19.01.2015 Views

přednášky 1

přednášky 1

přednášky 1

SHOW MORE
SHOW LESS

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

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!