∞

ряд из производных этих функций X fn0 (x) равномерно сходится на

∞

n=1

X

отрезке [a, b], а ряд fn(x) сходится хотя бы в одной точке x0 от-

n=1

резка [a, b]. Тогда последний ряд сходится равномерно на [a, b], его сумма S(x) дифференцируема на отрезке [a, b] и

	∞
	nX
S0	(x) = fn0 (x), x [a, b],
	=1
		∞
то есть производная суммы ряда		nX
		fn(x) есть сумма ряда, получен-
		=1

ного из данного почленным дифференцированием.

Замечание 1. Если в условиях теорем 2.20, 2.21 дополнительно потребовать, чтобы функции fn были непрерывно дифференцируемы на отрезке [a, b], то достаточно легко получим, что предельная функция f(x) функциональной последовательности и, соответственно, сумма S(x) функционального ряда будут непрерывно дифференцируемы на [a, b].

Замечание 2. Теоремы 2.20 и 2.21 справедливы на промежутках X, отличных от отрезка, если функции fn(x) дифференцируемы на X, а последовательность (ряд) из производных равномерно сходится на int X.

Замечание 3. Равномерная сходимость последовательности производных {fn0 (x)} на отрезке [a, b] не вытекает даже из равномерной сходимости последовательности {fn(x)} на этом отрезке. Приведем пример.

Пример 2.10. Исследовать на равномерную сходимость последова-

sin nx

тельность {fn(x)} : fn(x) = √n , и последовательность ее производных

на отрезке [0, 1] .

Для любого x R nlim→∞ fn(x) = 0. Поэтому предельная функция рассматриваемой последовательности — функция f(x) = 0, x R. В силу

R

[0,1]

критерия 2.4 fn(x) f(x). Поэтому fn(x) f(x).

√

√ Очевидно, fn0 (x) = n cos nx, x [0, 1], n N. Поскольку fn0 (0) = n, то fn0 (0) −→ +∞ при n → +∞, и последовательность {fn0 (x)} не

является даже поточечно сходящейся на отрезке [0, 1].

2.7Степенные ряды

Определение 2.8. Пусть {an}∞n=0 — числовая последовательность и a R. Степенным рядом с центром в точке a называется функциональный ряд вида

∞

X

ak(x − a)k,

k=0

57

при этом числа ak называются коэффициентами степенного ряда.

Поскольку при a 6= 0 линейная функция t = x − a переводит степен-

∞

ной ряд с центром в точке a в степенной ряд P antn с центром в нуле,

n=0

а свойства степенных рядов не меняются при таком линейном преобразовании, то удобно их формулировать для степенного ряда вида

∞ anxn.

(2.14)

=0

nX

Определение 2.9. Точка x0 R, в которой степенной ряд (2.14)

сходится (то есть ряд

∞ anx0n сходится), называется точкой сходи-

=0

nX

мости ряда (2.14). Множество X R всех точек сходимости степен-

ного ряда (2.14) называется областью его сходимости.

Замечание. Степенной ряд (2.14) сходится в точке x = 0, поэтому

область сходимости любого степенного ряда не пуста.

Рассмотрим несколько примеров.

∞ n! xn

Пример 2.11. Область сходимости ряда

состоит из одной

=0

nX

точки x = 0, поскольку lim n! xn = ∞, x R \ 0.

∞

xn

Пример 2.12. Область сходимости степенного ряда

совпадает

=0

n!

nX

с множеством R, поскольку, в силу признака Даламбера, для любого

x

0

R

сходится числовой ряд

∞

|x0|n

.

=0

n!

nX

∞ xn

Пример 2.13. Степенной ряд

=0

, α [0, +∞) сходится абсолют-

nα

nX

но в точках x (−1, 1), расходится в точках x : |x| > 1. В точке x = 1 он сходится при α > 1, и расходится при α [0, 1]. В точке x = −1 он сходится при α > 0 и расходится при α = 0. Поэтому его область сходимости совпадает с (−1, 1), если α = 0; с [−1, 1), если α (0, 1]; с [−1, 1], если α > 1.

Теорема 2.22 (первая теорема Абеля). Если степенной ряд (2.14) сходится в точке x0 6= 0, то он сходится абсолютно в каждой точке x R, удовлетворяющей неравенству |x| < |x0|.

Пусть ряд (2.14) сходится в x0 6= 0. В силу необходимого признака сходимости числового ряда lim anxn0 = 0, поэтому c > 0 : |anxn0 | ≤ c для всех n ≥ 0. Тогда имеет место оценка

|

anxn

|

=

|

anx0n

|x|

n

c

|x|

n

,

n

≥

0.

|x0|

|x0|

| ·

≤

58

	|		|	|		0|			x0	nX
											=0
Eсли		x		<	x		,	то	|x|	= q < 1 и ряд	∞ qn сходится. По признаку
									| |
											∞
сравнения для положительных рядов, ряд											X |anxn| сходится, а значит

n=0

степенной ряд (2.14) сходится абсолютно в точке x такой, что |x| < |x0|.

Cледствие. Если степенной ряд (2.14) расходится в точке x0 6= 0, то он расходится в каждой точке x R такой, что |x| > |x0|.

Определение 2.10. Радиусом сходимости степенного ряда (2.14) называется величина (конечная или бесконечная)

∞ X

R = sup |x| : ряд

n=0

anxn сходится .

Теорема 2.23. Пусть R — радиус сходимости ряда (2.14).

1)Если R = 0, то ряд (2.14) расходится в каждой точке x 6= 0.

2)Если R = +∞, то ряд (2.14) абсолютно cходится в каждой точке x R.

3)Если R (0; +∞), то ряд (2.14) абсолютно сходится на интервале (−R, R), расходится в тех точках x R, для которых |x| > R, и

может как сходиться, так и расходиться в точках x = ±R.

∞ X

Пусть X = x : ряд

n=0

an xn сходится .

1). Пусть R = 0, но найдется точка x0 X такая, что x0 6= 0. Тогда по определению R ≥ |x0| и потому R > 0. Следовательно, утверждение 1) верно.

2). Если R = +∞, то множество X неограниченно. Поэтому для любого x0 R найдётся точка x X такая, что |x0| < |x|. В силу первой теоремы Абеля степенной ряд (2.14) сходится абсолютно в точке x0. Следовательно, ряд (2.14) сходится абсолютно в каждой точке x0 R.

3). Пусть R (0, +∞) и 0 < |x0| < R. Положим ε = R − |x0| > 0. По определению точной верхней границы числового множества существует точка xε X такая, что

|x0| = R − ε < |xε| ≤ R.

∞

X

Так как ряд anxnε сходится, из первой теоремы Абеля получим, что

n=0

ряд (2.14) абсолютно сходится в точке x0, которая была взята произвольно из (−R; R).

59

По определению R любая точка x0 R, для которой |x0| > R, не принадлежит области сходимости степенного ряда. Поэтому степенной ряд расходится в такой точке x0.

Пример 2.13 показывает, что для него R = 1, α [0, +∞), а в точках x = ±R степенной ряд может как сходиться, так и расходиться, в зависимости от его коэффициентов.

Определение 2.11. Если R — радиус сходимости степенного ряда (2.14), и R 6= 0, то интервал (−R, R) называется интервалом сходимости степенного ряда (2.14). Если R = +∞, то область сходимости совпадает с интервалом сходимости — множеством (−∞, +∞).

Теорема 2.24 (формула Коши-Адамара). Если для степенного

(2.14) ρ

lim n

a

n|, то его радиус сходимости

R

ряда

= n q|

вычисляется по

формуле

если ρ = +∞,

R =

0,

1/ρ,

если ρ

(0; + ),

∞

+∞,

если ρ = 0.

Замечание. Формально формулу Коши-Адамара записывают в виде

R =

1

.

a

n|

lim

n

n

q|

Зафиксируем точку x 6= 0 и рассмотрим положительный ряд

∞ |an| |x|n.

(2.15)

=0

nX

По свойству верхнего предела

=

|x| ρ,

если

ρ [0, +∞),

n

lim n

an

| |

x

q|

|

+ ,

если

ρ = +

∞

.

∞

В силу признака Коши в предельной форме, при ρ = +∞ ряд (2.15) расходится в точках x 6= 0, причём для него не выполняется необходимое условие сходимости. Значит, степенной ряд (2.14) расходится в каждой точке x 6= 0 и его радиус сходимости равен 0.

Если ρ = 0, то в каждой точке x R ряд (2.15) сходится, а, значит, ряд (2.14) абсолютно сходится. Следовательно, степенной ряд (2.14) сходится абсолютно на R и его радиус сходимости бесконечен.

Если же ρ (0, +∞), то по признаку Коши в предельной форме

ряд (2.15) сходится при ρ |x| < 1, то есть при |x| <				1		, и расходится
					ρ
при |x| >	1	, в последнем случае	|an| |x|n 6→0 при n	→ +∞. Поэтому
	ρ

60