíme řadu<br />
∞∑<br />
n=0<br />
f (n) (x 0 )<br />
(x − x 0 ) n .<br />
n!<br />
Příklad: Odvod’te Taylorovu řadu funkce f (x) = e x se středem v bodě x 0 = 0<br />
a určete, pro která x tato řada konverguje. Pro f (x) = e x je f (n) (x) = e x , a<br />
tedy f (n) (x 0 ) = 1. Taylorova řada je tedy řada<br />
∞∑<br />
n=0<br />
x n<br />
n! .<br />
Vyšetřeme konvergenci této řady podílovým kritériem:<br />
x n+1<br />
lim<br />
n→∞<br />
∣ ∣ = lim<br />
x<br />
n→∞ ∣ n + 1 ∣ = 0 pro každé x ∈ R .<br />
Řada ∞ ∑<br />
n=0<br />
(n+1)!<br />
x n<br />
n!<br />
x n<br />
n!<br />
tedy konverguje pro každé x ∈ R. Součet Taylorovy řady, pokud<br />
existuje, budeme značit symbolem T (x).
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Taylorova řada.<br />
Protože Taylorův polynom T n(x) n-tého stupně funkce f v bodě x 0 je právě<br />
n-tým částečným součtem Taylorovy řady této funkce, je podle definice<br />
T (x) = lim<br />
n→∞<br />
T n(x) .<br />
V dalším se budeme zabývat otázkou, kdy f (x) = T (x). Z Taylorova vzorce<br />
f (x) = T n(x) + R n(x) dostaneme limitním přechodem pro n → ∞<br />
f (x) = lim<br />
n→∞<br />
T n(x) + lim<br />
n→∞<br />
R n(x) = T (x) + lim<br />
n→∞<br />
R n(x) .<br />
Z této rovnosti plyne, že f (x) = T (x) právě pro ta x, pro která je<br />
Rn(x) = 0.<br />
lim<br />
n→∞<br />
Tím jsme dokázali následující větu:<br />
Věta 14. Pro součet T (x) Taylorovy řady funkce f se středem v x 0 platí<br />
T (x) = f (x) právě tehdy, když lim<br />
n→∞<br />
R n(x) = 0 .<br />
Je důležité poznamenat, že existují funkce, které mají v bodě x 0 všechny<br />
derivace, a tedy mají Taylorovu řadu, jejíž součet se dané funkci v okolí x 0<br />
nerovná.
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Taylorova řada.<br />
Pro tyto funkce zřejmě lim R<br />
n→∞<br />
n(x) ≠ 0. Příkladem takové funkce je funkce<br />
{<br />
f (x) =<br />
e − 1<br />
x 2 pro x ≠ 0<br />
0 pro x = 0 .<br />
Lze ukázat, že T (x) = 0 pro všechna x ∈ R. Ilustrujme si použití věty 14.<br />
Příklad: Ukážeme, že<br />
e x =<br />
∞∑<br />
n=0<br />
x n<br />
n!<br />
Z předchozího příkladu víme, že řada ∞ ∑<br />
pro každé x ∈ R .<br />
n=0<br />
x n<br />
n!<br />
je Taylorovou řadou funkce e x se<br />
středem v x 0 = 0 a že tato řada konverguje pro každé x ∈ R. Pro pevně<br />
zvolené x ∈ R platí prodle věty o zbytku v Taylorově formuli.<br />
Zřejmě<br />
R n(x) =<br />
e c<br />
(n + 1)! x n+1 , kde c leží mezi x a x 0 .<br />
∣ |R n(x)| =<br />
e c ∣∣∣<br />
∣ (n + 1)! x n+1 ≤<br />
x n+1<br />
∣ e|x| (n + 1)! ∣ .
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura<br />
Taylorova řada.<br />
x<br />
Ukážeme-li, že lim<br />
n+1<br />
= 0, pak nutně i lim<br />
n→∞ (n+1)!<br />
řadou konvergentní, a tedy podle věty 1 je<br />
lim<br />
n→∞<br />
x n<br />
n! = lim<br />
n→∞<br />
n→∞ Rn(x) = 0. Ale řada ∞ ∑<br />
x n+1<br />
(n + 1)! = 0 .<br />
Na závěr tohoto odstavce uved’me Taylorovy řady některých funkcí, spolu<br />
s intervaly, kde se těmto funkcím rovnají:<br />
∞∑<br />
e x x n<br />
=<br />
n! , x ∈ R<br />
sin x =<br />
cos x =<br />
ln(x + 1) =<br />
arctg x =<br />
n=0<br />
∞∑<br />
(−1) n x 2n+1<br />
(2n + 1)! , x ∈ R<br />
n=0<br />
∞∑<br />
(−1) n x 2n<br />
(2n)! , x ∈ R<br />
n=0<br />
∞∑<br />
(−1) (n+1) x n<br />
, x ∈ (−1, 1〉<br />
n<br />
n=1<br />
∞∑<br />
(−1) n x 2n+1<br />
, x ∈ 〈−1, 1〉<br />
2n + 1<br />
n=0<br />
n=0<br />
x n<br />
n!<br />
je
Číselné řady. Funkční řady. Mocninná a Taylorova řada. Literatura