9.5: Mfululizo Mbadala
- Tumia mtihani wa mfululizo wa mfululizo ili kupima mfululizo wa kubadilisha kwa kuunganisha.
- Tathmini jumla ya mfululizo wa kubadilisha.
- Eleza maana ya kuunganishwa kabisa na ushirikiano wa masharti.
Hadi sasa katika sura hii, sisi kimsingi kujadiliwa mfululizo na maneno chanya. Katika sehemu hii sisi kuanzisha mfululizo alternating- wale mfululizo ambao maneno mbadala katika ishara. Tutaonyesha katika sura ya baadaye kwamba mfululizo huu mara nyingi hutokea wakati wa kusoma mfululizo wa nguvu. Baada ya kufafanua mfululizo wa kubadilisha, tunaanzisha mtihani wa mfululizo wa kubadilisha ili kuamua kama mfululizo huo unajiunga.
Mtihani wa Mfululizo Mbadala
Mfululizo ambao maneno yake yanatofautiana kati ya maadili mazuri na hasi ni mfululizo wa kubadilisha. Kwa mfano, mfululizo
∞∑n=1(−12)n=−12+14−18+116−…
na
∞∑n=1(−1)n+1n=1−12+13−14+…
wote ni mfululizo alternating.
Mfululizo wowote ambao maneno yake yanatofautiana kati ya maadili mazuri na hasi huitwa mfululizo wa kubadilisha. Mfululizo mbadala unaweza kuandikwa kwa fomu
∞∑n=1(−1)n+1bn=b1−b2+b3−b4+…
au
∞∑n−1(−1)nbn=−b1+b2−b3+b4−…
Ambapobn≥0 kwa integers zote nzurin.
Mfululizo (1), umeonyeshwa katika Equation\ ref {eq1}, ni mfululizo wa kijiometri. Tangu|r|=|−1/2|<1, mfululizo hujiunga. Mfululizo (2), umeonyeshwa katika Equation\ ref {eq2}, inaitwa mfululizo wa harmonic mbadala. Tutaonyesha kwamba wakati mfululizo wa harmonic unajitokeza, mfululizo wa harmonic unaogeuka. Ili kuthibitisha hili, tunaangalia mlolongo wa kiasi cha sehemu{Sk} (Kielelezo 1).
Fikiria maneno isiyo ya kawaidaS2k+1 kwak≥0. Tangu1/(2k+1)<1/2k,
S2k+1=S2k−1−12k+12k+1<S2k−1.
Kwa hiyo,{S2k+1} ni mlolongo kupungua. Pia,
S2k+1=(1−12)+(13−14)+…+(12k−1−12k)+12k+1>0.
Kwa hiyo,{S2k+1} imepakana chini. Kwa kuwa{S2k+1} ni kupungua mlolongo kwamba imepakana chini, na Monotone{S2k+1} Convergence Theorem, hujiunga. Vile vile, hata maneno{S2k} huunda mlolongo unaoongezeka ambao umepakana hapo juu kwa sababu
S2k=S2k−2+12k−1−12k>S2k−2
na
S2k=1+(−12+13)+…+(−12k−2+12k−1)−12k<1.
Kwa hiyo, kwa Theorem ya Monotone Convergence, mlolongo{S2k} pia hujiunga. Tangu
S2k+1=S2k+12k+1,
tunajua kwamba
lim
Kuruhusu\displaystyle S=\lim_{k→∞}S_{2k+1} na kutumia ukweli kwamba 1/(2k+1)→0, tunahitimisha hilo\displaystyle \lim_{k→∞}S_{2k}=S. Kwa kuwa maneno isiyo ya kawaida na masharti hata katika mlolongo wa kiasi cha sehemu hujiunga na kikomo sawa S, inaweza kuonyeshwa kuwa mlolongo wa kiasi cha sehemu hujiunga na S, na kwa hiyo mfululizo wa harmonic unabadilisha S.
Inaweza pia kuonyeshwa kuwa S=\ln 2, na tunaweza kuandika
\sum_{n=1}^∞\dfrac{(−1)^{n+1}}{n}=1−\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}−\dfrac{1}{4}+a\ldots=\ln (2). \nonumber

□
Kwa ujumla, mfululizo wowote wa fomu (3) (Equation\ ref {eq3}) au (4) (Equation\ ref {eq4}) hujiunga kwa muda mrefu kama b_1≥b_2≥b_3≥⋯ na b_n→0 (Kielelezo 2). Ushahidi huo ni sawa na ushahidi wa mfululizo wa harmonic mbadala.

Mfululizo mbadala wa fomu
\sum_{n=1}^∞(−1)^{n+1}b_n \nonumber au\sum_{n=1}^∞(−1)^nb_n \nonumber
hukutana kama
- 0≤b_{n+1}≤b_nkwa wote n≥1 na
- \displaystyle \lim_{n→∞}b_n=0.
Hii inajulikana kama mtihani wa mfululizo wa kubadilisha.
Tunasema kwamba theorem hii ni kweli zaidi kwa ujumla kwa muda mrefu kama kuna baadhi integer N kama kwamba 0≤b_{n+1}≤b_n kwa wote n≥N.
Kwa kila moja ya mfululizo wafuatayo, onyesha kama mfululizo unajiunga au hupungua.
- \displaystyle \sum^∞_{n=1}\frac{(−1)^{n+1}}{n^2}
- \displaystyle \sum^∞_{n=1}(−1)^{n+1}\frac{n}{n+1}
Suluhisho
a. tangu \dfrac{1}{(n+1)^2}<\dfrac{1}{n^2} na mfululizo \dfrac{1}{n^2}→0, hujiunga.
b. tangu n/(n+1)↛0 kama n→∞, hatuwezi kutumia alternating mfululizo mtihani. Badala yake, tunatumia mtihani wa neno la nth kwa tofauti. Tangu\displaystyle \lim_{n→∞}\dfrac{n}{n+1}=1≠0, mfululizo hupungua.
Kuamua kama mfululizo\displaystyle \sum^∞_{n=1}(−1)^{n+1}\frac{n}{2^n} hujiunga au hupungua.
- Kidokezo
-
Ni \left\{\frac{n}{2^n}\right\} kupungua? Ni nini\displaystyle \lim_{n→∞}\frac{n}{2^n}?
- Jibu
-
Mfululizo hujiunga.
Salio ya Mfululizo Mbadala
Ni vigumu kwa uwazi mahesabu ya jumla ya mfululizo wengi alternating, hivyo kawaida jumla ni takriban kwa kutumia jumla ya sehemu. Wakati wa kufanya hivyo, sisi ni nia ya kiasi cha makosa katika makadirio yetu. Fikiria mfululizo mbadala
\sum_{n=1}^∞(−1)^{n+1}b_n \nonumber
kuridhisha mawazo ya mtihani wa mfululizo wa kubadilisha. Hebu S ueleze jumla ya mfululizo huu na {S_k} uwe mlolongo unaofanana wa kiasi cha sehemu. Kutoka Kielelezo \PageIndex{2}, tunaona kwamba kwa integer yoyote N≥1, salio R_N satisfies
|R_N|=|S−S_N|≤|S_{N+1}−S_N|=b_{n+1}. \nonumber
Fikiria mfululizo mbadala wa fomu
\sum_{n=1}^∞(−1)^{n+1}b_n \nonumber au\sum_{n=1}^∞(−1)^nb_n \nonumber
kwamba satisfies hypotheses ya mtihani alternating mfululizo. Hebu S kuashiria jumla ya mfululizo na S_N ueleze jumla yaN^{\text{th}} sehemu. Kwa integer yoyote N≥1, salio R_N=S−S_N satisfies
|R_N|≤b_{N+1}. \nonumber
Kwa maneno mengine, ikiwa hali ya mtihani wa mfululizo unaotumika, basi hitilafu katika kukadiria mfululizo usio na kipimo kwa jumla yaN^{\text{th}} sehemu S_N ni ukubwa wa ukubwa wa muda ujao b_{N+1}.
Fikiria mfululizo wa kubadilisha
\sum_{n=1}^∞\dfrac{(−1)^{n+1}}{n^2}. \nonumber
Matumizi makadirio salio kuamua amefungwa juu ya makosa R_{10} kama sisi takriban jumla ya mfululizo na jumla ya sehemu S_{10}.
Suluhisho
Kutoka kwa theorem iliyoelezwa hapo juu, |R_{10}|≤b_{11}=\dfrac{1}{11^2}≈0.008265. \nonumber
Kupata amefungwa kwa R_{20} wakati makadirio\displaystyle \sum^∞_{n=1}\frac{(−1)^{n+1}}{n} na S_{20}.
- Kidokezo
-
|R_{20}|≤b_{21}
- Jibu
-
0.04762
Muunganiko kamili na Masharti
Fikiria mfululizo\displaystyle \sum_{n=1}^∞a_n na mfululizo unaohusiana\displaystyle \sum_{n=1}^∞|a_n|. Hapa tunazungumzia uwezekano wa uhusiano kati ya muunganiko wa mfululizo huu wawili. Kwa mfano, fikiria mfululizo wa harmonic mbadala\displaystyle \sum_{n=1}^∞\frac{(−1)^{n+1}}{n}. Mfululizo ambao maneno yake ni thamani kamili ya maneno haya ni mfululizo wa harmonic,\displaystyle \sum_{n=1}^∞\left|\frac{(−1)^{n+1}}{n}\right|=\sum_{n=1}^∞\frac{1}{n}. tangu Tangu mfululizo wa harmonic unabadilika, lakini mfululizo wa harmonic hupungua, tunasema mfululizo wa harmonic unaonyesha muunganiko wa masharti.
Kwa kulinganisha, fikiria mfululizo\displaystyle \sum_{n=1}^∞\frac{(−1)^{n+1}}{n^2}. Mfululizo ambao maneno yake ni maadili kamili ya maneno ya mfululizo huu ni mfululizo\displaystyle \sum_{n=1}^∞\frac{1}{n^2}. Tangu mfululizo huu wote hujiunga, tunasema mfululizo\displaystyle \sum_{n=1}^∞\frac{(−1)^{n+1}}{n^2} unaonyesha muunganiko kamili.
Mfululizo\displaystyle \sum^∞_{n=1}a_n unaonyesha muunganiko kabisa ikiwa\displaystyle \sum^∞_{n=1}|a_n| hujiunga. Mfululizo\displaystyle \sum^∞_{n=1}a_n unaonyesha muunganiko wa masharti ikiwa\displaystyle \sum^∞_{n=1}a_n hujiunga lakini\displaystyle \sum^∞_{n=1}|a_n| hutofautiana.
Kama inavyoonekana kwa mfululizo alternating harmonic, mfululizo\displaystyle \sum^∞_{n=1}a_n inaweza kubadilika, lakini\displaystyle \sum^∞_{n=1}|a_n| inaweza kutofautiana. Katika theorem ifuatayo, hata hivyo, tunaonyesha kwamba ikiwa\displaystyle \sum^∞_{n=1}|a_n| hujiunga, kisha\displaystyle \sum^∞_{n=1}a_n hujiunga.
Ikiwa\displaystyle \sum^∞_{n=1}|a_n| hujiunga, kisha\displaystyle \sum^∞_{n=1}a_n hujiunga.
Tuseme kwamba\displaystyle \sum_{n=1}^∞|a_n| hujiunga. Tunaonyesha hili kwa kutumia ukweli kwamba a_n=|a_n au a_n=−|a_n| kwa hiyo |a_n|+a_n=2|a_n| au |a_n|+a_n=0. Kwa hiyo, 0≤|a_n|+a_n≤2|a_n|. Kwa hiyo, kwa mtihani wa kulinganisha, tangu 2\sum^∞_{n=1}|a_n| hujiunga, mfululizo
\sum_{n=1}^∞(|a_n|+a_n) \nonumber
hukutana. Kwa kutumia mali algebraic kwa mfululizo convergent, sisi kuhitimisha kwamba
\sum_{n=1}^∞a_n=\sum_{n=1}^∞(|a_n|+a_n)−\sum_{n=1}^∞|a_n| \nonumber
hukutana.
□
Kwa kila mfululizo wafuatayo, onyesha kama mfululizo unajiunga kabisa, hujiunga na hali ya kimwili, au hutofautiana.
- \displaystyle \sum^∞_{n=1}\frac{(−1)^{n+1}}{3n+1}
- \displaystyle \sum^∞_{n=1}\frac{\cos(n)}{n^2}
Suluhisho
tunaweza kuona kwamba
\displaystyle \sum_{n=1}^∞\left|\dfrac{(−1)^{n+1}}{3n+1}\right|=\sum_{n=1}^∞\dfrac{1}{3n+1}
diverges kwa kutumia kikomo kulinganisha mtihani na mfululizo harmonic. Kwa kweli,
\displaystyle \lim_{n→∞}\dfrac{1/(3n+1)}{1/n}=\dfrac{1}{3}.
Kwa hiyo, mfululizo hauunganishi kabisa. Hata hivyo, tangu
\dfrac{1}{3(n+1)+1}<\dfrac{1}{3n+1}na \dfrac{1}{3n+1}→0,
mfululizo hujiunga. Tunaweza kuhitimisha kwamba\displaystyle \sum^∞_{n=1}\frac{(−1)^{n+1}}{3n+1} hujiunga na hali ya kimwili.
b |\cos n|≤1, Kubainisha kuwa kuamua kama mfululizo converges kabisa, kulinganisha
\displaystyle \sum_{n=1}^∞\left|\dfrac{\cos n}{n^2}\right|
na mfululizo\displaystyle \sum^∞_{n=1}\frac{1}{n^2}. Kwa kuwa\displaystyle \sum^∞_{n=1}\frac{1}{n^2} hujiunga, kwa mtihani wa kulinganisha,\displaystyle \sum^∞_{n=1}\left|\frac{\cos n}{n^2}\right| hujiunga, na hivyo\displaystyle \sum^∞_{n=1}\frac{\cos n}{n^2} hujiunga kabisa.
Kuamua kama mfululizo\displaystyle \sum^∞_{n=1}(−1)^{n+1}\frac{n}{2n^3+1} unajiunga kabisa, hujiunga na hali ya kimwili, au hutofautiana.
- Kidokezo
-
Angalia kwa muunganiko kabisa kwanza.
- Jibu
-
Mfululizo hujiunga kabisa.
Kuona tofauti kati ya muunganiko kamili na masharti, angalia kile kinachotokea wakati tunapanga upya masharti ya mfululizo wa harmonic mbadala\displaystyle \sum^∞_{n=1}(−1)^{n+1}\frac{1}{n}. Tunaonyesha kwamba tunaweza kupanga upya masharti ili mfululizo mpya ugeuke. Hakika ikiwa tunapanga upya masharti ya jumla ya mwisho, jumla haibadilika. Tunapofanya kazi kwa jumla isiyo na kipimo, hata hivyo, mambo ya kuvutia yanaweza kutokea.
Kuanza kwa kuongeza kutosha ya suala chanya kuzalisha kiasi kwamba ni kubwa kuliko baadhi M=10 ya idadi halisi Kwa mfano, basi M=10, na kupata integer k vile
1+\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{5}+⋯+\dfrac{1}{2k−1}>10 \nonumber
(Tunaweza kufanya hivyo kwa sababu mfululizo\displaystyle \sum^∞_{n=1}\frac{1}{2n−1} diverges kwa infinity.) Kisha uondoe 1/2. Kisha kuongeza maneno mazuri zaidi mpaka jumla itakapofikia 100. Hiyo ni, kupata mwingine integer j>k vile kwamba
(1+\dfrac{1}{3}+⋯+\dfrac{1}{2k−1}−\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{2k+1}+ \ldots +\dfrac{1}{2j+1}>100. \nonumber
Kisha Ondoa 1/4. Kuendelea kwa njia hii, tumegundua njia ya upya masharti katika mfululizo wa harmonic mbadala ili mlolongo wa kiasi cha sehemu ya mfululizo uliowekwa upya haupatikani na kwa hiyo hupungua.
Masharti katika mfululizo wa harmonic mbadala yanaweza pia kupangwa upya ili mfululizo mpya uunganishe kwa thamani tofauti. Katika Mfano, tunaonyesha jinsi ya kupanga upya masharti ili kuunda mfululizo mpya unaogeuka 3\ln(2)/2. Tunasema kuwa mfululizo wa harmonic unaobadilisha unaweza kupangwa upya ili kuunda mfululizo unaojiunga na idadi yoyote halisi r; hata hivyo, ushahidi wa ukweli huo ni zaidi ya upeo wa maandishi haya.
Kwa ujumla, mfululizo wowote\displaystyle \sum^∞_{n=1}a_n unaojiunga na hali unaweza kupangwa upya ili mfululizo mpya ugeuke au ugeuke kwa nambari tofauti halisi. Mfululizo unaojiunga kabisa hauna mali hii. Kwa mfululizo wowote\displaystyle \sum^∞_{n=1}a_n unaojiunga kabisa, thamani ya\displaystyle \sum^∞_{n=1}a_n ni sawa kwa upyaji wowote wa masharti. Matokeo haya inajulikana kama Theorem Riemann Rearrangement, ambayo ni zaidi ya wigo wa kitabu hiki.
Tumia ukweli kwamba
1−\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}−\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{5}−⋯=\ln 2 \nonumber
kupanga upya masharti katika mfululizo wa harmonic mbadala hivyo jumla ya mfululizo upya ni 3\ln (2)/2.
Suluhisho
Hebu
\sum_{n=1}^∞a_n=1−\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}−\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{5}−\dfrac{1}{6}+\dfrac{1}{7}−\dfrac{1}{8}+⋯. \nonumber
Tangu\displaystyle \sum_{n=1}^∞a_n=\ln (2), na mali algebraic ya mfululizo convergent,
\sum_{n=1}^∞\dfrac{1}{2}a_n=\dfrac{1}{2}−\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{6}−\dfrac{1}{8}+⋯=\dfrac{1}{2}\sum_{n=1}^∞a_n=\dfrac{\ln 2}{2}. \nonumber
Sasa kuanzisha mfululizo\displaystyle \sum_{n=1}^∞b_n kama kwamba kwa wote n≥1, b_{2n−1}=0 na b_{2n}=a_n/2. kisha
\sum_{n=1}^∞b_n=0+\dfrac{1}{2}+0−\dfrac{1}{4}+0+\dfrac{1}{6}+0−\dfrac{1}{8}+⋯=\dfrac{\ln 2}{2}. \nonumber
Kisha kutumia mali ya kikomo cha algebraic ya mfululizo wa kubadilisha, tangu\displaystyle \sum_{n=1}^∞a_n na\displaystyle \sum_{n=1}^∞b_n kugeuka, mfululizo\displaystyle \sum_{n=1}^∞(a_n+b_n) hujiunga na
\sum_{n=1}^∞(a_n+b_n)=\sum_{n=1}^∞a_n+\sum_{n=1}^∞b_n=\ln 2+\dfrac{\ln 2}{2}=\dfrac{3\ln 2}{2}. \nonumber
Sasa kuongeza masharti sambamba, a_n na b_n, tunaona kwamba
\sum_{n=1}^∞(a_n+b_n)=(1+0)+\left(−\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{2}\right)+\left(\dfrac{1}{3}+0\right)+\left(−\dfrac{1}{4}−14\right)+\left(\dfrac{1}{5}+0\right)+\left(−\dfrac{1}{6}+\dfrac{1}{6}\right)+\left(\dfrac{1}{7}+0\right)+\left(\dfrac{1}{8}−\dfrac{1}{8}\right)+⋯=1+\dfrac{1}{3}−\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{5}+\dfrac{1}{7}−\dfrac{1}{4}+⋯. \nonumber
Tunaona kwamba mfululizo upande wa kulia wa ishara sawa ni rearrangement ya mfululizo alternating harmonic. Tangu\displaystyle \sum_{n=1}^∞(a_n+b_n)=3\ln (2)/2, sisi kuhitimisha kwamba
1+\dfrac{1}{3}−\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{5}+\dfrac{1}{7}−\dfrac{1}{4}+⋯=\dfrac{3\ln (2)}{2}. \nonumber
Kwa hiyo, tumegundua rearrangement ya mfululizo alternating harmonic kuwa mali taka.
Dhana muhimu
- Kwa mfululizo alternating\displaystyle \sum^∞_{n=1}(−1)^{n+1}b_n, kama b_{k+1}≤b_k kwa wote k na b_k→0 kama k→∞, mfululizo alternating hujiunga.
- Ikiwa\displaystyle \sum^∞_{n=1}|a_n| hujiunga, kisha\displaystyle \sum^∞_{n=1}a_n hujiunga.
Mlinganyo muhimu
- Mfululizo mbadala
\displaystyle \sum_{n=1}^∞(−1)^{n+1}b_n=b_1−b_2+b_3−b_4+⋯au
\displaystyle \sum_{n=1}^∞(−1)^nb_n=−b_1+b_2−b_3+b_4−⋯
faharasa
- muunganiko kabisa
- ikiwa mfululizo\displaystyle \sum^∞_{n=1}|a_n| unajiunga, mfululizo\displaystyle \sum^∞_{n=1}a_n unasemekana kugeuka kabisa
- mfululizo mbadala
- mfululizo wa fomu\displaystyle \sum^∞_{n=1}(−1)^{n+1}b_n au\displaystyle \sum^∞_{n=1}(−1)^nb_n, wapi b_n≥0, inaitwa mfululizo wa kubadilisha
- kubadilisha mfululizo mtihani
- kwa mfululizo mbadala wa fomu yoyote, ikiwa b_{n+1}≤b_n kwa integers zote n≥1 na b_n→0, basi mfululizo wa kubadilisha hujiunga
- muunganiko wa masharti
- ikiwa mfululizo\displaystyle \sum^∞_{n=1}a_n unajiunga, lakini mfululizo\displaystyle \sum^∞_{n=1}|a_n| unajitokeza, mfululizo\displaystyle \sum^∞_{n=1}a_n unasemekana kugeuka kwa hali ya kimwili