background image

Szeregi o wyrazach dowolnych znak´

ow, dwumian Newtona

Poprawi lem 23 stycznia 2014 r, godz 0:59

Twierdzenie 5.1 (kryterium Abela – Dirichleta)

Niech (a

n

) be

,

dzie nierosna

,

cym cia

,

giem liczb dodatnich.

D. Je´sli lim

n→∞

a

n

= 0 i cia

,

g sum cze

,

´sciowych szeregu

P

b

n

jest ograniczony, to szereg

P

a

n

b

n

jest zbie˙zny.

A. Je´sli szereg

P

b

n

jest zbie˙zny, to szereg

P

a

n

b

n

te˙z jest zbie˙zny.

W obu przypadkach zak ladamy, ˙ze b

n

∈ dla n = 012, . . . .

Dow´

od. Niech s

n

b

0

b

1

b

2

· · · b

n

. Zachodzi r´owno´s´c

a

n+1

b

n+1

a

n+2

b

n+2

· · · a

n+k

b

n+k

=

= (s

n+1

− s

n

)a

n+1

+ (s

n+2

− s

n+1

)a

n+2

· · · + (s

n+k

− s

n+k−1

)a

n+k

=

=(s

n+1

− s

n

)(a

n+1

− a

n+2

) + (s

n+2

− s

n

)(a

n+2

− a

n+3

) + · · · +

+ (s

n+k−1

− s

n

)(a

n+k−1

− a

n+k

) + a

n+k

(s

n+k

− s

n

) .

Je´sli |s

j

| ≤ M dla ka˙zdej liczby j ∈ N i lim

j→∞

a

j

= 0 , to

|a

n+1

b

n+1

a

n+2

b

n+2

· · · a

n+k

b

n+k

| ≤ 2M |a

n+1

− a

n+2

|a

n+2

− a

n+3

· · · +

|a

n+k−1

− a

n+k

|

+ 2M a

n+k

= 2M a

n+1

−−−−→

n→∞

0 ,

zatem spe lniony jest warunek Cauchy’ego zbie˙zno´sci szeregu

P

a

n

b

n

, co ko´

nczy

dow´od twierdzenia w przypadku Abela.

Je´sli szereg

P

b

n

jest zbie˙zny a ε jest liczba

,

dodatnia

,

, to dla dostatecznie du˙zych

liczb naturalnych nier´owno´s´c |s

n+j

− s

n

| < ε zachodzi dla = 12, . . . (warunek

Cauchy’ego). Wobec tego

|a

n+1

b

n+1

a

n+2

b

n+2

· · · a

n+k

b

n+k

| ≤

≤ ε |a

n+1

− a

n+2

|a

n+2

− a

n+3

· · · |a

n+k−1

− a

n+k

|

εa

n+k

εa

n+1

.

Wynika sta

,

d, ˙ze szereg

P

a

n

b

n

spe lnia warunek Cauchy’ego, jest wie

,

c zbie˙zny.

Uwaga 5.2 Kryterium Dirichleta to rozszerzenie poznanego ju˙z wcze´sniej kryterium

Leibniza. By przekona´c sie

,

o tym wystarczy przyja

,

´c b

n

= (1)

n

.

Przyk lad 5.1

Dla ka˙zdej liczby z 61 takiej, ˙ze |z| = 1 szereg

P

(1)

n−1

z

n

n

jest

zbie˙zny. Wynika to z kryterium Dirichleta, bowiem cia

,

z − z

2

· · · + (1)

n−1

z

n

,

czyli cia

,

g

z−(1)

n−1

z

n

1+z

jest ograniczony przez

2

|1+z|

a cia

,

g

1

n

jest maleja

,

cy i

zbie˙zny do 0 .

Doda´c wypada, ˙ze je´sli |z| < 1 , to szereg

P

(1)

n−1

z

n

n

jest zbie˙zny bezwzgle

,

dnie,

wynika to natychmiast z kryterium por´ownawczego:

(1)

n−1

z

n

n

 ≤ |z|

n

i zbie˙zno´sci

szeregu geometrycznego o ilorazie mniejszym ni˙z 1 .

1

background image

Szeregi o wyrazach dowolnych znak´ow, dwumian Newtona

Micha l Krych

Definicja 5.3 (symbolu Newtona)

Dla ka˙zdej liczby zespolonej przyjmujemy

a
0

= 1 i

a

n

=

a(a−1)...(a−n+1)

1·2·...·n

dla

ka˙zdej liczby naturalnej n > 0 .

Stwierdzenie 5.4

Dla ka˙zdej liczby zespolonej i ka˙zdej liczby naturalnej n > 0 zachodza

,

r´owno´sci

a

n−1

+

a

n

=

a+1

n

i

a+1

n

=

a+1

n

·

a

n−1

.

Dow´od tego stwierdzenia to banalne sprawdzenie z definicji (dla os´ob, kt´ore

potrafia

,

dodawa´c u lamki), wie

,

c pomijamy ten rachunek.

Przyk lad 5.2

Szereg

X

n=0

a

n

z

n

jest zbie˙zny bezwzgle

,

dnie dla ka˙zdej liczby a ∈ C ,

je´sli |z| < 1 . Zachodzi bowiem wz´or

(

a

n+1

)

z

n+1

(

a

n

)

z

n

 =

a−n

n+1

· z

 −−−−→

n→∞

|z| < 1 . Niech

(a) =

P


n
=0

a

n

z

n

jest teraz ustalona

,

liczba

,

zespolona

,

, kt´orej warto´s´c bez-

wzgle

,

dna jest mniejsza ni˙z 1. Z twierdzenia Cauchy’ego o mno˙zeniu szereg´ow wynika,

˙ze prawdziwy jest wz´or

(a)(b) =

P


n
=0

a

n

z

n

·

P


n
=0

b

n

z

n

=

P


n
=0

P

n
j
=0

a

j

b

n−j

z

n

=

=

P


n
=0

a+b

n

z

n

(b) ,

bowiem

P

n
j
=0

a

j

b

n−j

=

a+b

n

.

Wyka˙zemy, ˙ze ta r´owno´s´c jest prawdziwa dla dowolnych liczb zespolonych a, b .

Gdy sa

,

liczbami naturalnymi wie

,

kszymi od , to poniewa˙z dla ka˙zdej liczby

rzeczywistej zachodzi r´owno´s´c (1 + x)

a

· (1 + x)

b

= (1 + x)

a+b

(dla zespolonych te˙z,

ale z tego nie skorzystamy), zatem wsp´o lczynniki po obu stronach przy x

n

otrzymane

po podniesieniu do pote

,

g i wymno˙zeniu sa

,

r´owne.

Obie strony r´owno´sci

P

n
j
=0

a

j

b

n−j

=

a+b

n

mo˙zna potraktowa´c jako wielo-

miany zmiennej , stopnia ≤ n , ich warto´sci pokrywaja

,

sie

,

w niesko´

nczenie wielu

punktach, zatem te wielomiany sa

,

r´owne. Wobec tego

P

n
j
=0

a

j

b

n−j

=

a+b

n

do-

wolnego a ∈ C , o ile jest liczba

,

naturalna

,

> n . Teraz traktujemy obie stron jako

wielomiany zmiennej , liczbe

,

ustalamy. Zn´ow obie strony sa

,

wielomianami stop-

nia ≤ n , kt´orych warto´sci pokrywaja

,

sie

,

w niesko´

nczenie wielu punktach ( b > n ,

naturalne) i wobec tego pokrywaja

,

sie

,

zawsze.

A teraz przedstawimy dow´od indukcyjny tej r´owno´sci, by unikna

,

´c korzystania z

twierdzenia o jednoznaczno´sci wsp´o lczynnik´ow funkcji wielomianowej, kt´orego jeszcze

nie mieli´smy okazji wykaza´c. Mamy

a+b

0

= 1 = 1 · 1 =

a
0

·

b

0

. Za l´o˙zmy, ˙ze twier-

dzenie zachodzi dla ka˙zdej liczby naturalnej k ≤ n dla dowolnych liczb zespolonych

a, b . Udowodnimy r´owno´s´c

a+b

n+1

=

a
0

b

n+1

+ +

a
1

b

n−1

· · · +

a

n−1

b

1

+

a

n

b

0

.

2

background image

Szeregi o wyrazach dowolnych znak´ow, dwumian Newtona

Micha l Krych

Skorzystamy w dowodzie z  latwej do udowodnienia r´owno´sci (+ 1)

c

j+1

c

c−1

j

,

kt´ora zachodzi dla ka˙zdej liczby naturalnej i ka˙zdej liczby zespolonej . Mamy

wie

,

c (+ 1)

a+b

n+1

= (b)

a+b−1

n

a

a+b−1

n

b

a+b−1

n

za lo˙zenie

=========

indukcyjne

a

n

X

j=0

a−1

j

b

n−j

+b

n

X

j=0

a

j

b−1

n−j

=

n

X

j=0

(+1)

a

j+1

b

n−j

+

n

X

j=0

(n−j +1)

a

j

b

n−j+1

=

=

n+1

X

j=1

j

a

j

b

n+1−j

+

n

X

j=0

(+ 1 − j)

a

j

b

n−j

=

= (n+1)

a

n+1

b

0

+

n

X

j=1

(n+1)

a

j

b

n+1−j

+(n+1)

a
0

b

n+1

= (n+1)

n+1

X

j=0

a

j

b

n+1−j

.

Dow´od zosta l zako´

nczony.

Przyk lad 5.3

Obliczymy granice

,

lim

a→0

(a)1

a

.

Oznacza to, ˙ze wyka˙zemy, ˙ze je´sli lim

n→∞

a

n

= 0 i 

n

a

n

6= 0 , to istnieje granica

lim

n→∞

(a

n

)1

a

n

i ta granica nie zale˙zy od wyboru cia

,

gi (a

n

) .

Je´sli a 6= 0 , to

(a)1

a

+

X

n=2

(a−1)(a−2)...(a−n+1)

n!

z

n

+

X

n=2

(1−a)(2−a)...(n−1−a)

n!

(1)

n−1

z

n

.

Na tzw. „ch lopski rozum” powinna wie

,

c zachodzi´c r´owno´s´c

lim

a→0

(a)1

a

=

X

n=1

(1)

n−1

z

n

n

:= L(z) .*

Udowodnimy te

,

hipotetyczna

,

(na razie) r´owno´s´c. Je´sli |a| < 1 i n > 1 , to

(1−a)(2−a)...(n−1−a)

n!

(1)

n−1

z

n

 

(1+|a|)(2+|a|)...(n−1+|a|)

n!

|z|

n

2·3·...·n

n!

|z|

n

|z|

n

,

zatem

X

n=k+1

(1−a)(2−a)...(n−1−a)

n!

(1)

n−1

z

n

X

n=k+1

|z|

n

=

|z|

k+1

1−|z|

Sta

,

d wynika, ˙ze je˙zeli ε > 0 , to istnieje takie k > 1 , ˙ze zachodzi nier´owno´s´c

(przypominamy: nie zmienia sie

,

|z| < 1 ):

X

n=k+1

(1−a)(2−a)...(n−1−a)

n!

(1)

n−1

z

n

 

X

n=k+1

|z|

n+1

=

|z|

k+1

1−|z|

<

ε
3

.

Sta

,

d i z tego, ˙ze lim

a→0

(1−a)(2−a)...(n−1−a)

n!

=

1

n

dla = 23, . . . , k , wynikaja

,

kolejne

nier´owno´sci

*

Autor przypuszcza, ˙ze w niekt´

orych wsiach niekt´

orzy ch lopi (rolnicy) moganie mie´c pogla,du w

tej kwestii, np. z braku zainteresowania nia,. Zauwa˙zmy jeszcze, ˙ze lim

k→∞

(lim

n→∞

n

n+k

)=16=0=

lim

n→∞

(lim

k→∞

n

n+k

) . Pokazali´smy, ˙ze kolejno´s´

c przechodzenia do granicy mo˙ze wp lywa´

c na war-

to´s´

c granicy, a w la´snie z takim problemem mamy teraz do czynienia.

3

background image

Szeregi o wyrazach dowolnych znak´ow, dwumian Newtona

Micha l Krych

+

X

n=2

(1−a)(2−a)...(n−1−a)

n!

(1)

n−1

z

n

X

n=1

(1)

n−1

z

n

n

 <

<

2ε

3

+

k

X

n=2

(1−a)(2−a)...(n−1−a)

n!

1

n

(1)

n−1

z

n

 < ε ,

je´sli tylko liczba δ > 0 jest dostatecznie ma la i |a| < δ . Oznacza to, ˙ze

lim

a→0

(a)1

a

=

X

n=1

(1)

n−1

z

n

n

=: L(z) .

Z twierdzenia o jednoznaczno´sci zespolonej funkcji wyk ladniczej wynika, ˙ze r´owno´s´c

(a) = e

aL(z)

ma miejsce dla ka˙zdej liczby zespolonej . Podstawiaja

,

= 1 otrzy-

mujemy e

L(z)

(1) = 1+, zatem L(z) = ln(1+z) . Je´sli liczba jest rzeczywista,

to mamy do czynienia z logarytmem dobrze znanym, rzeczywistym. Je´sli natomiast

liczba rzeczywista nie jest, to jest to jedna z niesko´

nczenie wielu mo˙zliwych warto´sci

logarytmu zespolonego. Otrzymali´smy wie

,

c wz´or

ln(1 + z) = z −

z

2

2

+

z

3

3

z

4

4

· · · =

X

n=1

(1)

n−1

z

n

n

oraz

X

n=0

a

n

z

n

(a) = e

aL(z)

e

ln(1+z)

= (1 + z)

a

.

Z tych r´owno´sci wynika mie

,

dzy innymi, ˙ze je´sli |z| < 1 , to e

ln(1+z)

= 1 + .

Doda´c nale˙zy, ˙ze r´owno´s´c e

ln(1+z)

= (1+z)

a

jest twierdzeniem w przypadku rzeczy-

wistej liczby , je˙zeli liczba nie jest rzeczywista, to nale˙zy te

,

r´owno´s´c potraktowa´c

jako definicje

,

pote

,

gi o podstawie 1 + . Og´olnie przyjmujemy, ˙ze z

w

e

ln z

, gdzie

ln oznacza dowolna

,

liczbe

,

zespolona

,

, dla kt´orej zachodzi wz´or e

ln z

. Kwestiami

tymi nie be

,

dziemy sie

,

zbyt dok ladnie zajmowa´c, bo na og´o l u˙zywana jest pote

,

ga o

podstawie , inne bywaja

,

u˙zywane, ale niepor´ownanie rzadziej.

Udowodnimy jeszcze, zwykle niedowodzone na I roku studi´ow,

Twierdzenie 5.5 ( o warto´sciach sumy szeregu

X

n=1

(1)

n−1

z

n

n

)

Je´sli |z| < 1 , to zachodzi nier´owno´s´c

|Im(L(z))=

 

Im

 

X

n=1

(1)

n−1

z

n

n

!!

=

Im

z −

z

2

2

+

z

3

3

z

4

4

· · ·

 <

π

2

.

Dow´

od. Za l´o˙zmy, ˙ze tak nie jest. Wtedy istnieje taka liczba z

0

, ˙ze |z

0

| < 1 oraz

Im

 

X

n=1

(1)

n−1

z

n

0

n

!

π

2

. Definiujemy:

4

background image

Szeregi o wyrazach dowolnych znak´ow, dwumian Newtona

Micha l Krych

g(s) = |Im(L(sz

0

))=

Im sz

0

1
2

(sz

0

)

2

+

1
3

(sz

0

)

3

1
4

(sz

0

)

4

· · ·

 .

Niech = inf{τ > 0 : g(τ 

π

2

. Poniewa˙z g(1) = |Im(L(z

0

))| ≥

π

2

, wie

,

t ≤ 1 .

Niech |z

0

| < 1 . Oczywi´scie |z

0

| > 0 . Je´sli |z

1

| ≤ r |z

2

| ≤ r , to

|L(z

1

− L(z

2

)|z

1

− z

2

| · |

1
2

(z

1

z

2

) +

1
3

(z

2

1

z

1

z

2

z

2

2

1
4

(z

3

1

z

2

1

z

2

z

1

z

2

2

z

3

2

) + · · · | ≤ |z

1

− z

2

|(1 + r

2

r

3

· · ·) =

1

1−r

|z

1

− z

2

.

Wobec tego |g(τ

1

)−g(τ

2

)| ≤

|z

0

|

1−r

·|τ

1

−τ

2

. Udowodnimy, ˙ze g(t) =

π

2

. Je˙zeli g(t>

π

2

i 0 < t − τ <

1−r

|z

0

|

g(t

π

2

, to

g(t− g(τ ≤ |g(t− g(τ )| ≤

|z

0

|

1−r

· |t − τ | <

|z

0

|

1−r

·

1−r

|z

0

|

g(t

π

2

g(t

π

2

,

zatem g(τ >

π

2

, wbrew temu, ˙ze g(τ <

π

2

dla τ < t . Wobec tego g(t

π

2

.

Podobnie z nier´owno´sci g(t<

π

2

i nier´owno´sci 0 < τ − t <

1−r

|z

0

|

π

2

− g(t)

wynika,

˙ze g(τ <

π

2

, co te˙z jest niemo˙zliwe. Wobec tego |Im(L(tz

0

))g(t) =

π

2

, wie

,

c

1 + tz

0

e

L(tz

0

)

e

±iπ/2

· e

Re(L(tz

0

))

±ie

Re(L(tz

0

))

,

wie

,

c Re(1 + tz

0

) = 0 , a to nieprawda, bo z nier´owno´sci |tz

0

| < 1 , wynika, ˙ze

Re(1 + tz

0

0 . Dow´od zosta l zako´

nczony.

Zako´

nczymy opowie´s´c o szeregach liczbowych twierdzeniem, kt´ore m´owi, ˙ze je´sli

nawet iloczyn Cauchy’ego szereg´ow zbie˙znych nie jest zbie˙zny, to i tak nale˙zy o nim

my´sle´c jako o ich iloczynie.

Twierdzenie 5.6 (Ces`

aro)

Niech

P

a

n

i

P

b

n

be

,

da

,

szeregami zbie˙znymi. Niech A

n

a

0

a

1

· · · a

n

,

B

n

b

0

b

1

· · · b

n

c

n

a

0

b

n

a

1

b

n−1

· · · a

n

b

0

C

n

c

0

c

1

c

2

· · · c

n

.

Zachodzi wtedy r´owno´s´c:

lim

n→∞

1

+ 1

(C

0

C

1

· · · C

n

) = lim

n→∞

A

n

· lim

n→∞

B

n

=

X

n=0

a

n

·

X

n=0

b

n

.

Dow´

od. Mamy

C

n

a

0

b

0

+ (a

0

b

1

a

1

b

0

) + (a

0

b

2

a

1

b

1

a

2

b

0

) + · · · + (a

0

b

n

a

1

b

n−1

· · · a

n

b

0

) =

a

0

(b

0

b

1

· · · b

n

) + a

1

(b

0

b

1

· · · b

n−1

) + · · · a

n−1

(b

0

b

1

) + a

n

b

0

=

a

0

B

n

a

1

B

n−1

· · · a

n−1

B

1

a

n

B

0

i wobec tego

C

0

C

1

· · · C

n

=

a

0

B

0

+ (a

0

B

1

a

1

B

0

) + (a

0

B

2

a

1

B

1

a

2

B

0

) +

· · · + (a

0

B

n

a

1

B

n−1

· · · a

n−1

B

1

a

n

B

0

) =

B

0

(a

0

a

1

a

2

· · · a

n

) + B

1

(a

0

a

1

a

2

· · · a

n

) + · · · B

n

a

0

=

B

0

A

n

B

1

A

n−1

B

2

A

n−2

· · · B

n

A

0

.

Niech ε > 0 . Niech =

X

n=0

a

n

=

X

n=0

b

n

i niech M > 0 be

,

dzie taka

,

liczba

,

,

5

background image

Szeregi o wyrazach dowolnych znak´ow, dwumian Newtona

Micha l Krych

˙ze dla ka˙zdej liczby naturalnej zachodza

,

nier´owno´sci |a

0

a

1

· · · a

n

| ≤ M ,

|b

0

b

1

· · · b

n

| ≤ M . Niech n

ε

be

,

dzie taka

,

liczba

,

naturalna

,

, ˙ze dla n ≥ n

ε

zachodza

,

nier´owno´sci |A

n

− A| <

ε

4M

|B

n

− B| <

ε

4M

. Niech wreszcie m

ε

> n

ε

be

,

dzie liczba

,

naturalna

,

tak du˙za

,

, ˙ze nier´owno´s´c

8M

2

n

ε

ε

− < n , czyli

2M

2

n

ε

n+1

<

ε
4

,

zachodzi dla n ≥ m

ε

. Wtedy dla dowolnych numer´ow i, j zachodza

,

nier´owno´sci

|A

i

B

j

− AB| ≤ |A

i

| · |B

j

|A| · |B| ≤ 2M

2

. Je´sli za´s i ≥ m

ε

oraz j ≥ m

ε

, to

|A

i

B

j

− AB| ≤ |A

i

− A| · |B

j

|A| · |B

j

− B| <

ε

4M

· M M ·

ε

4M

=

ε
2

. Sta

,

d za´s

wynika, ˙ze

1

n+1

(A

0

B

n

A

1

B

n−1

· · · A

n−1

B

1

A

n

B

0

− AB

 

1

n+1

(|A

0

B

n

− AB| |A

1

B

n−1

− AB| · · · |A

n−1

B

1

− AB| |A

n

B

0

− AB|

1

n+1

(|A

0

B

n

− AB| |A

1

B

n−1

− AB| · · · |A

n

ε

1

B

n−n

ε

+1

− AB|) +

+

1

n+1

(|A

n

ε

B

n−n

ε

− AB| |A

n

ε

+1

B

n−n

ε

1

− AB| · · · |A

n−n

ε

B

n

ε

− AB|) +

+

1

n+1

(|A

n−n

ε

+1

B

n

ε

1

− AB| · · · |A

n−1

B

1

− AB| |A

n

B

0

− AB|<

<

n

ε

n+1

· · M

2

+

n+12n

ε

n+1

·

ε
2

+

n

ε

n+1

· · M

2

<

ε
4

+

ε
2

+

ε
4

ε .

Wykazali´smy wie

,

c, ˙ze je´sli jest dostatecznie du˙ze ( n > m

ε

), to

1

+ 1

(C

0

C

1

· · · C

n−1

C

n

− AB

 < ε ,

a to oznacza, ˙ze lim

n→∞

1

n+1

(C

0

C

1

· · · C

n−1

C

n

) = AB .

6