سری توانی

آخرین ویرایش: 05 اسفند 1402
دسته‌بندی: سری های ریاضی
امتیاز:

در بین سری هایی که جمله های متغیر دارند، سری توانی اهمیت ویژه‌ای دارد که به معرفی آن می‌پردازیم.

سری ∑n=0+∞anx−x1n را به‌صورت زیر تعریف کرده و آن را سری توانی می‌نامند:

∑n=0+∞anx−x1n=a0+a1x−x11+a2x−x12+⋯+anx−x1n+⋯

اگر در سری توانی بالا x1=0 آن‌گاه سری توانی بر حسب x حاصل می‌شود که به‌صورت زیر است:

∑n=0+∞anxn=a0+a1x+a2x2+⋯+anxn+⋯

همگرایی سری توانی

سری توانی زیر را در نظر بگیرید:

∑n=0+∞anx−x1n=a0+a1x−x11+a2x−x12+⋯+anx−x1n+⋯

به ازای x=x1 همگراست، هرگاه حد زیر موجود باشد:

limN→∞∑n=0Nanx−x1n

  • مقدار حد، مجموع سری در نقطه x=x1 نامیده می‌شود.
  • اگر حد موجود نباشد، سری در نقطه x=x1 واگراست.  

شعاع همگرایی سری توانی

در سری ∑n=0+∞anx−x1n اگر x∈Nx1,α باشد یعنی x متعلق به یک همسایگی به مرکز x1 و شعاع α در این‌صورت می توان نتیجه گرفت که:

if  x∈Nx1,α

⇒x1−α<x<x1+α

⇒−α<x−x1<α

⇒x−x1<α

برای x−x1>α سری واگرا می‌باشد.

برای یافتن شعاع همگرایی، از فرمول زیر استفاده می‌شود:

α=limn→∞anan+1

حالات زیر ممکن است برای α اتفاق بیافتد:

حالت اول

if  α=0

x−x1<α

⇒−α<x−x1<α

⇒x1−α<x<x1+α    ;     α=0

⇒x1<x<x1

⇒x=x1

حالت دوم

if  α=∞

x−x1<α

⇒−α<x−x1<α

⇒x1−α<x<x1+α    ;     α=∞

⇒x1−∞<x<x1+∞

یعنی سری برای همه مقادیر x همگراست.

حالت سوم

if  α=x1

x−x1<α

⇒−α<x−x1<α

⇒x1−α<x<x1+α    ;     α=x1

⇒x1−x1<x<x1+x1

x در این فاصله همگراست.

تذکر

در مورد سری های نامتناهی که قبلا درباره آنها مفصلا بحث شد.

این سری ها دارای جملات ثابت هستند و با مسلله همگرایی و یا واگرایی آنها سر و کار داریم ولی در بررسی سری های توانی این پرسش مطرح می‌شود که به ازای چه مقادیری از x ، سری توانی

همگراست و به ازای هر مقدار از x که سری توانی همگرا باشد، سری عددی را نمایش می‌دهد که همان مجموع سری است.

حوزه تعریف تابع f که با ضابطه fx=∑n=0+∞anxn تمام مقادیری از x است که به ازای آنها سری توانی همگرا است.

تمرین

به‌ازای چه مقادیری از x سری های توانی زیر همگراست؟

∑n=0+∞−1n+1.2n×xnn3n

limn→+∞an+1an=limn→+∞−1n+22n+1.xn+1n+13n+1−1n+12nxnn.3n

=limn→+∞−1n+2×2n+1×xn+1×n×3n−1n+1×2n×xn×n+1×3n+1

=limn→+∞23x×nn+1=23xlimn→+∞nn+1=23x


if  23x<1⇒x<32⇒−32<x<32

سری توانی، همگرای مطلق است.

if   23x>1⇒x>32⇒x>32x<−32


سری توانی واگراست.


if   23x=1⇒ x=32⇒x=±32


نمی‌توان در مورد نوع سری اظهار نظر کرد. توجه کنید که بازه −32,32 را بازه همگرایی سری توانی بالا گوییم.

∑n=1∞xnn!

limn→∞an+1an=limn→∞ xn+1n+1! xnn!=limn→∞xn+1×n!xn×n+1!=limn→∞1n+1x=xlimn→∞1n+1=x×0=0


چون 0<1 پس سری توانی این مساله به ازای همه مقادیر x همگرای مطلق است. 

تمرین

شعاع همگرایی سری های زیر را به‌دست آورید.

∑n=0∞2nx−1nn!

∑n=0∞2nx−1nn!=∑n=0∞2nn!x−1n⇒an=2nn!

α=limn→∞anan+1=limn→∞ 2nn! 2n+1n+1!=limn→∞2nn+1!2n+1n!=limn→∞2nn+1n!2n×2×n!=limn→∞n+12=∞


یعنی سری فوق برای همه مقادیر x همگراست.

∑n=0∞n!xn

an=n!

α=limn→∞anan+1=limn→∞n!n+1!=limn→∞n!n+1n!=limn→∞1n+1=0


سری فقط در x=0 یعنی مرکز سری، همگراست.

∑n=0∞−1nx−1n

an=−1n

α=limn→∞anan+1=limn→∞−1n−1n+1=−1n−1n−1=1


سری برای x-1<1 یعنی 0<x<2 همگراست.


سری برای x-1>1 یعنی x>2 یا x<0 واگراست.


سری در نقاط x=0 و x=2 واگراست. 

∑n=0∞−1nx2n2n!

an=−1n2n!

α=limn→∞anan+1=limn→∞−1n2n+2!2n!−1n+1=limn→∞−1n2n+22n+12n!2n!−1n−1=limn→∞−2n+22n+1=∞


یعنی سری فوق برای همه مقادیر x همگراست.

تمرین

شعاع همگرایی و فاصله همگرایی را برای سری توانی زیر تعیین کنید.

∑n=1∞(−1)nn4n(x+3)n

α=limn→∞⁡|(−1)n+1(n+1)(x+3)n+14n+14n(−1)n(n)(x+3)n|


⇒α=limn→∞⁡|−(n+1)(x+3)4n|


⇒α=|x+3|limn→∞⁡n+14n


⇒α=14|x+3|


 if 14|x+3|>1⇒|x+3|>4


سری واگراست. 

if 14|x+3|<1⇒|x+3|<4


سری همگراست در نتیجه:

−4<x+3<4⇒−7<x<1


if x=−7


∑n=1∞(−1)nn4n(−4)n=∑n=1∞(−1)nn4n(−1)n4n


⇒∑n=1∞(−1)nn4n(−4)n=∑n=1∞(−1)n(−1)nn(−1)n(−1)n=(−1)2n=1


⇒∑n=1∞(−1)nn4n(−4)n=∑n=1∞n


limn→∞⁡n=∞≠0


سری واگراست.

if x=1


∑n=1∞(−1)nn4n(4)n=∑n=1∞(−1)nn


limn→∞⁡(−1)nn وجود ندارد، لذا سری فوق واگراست.


در این حالت سری توان برای هیچ یک از نقاط پایانی همگرا نخواهد شد و بازه همگرایی برابر است با:


−7<x<1

برای ارسال نظر وارد سایت شوید