Mamy 6 zadań. Zostały one podzielone zgodnie z wprowadzonymi grupami w zakładce Wzory tutaj. Ostatnie zadanie jest „mieszanką” wszystkich typów szeregów. Najpierw należy je sklasyfikować, a następnie wybrać odpowiedni schemat. Dlatego zaleca się rozwiązywanie zadań (i podpunktów w zadaniach) w kolejności podanej na stronce. Zadanie 1 jest ambitniejsze i badamy w nim zbieżność szeregów z definicji (a nie z kryteriów).
Zadanie 1. Zbadać zbieżność szeregów liczbowych z definicji.
1)
Rozwiązanie Liczymy tzw. n-tą sumę częściową :
Zauważmy, że każdy składnik tej sumy daje się przedstawić w postaci Zatem:
Następnie zauważmy, że skracają się prawie wszystkie składniki. Dostajemy:
Liczymy granicę ciągu :
Ponieważ granica jest skończona, więc szereg jest zbieżny.
2)
Rozwiązanie Liczymy tzw. n-tą sumę częściową :
Zauważmy, że każdy składnik tej sumy daje się przedstawić w postaci Zatem:
Następnie zauważmy, że skracają się prawie wszystkie składniki. Dostajemy:
Liczymy granicę ciągu :
Ponieważ granica jest skończona, więc szereg jest zbieżny.
3)
Rozwiązanie Liczymy tzw. n-tą sumę częściową :
Zauważmy, że w nawiasie otrzymaliśmy wzór na n-tą sumę ciągu geometrycznego . Stąd: Liczymy granicę ciągu :
Ponieważ granica jest nieskończona, więc szereg jest rozbieżny.
4)
Rozwiązanie I sposób Powinniśmy liczyć tzw. n-tą sumę częściową , ale ze względu na postać naszego szeregu liczymy :
Łączymy potęgi z plusami i minusami do nawiasów:
Zauważmy, że w nawiasach otrzymaliśmy wzór na n-tą sumę ciągu geometrycznego . Zauważmy, że w każdym nawiasie jest wyrazów, (w obydwu nawiasach) oraz (dla pierwszego nawiasu) i (dla drugiego nawiasu). Stąd:
Liczymy granicę ciągu :
Wyrażenie , gdy . Zatem:
Ponieważ granica jest skończona, więc szereg jest zbieżny , a jego suma wynosi . II sposób Liczymy bezpośrednio sumę
Otrzymaliśmy dwa ciągi geometryczne nieskończone. Wzór na sumę nieskończonego ciągu geometrycznego . Zatem:
Zadanie 2. Zbadać zbieżność szeregów liczbowych (kryterium d’Alemberta, Grupa I z zakładki Wzory tutaj):
1)
Rozwiązanie W kryterium d’Alemberta liczymy granicę . Mamy, że: oraz Zatem:
Nie chcemy tworzyć ułamków piętrowych, taki zapis jest wygodniejszy. Wyraz rozpisujemy z definicji silni oraz z własności potęg:
Po skróceniu otrzymujemy:
Ponieważ granica jest mniejsza od 1, więc szereg (na podstawie kryt. d’Alemberta) jest zbieżny.
2)
Rozwiązanie W kryterium d’Alemberta liczymy granicę . Mamy, że: oraz Zatem:
Nie chcemy tworzyć ułamków piętrowych, taki zapis jest wygodniejszy. Wyraz rozpisujemy z definicji silni oraz z własności potęg:
Po skróceniu otrzymujemy:
Ponieważ granica jest większa od 1, więc szereg (na podstawie kryt. d’Alemberta) jest rozbieżny.
3)
Rozwiązanie W kryterium d’Alemberta liczymy granicę . Mamy, że: oraz
Zatem:
Nie chcemy tworzyć ułamków piętrowych, taki zapis jest wygodniejszy. Wyraz rozpisujemy z definicji silni oraz z własności potęg:
Po skróceniu otrzymujemy:
Ponieważ granica jest mniejsza od 1, więc szereg (na podstawie kryt. d’Alemberta) jest zbieżny.
4) ważny!
Rozwiązanie Jest to przykład, który w sposób wyraźny łączy wiedzę o szeregach z wiadomościami z granic ciągów. Bardzo często podobne ciągi pojawiają się na egzaminach i kolokwiach. Podobnie jak poprzednio znajdujemy i . Mamy:
zaś
Proszę uważać na częste błędy w , np. nie wstawienie do podstawy potęgi . Liczymy granicę:
Po skróceniu dostajemy:
Zauważmy, że dostaliśmy granicę z wykorzystaniem liczby . Zatem:
Ponieważ granica jest mniejsza od 1, więc szereg (na podstawie kryt. d’Alemberta) jest zbieżny.
5)
Rozwiązanie Znajdujemy i . Mamy:
zaś
Liczymy granicę:
Ponieważ granica jest większa od 1, więc szereg (na podstawie kryt. d’Alemberta) jest rozbieżny.
Zadanie 3. Zbadać zbieżność szeregów liczbowych (kryterium Cauchy’ego, grupa II z zakładki Wzory tutaj):
1)
Rozwiązanie W kryterium Cauchy’ego liczymy granicę . Wiemy, że , więc:
Wykorzystaliśmy tutaj granicę, która pojawiła się przy tw. o trzech ciągach, a mianowicie
Ponieważ granica jest mniejsza od 1, więc na podstawie kryterium Cauchy’ego szereg jest zbieżny.
2)
Rozwiązanie W kryterium Cauchy’ego liczymy granicę . Wiemy, że , więc:
Pamiętajmy, że pierwiastek z iloczynu (ilorazu) jest równy iloczynowi (ilorazowi) pierwiastków, co oznacza, że możemy rozdzielić pierwiastek tam gdzie mamy iloczyn bądź iloraz. Zatem:
Wykorzystaliśmy tutaj granicę, która pojawiła się przy tw. o trzech ciągach, a mianowicie
Ponieważ granica jest większa od 1, więc szereg na podstawie kryterium Cauchy’ego jest rozbieżny.
3)
Rozwiązanie W kryterium Cauchy’ego liczymy granicę . Wiemy, że więc:
Ponieważ granica jest mniejsza od 1, więc na podstawie kryterium Cauchy’ego szereg jest zbieżny.
4)
Rozwiązanie W kryterium Cauchy’ego liczymy granicę . Wiemy, że więc:
Ponieważ granica jest większa od 1, więc szereg na podstawie kryterium Cauchy’ego jest rozbieżny.
5)
Rozwiązanie W kryterium Cauchy’ego liczymy granicę . Wiemy, że więc:
Ponieważ granica jest mniejsza od 1, więc szereg na podstawie kryterium Cauchy’ego jest zbieżny.
Zadanie 4. Zbadać zbieżność szeregów liczbowych (kryterium porównawcze – obie wersje, grupa III i IV z zakładki Wzory tutaj):
1) gr. III
Rozwiązanie Jest to ciąg, którego wyraz ogólny zawiera funkcję sinus, więc możemy zastosować kryterium porównawcze (ilorazowe), które zacytowaliśmy w grupie III zakładka Wzory. W kryterium tym występują dwa ciągi oraz . Jako przyjmujemy:
W kryterium tym pojawia się granica . Najczęściej przyjmujemy . Zatem ciąg dobieramy tak, aby granica ta równała się 1. A więc:
Do mianownika dopisaliśmy ciąg o wyrazie ogólnym . Po pierwsze (na czerwono), dopisaliśmy czynnik, który możemy skrócić. Po drugie (na niebiesko), wykorzystujemy granicę o ile . Dopisany jest zatem w mianowniku argument sinusa czyli . Podsumowując, do mianownika dopisaliśmy ciąg o wyrazie ogólnym
Zatem nasz szereg zachowuje się tak samo jak szereg . W zakładce Teoria pojawił się tzw. szereg harmoniczny rzędu . Szereg jest to właśnie szereg harmoniczny rzędu . Ponieważ więc jest szeregiem zbieżnym, a tym samym szereg jest szeregiem zbieżnym.
2)
Rozwiązanie Podobnie jak w przykładzie poprzednim, jako zaś do mianownika jako wpisujemy:
gdyż oraz . Do mianownika dopisaliśmy zatem:
Wobec tego nasz szereg zachowuje się tak samo jak szereg . Szereg jest szeregiem harmonicznym rzędu , a więc szeregiem zbieżnym. Na podstawie kryterium porównawczego również szereg jest zbieżny.
3)
Rozwiązanie Podobnie jak w przykładzie poprzednim, jako zaś do mianownika jako wpisujemy:
gdyż . Do mianownika dopisaliśmy zatem:
Wobec tego nasz szereg zachowuje się tak samo jak szereg . Szereg jest szeregiem harmonicznym rzędu , a więc szeregiem zbieżnym. Na podstawie kryterium porównawczego również szereg jest zbieżny.
4)
Rozwiązanie Podobnie jak w przykładzie poprzednim, jako zaś do mianownika jako wpisujemy:
gdyż oraz . Do mianownika dopisaliśmy zatem:
Wobec tego nasz szereg zachowuje się tak samo jak szereg . Szereg jest szeregiem harmonicznym rzędu , a więc szeregiem zbieżnym. Na podstawie kryterium porównawczego również szereg jest zbieżny.
5) gr. IV
Rozwiązanie Jest to szereg do zbieżności którego wykorzystujemy kryterium porównawcze (klasyczne, grupa IV zakładka Wzory). Krok 1. Badamy ”różnicę stopni” pomiędzy licznikiem a mianownikiem. U nas najwyższy stopień licznika wynosi jeden, zaś mianownika trzy. Wobec tego nasz szereg ”jest podobny” do szeregu . Uwaga! Sprawdzić przy tego typu szeregach (nawet w pamięci), czy spełniony jest warunek konieczny zbieżności . U nas – spełniony warunek konieczny zbieżności. Wiemy już, że jest szeregiem zbieżnym jako szereg harmoniczny rzędu . Będziemy zatem wykazywać również zbieżność szeregu . Krok 2. Aby wykazać zbieżność musimy oszacować go od góry (kryt. porównawcze klasyczne zbieżności), tzn. zwiększyć wartość wyrazu ogólnego:
Aby zwiększyć ułamek: licznik zwiększamy, a mianownik zmniejszamy. Jak to zrobić? Po pierwsze, zastanawiamy się, czy możemy opuścić ”nie pasujące” składniki jakimi są: w liczniku -2, w mianowniku 1. Jeżeli w liczniku opuścimy liczbę -2, to licznik zwiększymy, a tym samym zwiększymy cały ułamek. A więc pasuje. Podobnie w mianowniku. Możemy opuścić liczbę 1, gdyż zmniejszamy w ten sposób mianownik, a więc ułamek zwiększamy. A o to nam chodziło. Gdybyśmy nie mogli opuszczać składników, jest inna droga, o której w kolejnych przykładach. Otrzymaliśmy zatem:
O szeregu wiemy, że jest zbieżny, więc na podstawie kryterium porównawczego szereg jest również zbieżny. Jest to kryterium, które sprawia najwięcej problemów studentom.
6)
Rozwiązanie Krok 1. Badamy ”różnicę stopni” pomiędzy licznikiem a mianownikiem. U nas najwyższy stopień licznika wynosi jeden, zaś mianownika dwa. Wobec tego nasz szereg ”jest podobny” do szeregu . Uwaga! Sprawdzić przy tego typu szeregach, czy spełniony jest warunek konieczny zbieżności . U nas – spełniony warunek konieczny zbieżności. Wiemy już, że jest szeregiem rozbieżnym jako szereg harmoniczny rzędu . Będziemy zatem wykazywać również rozbieżność szeregu . Krok 2. Aby wykazać rozbieżność musimy oszacować go od dołu (kryt. porównawcze klasyczne rozbieżności), tzn. zmniejszyć wartość wyrazu ogólnego:
Aby zmniejszyć ułamek: licznik zmniejszamy, a mianownik zwiększamy. Zastanawiamy się, czy możemy opuścić ”nie pasujące” składniki jakimi są: w liczniku 3, w mianowniku 4. Jeżeli w liczniku opuścimy liczbę 3, to licznik zmniejszymy, a tym samym zmniejszymy cały ułamek. A więc pasuje. W mianowniku mamy inną sytuację. Gdybyśmy opuścili liczbę 4, mianownik zmniejszylibyśmy, a cały ułamek zwiększylibyśmy. Nie pasuje do sytuacji. Jeżeli nie możemy opuścić składnika, to wówczas dopisujemy (u nas do 4) odpowiednią potęgę tak, aby później można było dodać potęgi (u nas dopisujemy ). W ten sposób zwiększyliśmy mianownik, a tym samym zmniejszyliśmy ułamek. Otrzymaliśmy zatem:
O szeregu wiemy, że jest rozbieżny, więc na podstawie kryterium porównawczego szereg jest również rozbieżny.
7)
Rozwiązanie W tym szeregu zanim zaczniemy go szacować, musimy usunąć z licznika wyrażenie nieoznaczone . Robimy to analogicznie rachunków w granicach ciągów, czyli mnożymy przez tzw. sprzężenie:
Krok 1. Badamy ”różnicę stopni” pomiędzy licznikiem a mianownikiem. U nas najwyższy stopień licznika wynosi zero, zaś mianownika . Wobec tego nasz szereg ”jest podobny” do szeregu . Uwaga! Sprawdzić przy tego typu szeregach, czy spełniony jest warunek konieczny zbieżności . U nas – spełniony warunek konieczny zbieżności. Wiemy już, że jest szeregiem zbieżnym jako szereg harmoniczny rzędu . Będziemy zatem wykazywać również zbieżność szeregu . Krok 2. Aby wykazać zbieżność musimy oszacować go od góry (kryt. porównawcze klasyczne zbieżności), tzn. zwiększyć wartość wyrazu ogólnego:
Aby zwiększyć ułamek: licznik zwiększamy, a mianownik zmniejszamy. Zastanawiamy się, czy możemy opuścić ”nie pasujący” składnik czyli liczba 1 w mianowniku. Licznik ma dobrą postać. Liczbę 1 z mianownika możemy opuścić, gdyż zmniejszamy w ten sposób mianownik, a więc ułamek zwiększamy. A o to nam chodziło. Otrzymaliśmy zatem:
O szeregu wiemy, że jest zbieżny, więc na podstawie kryterium porównawczego szereg jest również zbieżny.
8)
Rozwiązanie Różnica stopni pomiędzy licznikiem a mianownikiem wynosi jeden ( jest pod pierwiastkiem). Zatem szereg zachowuje się jak szereg . Będziemy zatem wykazywali rozbieżność, gdyż jest rozbieżny. Aby wykazać rozbieżność musimy oszacować go od dołu (kryt. porównawcze klasyczne rozbieżności), tzn. zmniejszyć wartość wyrazu ogólnego:
Aby zmniejszyć ułamek: licznik zmniejszamy, a mianownik zwiększamy. Zastanawiamy się, czy możemy opuścić ”nie pasujący” składnik czyli w mianowniku. Licznik ma dobrą postać. W mianowniku gdybyśmy opuścili , mianownik zmniejszylibyśmy, a cały ułamek zwiększylibyśmy. Nie pasuje do sytuacji. Jeżeli nie możemy opuścić składnika, to dopiszmy odpowiednią potęgę tak, aby później można było dodać te potęgi (u nas dopisujemy ). W ten sposób zwiększyliśmy mianownik, a tym samym zmniejszyliśmy ułamek. Otrzymaliśmy zatem:
O szeregu wiemy, że jest rozbieżny, więc na podstawie kryterium porównawczego szereg jest również rozbieżny.
Zadanie 5. Zbadać zbieżność bezwzględną i warunkową szeregów liczbowych:
1)
Rozwiązanie Badamy zbieżność bezwzględną:
Jest to szereg o wyrazach dodatnich jaki badaliśmy w poprzednich zadaniach. Do określenia jego zbieżności należy zastosować odpowiednie kryterium. W tym przykładzie jest to kryterium Cauchy’ego. Mamy . Liczymy granicę:
Stąd szereg jest zbieżny, a więc szereg jest zbieżny bezwzględnie.
2)
Rozwiązanie Badamy zbieżność bezwzględną:
Jest to szereg o wyrazach dodatnich i będziemy go badać z kryterium d’Alemberta. Mamy , zaś . Liczymy granicę:
Stąd szereg jest zbieżny, więc szereg jest zbieżny bezwzględnie.
3)
Rozwiązanie Badamy zbieżność bezwzględną:
Badamy go z kryterium porównawczego.
ponieważ oraz zapamiętajmy, że , bo . Do mianownika dopisaliśmy ciąg . Wiemy, że szereg jest zbieżny, więc szereg jest również zbieżny, a stąd wynika, że szereg jest zbieżny bezwzględnie.
4)
Rozwiązanie Badamy zbieżność bezwzględną:
Z kryterium porównawczego mamy:
a o szeregu wiemy, że jest rozbieżny, więc szereg nie jest zbieżny bezwzględnie. Badamy zbieżność warunkową, czyli liczymy granicę:
Spełnione jest zatem kryterium Leibnitza, więc szereg jest zbieżny warunkowo.
5)
Rozwiązanie Badamy zbieżność bezwzględną:
Zauważmy, że nie jest spełnione kryterium Leibnitza, a mianowicie:
To oznacza, że szereg jest rozbieżny
Zadanie 6. Zbadać zbieżność szeregów: (wszystkie przykłady w tym zadaniu są z tzw. haczykami, 1) i 4) już analogiczne były, 2) i 3) nowe)
1)
Rozwiązanie Korzystamy z kryterium d’Alemberta. Mamy, że , zaś . Liczymy granicę:
Zatem szereg jest szeregiem zbieżnym.
2)
Rozwiązanie Zawsze w tego typu szeregach sprawdzamy najpierw warunek konieczny zbieżności:
Zatem warunek konieczny zbieżności nie jest spełniony. Stąd wynika, że szereg jest szeregiem rozbieżnym.
3)
Rozwiązanie Z postaci szeregu wnioskujemy, że należy zastosować kryterium porównawcze (grupa III). Niestety kryterium to nie przyniesie rezultatu, co pokażemy.
Porównaliśmy ten szereg z szeregiem Z wyniku tego wnioskujemy, że nie jest spełniony warunek konieczny zbieżności:
gdyż oraz . Zatem szereg jest rozbieżny, gdyż nie jest spełniony warunek konieczny zbieżności.
4)
Rozwiązanie Mnożymy licznik i mianownik przez tzw. sprzężenie mianownika, aby pozbyć się wyrażenia nieoznaczonego
Badamy różnicę stopni pomiędzy licznikiem a mianownikiem. Nasz szereg będzie zachowywał się jak szereg Wiemy, że jest to szereg rozbieżny, jako szereg harmoniczny rzędu . Zatem szacujemy nasz szereg od dołu, aby wykazać rozbieżność:
Pokazaliśmy, że
Zatem szereg jest szeregiem rozbieżnym.
5)
Rozwiązanie
Korzystamy z kryterium d’Alemberta. Mamy, że , zaś . Liczymy granicę:
Na podstawie kryterium d’Alemberta szereg powyższy jest zbieżny.
6)
Rozwiązanie Korzystamy z kryterium Cauchy’ego. Liczymy granicę:
Na podstawie kryterium Cauchy’ego szereg powyższy jest zbieżny.