3.4 KiB
Почленное интегрирование и дифференцирование степенных рядов
Почленное интегрирование степенных рядов
Теорема о почленном интегрировании
Пусть степенной ряд \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n сходится на интервале (-R,R). Тогда ряд можно интегрировать почленно на любом замкнутом интервале [a,b]\subset(-R,R):
\int\limits_a^b \left( \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n \right) dx = \sum\limits_{n=0}^\infty \int\limits_a^b a_nx^ndx
Доказательство
Поскольку ряд \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n равномерно сходится на любом замкнутом интервале [a,b]\subset(-R,R), то можно почленно интегрировать ряд:
\int_a^b \left( \sum_{n=0}^\infty a_nx^n \right) dx =
\int_a^b \lim_{N\to\infty} \sum_{n=0}^N a_nx^ndx = \lim_{N\to\infty} \int_a^b \sum_{n=0}^N a_nx^ndx =
\lim_{N\to\infty} \sum_{n=0}^N \int_a^b a_nx^ndx =
\sum_{n=0}^\infty \int_a^b a_nx^ndx
Пример
Рассмотрим ряд \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!}.
Найдем радиус сходимости: R = \frac 1 {\lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{\left| \frac 1 {n!} \right|}} = \infty
Таким образом, ряд сходится для всех x\in\mathbb{R}. Почленно интегрируем ряд на интервале [0,1]:
\int_0^1 \left( \sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} \right) dx =
\sum_{n=0}^\infty \int_0^1 \frac{x^n}{n!}dx =
\sum_{n=0}^\infty \frac 1 {n!} \int_0^1 x^ndx =
\sum_{n=0}^\infty \frac 1 {n!} \left[ \frac{x^{n+1}}{n+1} \right]_0^1 = \sum_{n=0}^\infty \frac 1 {n!(n+1)} =
e-1
Почленное дифференцирование степенных рядов
Теорема о почленном дифференцировании
Пусть степенной ряд \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n сходится на интервале (-R,R). Тогда ряд можно дифференцировать почленно на этом интервале:
\left( \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n \right)' = \sum\limits_{n=0}^\infty \left( a_nx^n \right)' = \sum\limits_{n=1}^\infty na_nx^{n-1}
Доказательство
Поскольку ряд \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n равномерно сходится на любом замкнутом интервале [a,b]\subset(-R,R), то можно почленно дифференцировать ряд:
\left( \sum_{n=0}^\infty a_nx^n \right)' =
\lim_{N\to\infty} \left( \sum_{n=0}^N a_nx^n \right)' =
\lim_{N\to\infty} \sum_{n=0}^N \left( a_nx^n \right)' =
\lim_{N\to\infty} \sum_{n=1}^N na_nx^{n-1} =
\sum_{n=1}^\infty na_nx^{n-1}
Пример
Рассмотрим ряд \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!}.
Найдем радиус сходимости: R = \frac 1 {\lim\limits_{n\to\infty} \sqrt[n]{\left| \frac 1 {n!} \right|}} = \infty
Таким образом, ряд сходится для всех x\in\mathbb{R}. Почленно дифференцируем ряд:
\left( \sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} \right)' =
\sum_{n=1}^\infty \frac{nx^{n-1}}{n!} =
\sum_{n=1}^\infty \frac{x^{n-1}}{(n-1)!} =
\sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} =
e^x