Напомним, что в действительном анализе тригонометрический ряд - это ряд по косинусам и синусам кратных дуг, т.е. ряд вида

Немного истории. Начальный период теории таких рядов относят к середине 18-го века в связи с задачей о колебании струны, когда искомая функция искалась в виде суммы ряда (14.1). Вопрос о возможности такого представления вызвал у математиков острые споры, продолжавшиеся несколько десятилетий. Споры относились к содержанию понятия функции. В то время функции обычно связывались с их аналитическим заданием, а здесь появилась необходимость представить рядом (14.1) функцию, графиком которой является достаточно произвольная кривая. Но значение этих споров больше. Фактически в них возникли вопросы, связанные со многими принципиально важными идеями математического анализа.

И в дальнейшем, как и в этот начальный период, теория тригонометрических рядов служила источником новых идей. Именно в связи с ними, например, возникли теория множеств и теория функций действительного переменного.

В этой заключительной главе рассмотрим материал, в очередной раз связывающий действительный и комплексный анализ, но мало отраженный в учебных пособиях по ТФКП. В курсе анализа исходили из наперед заданной функции и разлагали ее в тригонометрический ряд Фурье. Здесь рассматривается обратная задача: по заданному тригонометрическому ряду установить его сходимость и сумму. Для этого Эйлер и Лагранж с успехом применяли аналитические функции. По-видимому, Эйлер впервые (1744) получил равенства

Ниже мы пройдемся по следам Эйлера, ограничиваясь только частными случаями рядов (14.1), а именно, тригонометрическими рядами

Замечание. Будет существенно использоваться следующий факт: если последовательность положительных коэффициентов а п монотонно стремится к нулю, то указанные ряды сходятся равномерно на любом замкнутом промежутке, нс содержащем точек вида 2лк (к gZ). В частности, на интервале (0,2л -) будет поточечная сходимость. Смотрите об этом в работе , стр. 429-430.

Идея Эйлера суммирования рядов (14.4), (14.5) состоит в том, что с помощью подстановки z = е а переходят к степенному ряду

Если внутри единичного круга его сумму удается найти в явном виде, то выделением из нее действительной и мнимой частей задача обычно и решается. Подчеркнем, что, применяя метод Эйлера, следует проверять сходимость рядов (14.4), (14.5).

Рассмотрим некоторые примеры. Во многих случаях окажется полезным геометрический ряд

а также ряды, получающиеся из него почленным дифференцированием или интегрированием. Например,

Пример 14.1. Найти сумму ряда

Решение. Введем аналогичный ряд с косинусами

Оба ряда сходятся всюду, т.к. мажорируются геометрическим рядом 1 + г + г 2 +.... Полагая z = е" х , получим

Здесь дробь приводится к виду

откуда получаем ответ на вопрос задачи:

Попутно мы установили равенство (14.2): Пример 14.2. Просуммировать ряды

Решение. Согласно вышеприведенному замечанию оба ряда на указанном интервале сходятся и служат рядами Фурье для определяемых ими функций f(x) 9 g(x). Что это за функции? Для ответа на вопрос в соответствии с методом Эйлера составим ряд (14.6) с коэффициентами а п = -. Соглас-

но равенству (14.7) получим

Опуская подробности (читателю их следует воспроизвести), укажем, что выражение под знаком логарифма можно представить в виде


Модуль этого выражения равен -, а аргумент (точнее, главное его зна-

  • 2sin -

чение)равен Поэтому In ^ = -ln(2sin Следовательно,

Пример 14.3. При -л просуммировать ряды

Решение. Оба ряда сходятся везде, так как мажорируются сходящимся

рядом с общим членом -! . Ряд (14.6)

п{п + 1)

непосредственно

J__\_ __1_

/?(/? +1) п /1 + 1

нс даст известной суммы. На основе представим его в виде

равенства

Здесь выражение в круглых скобках равно ln(l + z), а выражение в квадратных скобках - это ^ ^ + ** ^--. Следовательно,

= (1 + -)ln(1 + z). Теперь

надо подставить сюда z = e LX и выполнить действия, аналогичные проведенным в предыдущем примере. Опуская детали, укажем, что

Осталось раскрыть скобки и записать ответ. Предоставляем выполнить это читателю.

Задачи к главе 14

Вычислить суммы следующих рядов.


  • 1.3.1. a) z = 0 и z-- 2;
  • б) z = l и z =-1;
  • в) z = я и z = -я .
  • 1.3.2. а) 1; 6)0; в) оо.
  • 2.1.1. Дуга параболы,г = у 2 , пробегаемая от точки (1;1) до точки (1;- 1) и обратно.
  • 2.1.2. Отрезок с началом а, концом Ь.
  • 2.1.3. Жорданов спрямляемый путь на рис. 19.
  • 2.1.4. Дуга параболы у = х 2 с началом (-1;0), концом (1;1).
  • 2.1.5. Окружность дг 2 + (у - 1) 2 = 4.
  • 2.2.1. Полуплоскость Rez > .
  • 2.2.2. Открытый круг С х "“^) 2 + У 2
  • 2.2.3. Внутренность параболы 2у = 1 - х 2 .
  • 2.2.4. Замкнутый круг (д: - 2) 2 + у 2
  • 2.2.5. Внешность параболы 2х = - у 2 .

3.1.а).Если w=u + iv, то и = -г- -v = -^-^.Отсюда

л: 2 +(1-.г) 2 .т 2 +(1-д:) 2

Из этой окружности следует исключить начало координат, так как (м, v) 9* (0;0) V* е R, ton и = lim v = 0.

x-yx> .v->oo

  • б). Исключите x,y из равенств x + y = l, и =x 2 - у , v = 2xy. Ответ: парабола 2v = l-и 2 .
  • 3.2. Прямая л: = я (л^О) переходит в окружность
  • (w--) 2 + v 2 = (-) 2 с выколотой точкой (г/, v) = (0;0). Примените это с
  • 2а 2 а

а = 1,а = 2.

  • 3.4. В случаях а), б) используйте «признак несуществования предела». В случае в) предел существует и равен 2.
  • 3.5. Не является. Рассмотрите пределы функции по двум последовательностям с общими членами соответственно

z „ =-! + -> z,=-l -

  • 4.1. а) нигде нс дифференцируемая; б) дифференцируемая везде.
  • 4.2. а) имеет производную во всех точках прямой у = х, в каждой из

них w = 2х ; голоморфной нигде не является;

  • б) голоморфна в С {0}, и/ = -j.
  • 4.3. Голоморфна в С, W =3z 2 .
  • 4.4. Из равенств / ; (z) = -- + i-/ / (z) = 0 следует, что w,v не

St St

зависят от переменной „т. Из условий Коши-Римана вытекает независимость этих функций и от у.

4.5. Рассмотрим, например, случай Re f(z) = и(х,у) = const . С

помощью условий Коши-Римана вывести отсюда, что Im/(z) = v(x 9 y) = const .

  • 5.1. а) так как J =--=- =-* 0(z * -/) и по условию задачи
  • (l-/z) 2 (z+/) 2

аргумент производной равен нулю, то ее мнимая часть нулевая, а действительная часть положительная. Отсюда вывести ответ: прямая у = -х -1 (х * 0).

б) окружность z + i=j2.

  • 5.3. Проверьте, что функция не принимает нулевого значения и ее производная везде существует и равна данной функции.
  • 6.1. Из определения тангенса как отношения синуса к косинусу докажите, что tg(z + n^-tgz при допустимых значениях аргумента. Пусть Т -какой-то другой период: tg(z + T) = tgz. Отсюда и из предыдущего равенства вывести, что sin(/r-Т) = 0, откуда вытекает, что Т кратно к .
  • 6.2. Используйте равенства (6.6).
  • 6.3. Первая формула не верна, так как не всегда arg(zH ,) = argz + argvv (берите, например, z = -1, w =-1). Вторая формула также не верна. Рассмотрите, например, случай z = 2.
  • 6.4. Из равенства а а = е 01 " 0 выведите, что здесь правая часть имеет вид |я|« , е са(а^а+ 2 як) ? сли П р И некоторых различных целых к 19 к 2

выражение в круглых скобкых приняло одно и то же значение, то имели бы

что противоречит иррациональности а .

  • 6.5. z = 2?/r-/"ln(8±V63).
  • 7.1. а) угол - я w ;
  • б) круговой сектор | w 2, | arg vr|
  • 7.2. В обоих случаях круг радиуса 1 с цен тром в начале координат.
  • 7.3. Будем двигаться по границе полукруга так, чтобы его внутренность оставалась слева. Используем обозначения z = x + yi, w=u + vi. На участке
    •

у = 0, -1 х 1 имеем и = --е [-1,1]» v = 0. Рассмотрим второй участок границы - полуокружность z = e u ,t g . На этом участке выражение

преобразуется к виду w=u = -- ,/* -. На промежутке . Согласно (8.6) искомый интеграл равен

б). Уравнение нижней полуокружности имеет вид z(t) = e“,t е[л, 2я). По формуле (8.8) интеграл равен

  • 8.2. а). Искомый интеграл разбейте на сумму интегралов по отрезку О А и по отрезку АВ . Их уравнения соответственно z = / + //,/ с и

z = t + i,te . Ответ: - + -i.

  • б). Уравнение кривой интегрирования можно записать в виде z = е" ,t € . Тогда Vz имеет два различных значения, а именно,

.1 .t+2/r

е 2 ,е 2 .Из условия задачи следует, что речь идет о главном значении корня: Vz, т.е. о первом из указанных. Тогда интеграл равен

8.3. В решении задачи чертеж умышленно не приводится, но читателю его следует выполнить. Используется уравнение прямолинейного отрезка, соединяющего две заданные точки я, /> е С (а - начало, Ь - конец): z = (l - /)fl+ /?,/€ . Разобьем искомый интеграл на четыре:

I = I AB + I BC + I CD +1 DA . На отрезке АВ имеем z - (1 -1) ? 1 +1 /, поэтому интеграл но этому отрезку, согласно (8.8), равен

Поступая аналогичным образом, найдем

  • 9.1. а) 2л7; б) 0.
  • 9.2. Сделать подстановку z = z 0 + re 11 ,0 t 2/г.
  • 9.3.Функция f(z)= J голоморфна в некоторой односвязной z - a

области D, содержащей Г и нс содержащей а . По интегральной теореме, примененной к /),/], искомый интеграл равен нулю.

  • 9.4. a) 2/n(cosl2 + /sinl2); б) 34л-/.
  • 9.5. В случае а) особые точки ±2/ лежат внутри данной окружности, поэтому интеграл равен
  • б). Особые точки ±3/ также лежат внутри окружности. Решение аналогичное. Ответ: 0.
  • 10.1. Представить функцию в виде /(z) = -----воспользоваться
  • 3 1 + -

геометрическим рядом 1 + q + q 2 (||

  • 1 -ч
  • 10.2. Дифференцировать почленно геометрический ряд.
  • 10.3. а) | z +/1t = z 2 . Ответ: z .
  • 11.1. Используйте степенные разложения экспоненты и синуса. В случае а) порядок равен 3, в случае б) он равен 2.
  • 11.2. С точностью до очевидной замены переменной уравнение можно

представить в виде /(z) = /(-^z). Не умаляя общности, можно считать, что

радиус сходимости ряда Тейлора функции с центром в точке 0 более единицы. Имеем:

Значения функции одинаковы на дискретном множестве с предельной точкой, принадлежащей кругу сходимости. По теореме единственности /(z) = const .

11.3. Предположим, что искомая аналитическая функция /(z) существует. Сравним ее значения с функцией {z) = z 2 на множестве Е,

состоящем из точек z n = - (п = 2,3,...). Их значения одинаковы, а так как Е

имеет предельную точку, принадлежащую данному кругу, то по теореме единственности /(z) = z 2 для всех аргументов данного круга. Но это противоречит условию /(1) = 0. Ответ: нс существует.

  • 11.4. Да,/(*) = -L
  • 2 + 1
  • 11.5. Противоречия нет, так как предельная точка единичных значений не лежит в области определения функции.
  • - 1 1
  • 12.1. a) 0 ; б) 2

    12.2. а). Представьте функцию в виде и раскройте скобки.

    • б). Поменяйте слагаемые местами, используйте стандартные разложения косинуса и синуса.
    • 12.3.
    • 12.4. а) точки 0, ± 1 являются простыми полюсами;
    • б) z = 0 - устранимая точка;
    • в) z = 0 - существенно особая точка.
    • 13.1. а). Точки а = 1,а = 2 являются полюсами подынтегральной функции. Вычет относительно первого (простого) полюса находится согласно (13.2), он равен 1. Вычет относительно второго полюса находится по формуле (13.3) с порядком кратности и = 2 и равен -1. Сумма вычетов равна нулю, так что интеграл равен нулю по основной теореме о вычетах.
    • б). Внутри прямоугольника с указанными вершинами лежат три

    простых полюса 1,-1,/. Сумма вычетов в них равна --, а интеграл равен

    в). Среди полюсов 2Trki(kGZ) подынтегральной функции лишь два лежат внутри данной окружности. Это 0 и 2я оба они простые, вычеты в них равны по 1. Ответ: 4я7.

    умножить его на 2/г/. Опуская детали, укажем ответ: / = -i .

    13.2. а). Положим e"=z, тогда e"idt = dz , dt = - . Ho

    e“ - e~“ z-z~ x

    sin / =-=-, интефал сведется к виду

    Здесь знаменатель разлагается на множители (z-z,)(z-z 2), где z, = 3 - 2 V2 / лежит внутри окружности у , a z,=3 + 2V2 / лежит вис се. Осталось найти вычет относительно простого полюса z, по формуле (13.2) и

    б) . Полагая, как и выше, е" = z , сведем интефал к виду

    Подынтефальная функция имеет три простых полюса (каких?). Предоставляя читателю вычисления вычетов в них, укажем ответ: I = .

    • в) . Подынтефальная функция равна 2(1--=-), искомый интеграл
    • 1 + cos t

    равен 2(^-1-ч-dt). Стоящий в скобках интеграл обозначим через /.

    Применением равенства cos"/ = - (1 + cos2f) получим, что / = [-cit .

    По аналогии со случаями а), б) сделать подстановку e 2,t = z, свести интеграл к виду

    где кривая интегрирования - та же единичная окружность. Далее рассуждения те же, что и в случае а). Ответ: исходный, искомый интеграл равен /г(2-л/2).

    13.3. а). Рассмотрим вспомогательный комплексный интеграл

    /(/?)= ff(z)dz, где f(z) = - р-, Г(Я) - контур, составленный из

    полуокружности y(R ): | z |= R > 1, Imz > 0 и се диаметра (сделайте чертеж). Разобьем этот интеграл на два - по о трезку [-/?,/?] и по y(R ).

    к. Ъя.

    Внутри контура лежат лишь простые полюсы z 0 = е 4 , z, = е 4 (рис. 186). Найдем относительно их вычеты:

    Остается проверить, что интеграл по y(R) стремится к нулю с ростом R . Из неравенства |д + Л|>||я|-|/>|| и из оценки интеграла при z е y(R) вытекает, что

Стандартными методами, но зашли в тупик с очередным примером.

В чём состоит трудность и где может быть загвоздка? Отложим в сторону намыленную верёвку, спокойно проанализируем причины и ознакомимся с практическими приёмами решения.

Первое, и самое главное : в подавляющем большинстве случаев для исследования сходимости ряда необходимо применить какой-нибудь знакомый способ, но общий член ряда набит настолько хитрой начинкой, что совершенно не очевидно, что с ней делать. И вы ходите по кругу: не срабатывает первый признак, не годится второй, не получается третьим, четвёртым, пятым методом, потом черновики отбрасываются в сторону и всё начинается заново. Обычно это связано с недостатком опыта или пробелами в других разделах математического анализа. В частности, если запущены пределы последовательностей и поверхностно разобраны пределы функций , то придётся туго.

Иными словами, человек просто не видит нужный приём решения в силу недостатка знаний или опыта.

Бывает виновато и «затмение», когда, например, элементарно не выполнен необходимый признак сходимости ряда, но по незнанию, невнимательности либо небрежности это выпадает из поля зрения. И получается как в той байке, где профессор математики решил детскую задачку с помощью диких рекуррентных последовательностей и числовых рядов =)

В лучших традициях сразу живые примеры: ряды и их родственники – расходятся, так как в теории доказаны пределы последовательностей . Скорее всего, в первом семестре из вас вытрясут душу за доказательство на 1-2-3 страницы, но сейчас вполне достаточно показать невыполнение необходимого условия сходимости ряда, сославшись на известные факты. Известные? Если студент не знает, что корень энной степени – штука чрезвычайно мощная, то, скажем, ряды поставят его в тупик. Хотя решение, как дважды два: , т.е. по понятной причине оба ряда расходятся. Скромного комментария «данные пределы доказаны в теории» (или даже вовсе его отсутствия) вполне хватит для зачёта, всё-таки выкладки достаточно тяжёлые и относятся они точно не к разделу числовых рядов.

А изучив ближайшие примеры, вы будете только удивляться краткости и прозрачности многих решений:

Пример 1

Исследовать сходимость ряда

Решение : прежде всего, проверяем выполнение необходимого признака сходимости . Это не формальность, а отличный шанс расправиться с примером «малой кровью».

«Осмотр места происшествия» наводит на мысль о расходящемся ряде (случай обобщенного гармонического ряда), но опять же возникает вопрос, как учесть логарифм в числителе?

Примерные образцы оформления задач в конце урока.

Не редкость, когда приходится проводить двухходовое (а то и трёхходовое) рассуждение:

Пример 6

Исследовать сходимость ряда

Решение : сначала аккуратно разбираемся с тарабарщиной числителя. Последовательность – ограничена: . Тогда:

Сравним наш ряд с рядом . В силу только что полученного двойного неравенства, для всех «эн» будет выполнено:

Теперь сравним ряд с расходящимся гармоническим рядом .

Знаменатель дроби меньше знаменателя дроби , поэтому сама дробь – больше дроби (распишите несколько первых членов, если не понятно). Таким образом, для любого «эн»:

А значит, по признаку сравнения ряд расходится вместе с гармоническим рядом.

Если немного видоизменить знаменатель: , то первая часть рассуждений будет аналогична: . Но вот для доказательства расходимости ряда уже применим только предельный признак сравнения, так как неравенство неверно.

Ситуация со сходящимися рядами «зеркальна», то есть, например, для ряда можно использовать оба признака сравнения (неравенство справедливо), а для ряда – только предельный признак (неравенство неверно).

Продолжаем наше сафари по дикой природе, где на горизонте замаячило стадо грациозных и сочных антилоп:

Пример 7

Исследовать сходимость ряда

Решение : необходимый признак сходимости выполняется, и мы снова задаёмся классическим вопросом: что делать? Перед нами нечто напоминающее сходящийся ряд , однако, чёткого правила тут нет – такие ассоциации зачастую обманчивы.

Зачастую, да не в этот раз. С помощью предельного признака сравнения сравним наш ряд со сходящимся рядом . В ходе вычисления предела используем замечательный предел , где в качестве бесконечно малой величины выступает :

сходится вместе с рядом .

Вместо применения стандартного искусственного приёма домножения и деления на «тройку», можно было изначально провести сравнение со сходящимся рядом .
Но здесь желательна оговорка, что константа-множитель общего члена не влияет на сходимость ряда. И как раз в таком стиле оформлено решение следующего примера:

Пример 8

Исследовать сходимость ряда

Образец в конце урока.

Пример 9

Исследовать сходимость ряда

Решение : в предыдущих примерах мы пользовались ограниченностью синуса, но сейчас это свойство оказывается вне игры. Знаменатель дроби более высокого порядка роста , чем числитель, поэтому при аргумент синуса и весь общий член бесконечно малЫ . Необходимое условие сходимости, как понимаете, выполнено, что не позволяет нам отлынивать от работы.

Проведём разведку: в соответствии с замечательной эквивалентностью , мысленно отбросим синус и получим ряд . Ну а уж такое-то….

Оформляем решение:

Сравним исследуемый ряд с расходящимся рядом . Используем предельный признак сравнения:

Заменим бесконечно малую эквивалентной: при .

Получено конечное число, отличное от нуля, значит, исследуемый ряд расходится вместе с гармоническим рядом.

Пример 10

Исследовать сходимость ряда

Это пример для самостоятельного решения.

Для планирования дальнейших действий в подобных примерах здОрово помогает мысленное отбрасывание синуса, арксинуса, тангенса, арктангенса. Но помните, такая возможность существует лишь при бесконечно малом аргументе, не так давно мне попался провокационный ряд:

Пример 11

Исследовать сходимость ряда
.

Решение : здесь бесполезно использовать ограниченность арктангенса, и эквивалентность тоже не работает. Выход неожиданно прост:


Исследуемый ряд расходится , так как не выполнен необходимый признак сходимости ряда.

Вторая причина «затыка на задании» состоит в приличной навороченности общего члена , что вызывает затруднения уже технического характера. Грубо говоря, если рассмотренные выше ряды относятся к разряду «фиг догадаешься», то эти – к категории «хрен решишь». Собственно, это и называют сложностью в «обычном» понимании. Далеко не каждый правильно разрулит несколько факториалов, степеней, корней и прочих обитателей саванны. Больше всего проблем доставляют, конечно же, факториалы:

Пример 12

Исследовать сходимость ряда

Как возвести факториал в степень? Легко. По правилу действий со степенями, необходимо возвести в степень каждый множитель произведения:

И, конечно же, внимание и ещё раз внимание, сам-то по себе признак Даламбера работает традиционно:

Таким образом, исследуемый ряд сходится .

Напоминаю рациональную методику устранения неопределённости : когда понятен порядок роста числителя и знаменателя – совсем не обязательно мучаться и раскрывать скобки.

Пример 13

Исследовать сходимость ряда

Зверь очень редкий, но встречается, и было бы несправедливым обойти его объективом камеры.

Что такое факториал с двойным восклицательным знаком? Факториал «накручивает» произведение положительных чётных чисел:

Аналогично, факториал «накручивает» произведение положительных нечётных чисел:

Проанализируйте, в чём состоит отличие от и

Пример 14

Исследовать сходимость ряда

А в этом задании постарайтесь не запутаться со степенями, замечательными эквивалентностями и замечательными пределами .

Образцы решений и ответы в конце урока.

Но студент достаётся на корм не только тиграм – свою добычу выслеживают и хитрые леопарды:

Пример 15

Исследовать сходимость ряда

Решение : практически мгновенно отпадают необходимый признак сходимости, предельный признак, признаки Даламбера и Коши. Но хуже всего, что бессилен неоднократно выручавший нас признак с неравенствами. Действительно, сравнение с расходящимся рядом невозможно, так как неравенство неверно – множитель-логарифм только увеличивает знаменатель, уменьшая саму дробь по отношению к дроби . И другой глобальный вопрос: а почему мы вообще изначально уверены, что наш ряд непременно обязан расходиться и его нужно сравнивать с каким-либо расходящимся рядом? Вдруг он вообще сходится?

Интегральный признак? Несобственный интеграл навевает траурное настроение. Вот если бы у нас был ряд … тогда да. Стоп! Так и рождаются идеи. Оформляем решение в два шага:

1) Сначала исследуем сходимость ряда . Используем интегральный признак :

Подынтегральная функция непрерывна на

Таким образом, ряд расходится вместе с соответствующим несобственным интегралом.

2) Сравним наш ряд с расходящимся рядом . Используем предельный признак сравнения:

Получено конечное число, отличное от нуля, значит, исследуемый ряд расходится вместе с рядом .

И в таком решении нет ничего необычного или творческого – так и надо решать!

Предлагаю самостоятельно оформить следующую двухходовку:

Пример 16

Исследовать сходимость ряда

Студент с некоторым опытом в большинстве случаев сразу видит, сходится ряд или расходится, но, бывает, что хищник ловко маскируется в кустах:

Пример 17

Исследовать сходимость ряда

Решение : на первый взгляд вообще не понятно, как ведёт себя этот ряд. А если перед нами туман, то логично начать с черновой проверки необходимого условия сходимости ряда. В целях устранения неопределённости используем непотопляемый метод умножения и деления на сопряженное выражение :

Необходимый признак сходимости не сработал, но вывел на чистую воду нашего тамбовского товарища. В результате выполненных преобразований получен эквивалентный ряд , который в свою очередь сильно напоминает сходящийся ряд .

Записываем чистовое решение:

Сравним данный ряд со сходящимся рядом . Используем предельный признак сравнения:

Умножим и разделим на сопряженное выражение:

Получено конечное число, отличное от нуля, значит, исследуемый ряд сходится вместе с рядом .

Возможно, у некоторых возник вопрос, откуда на нашем африканском сафари появились волки? Не знаю. Завезли, наверное. Следующую трофейную шкуру добывать вам:

Пример 18

Исследовать сходимость ряда

Примерный образец решения в конце урока

И, наконец, ещё одна мысль, которая в отчаянии посещает многих студентов: а не использовать ли более редкий признак сходимости ряда ? Признак Раабе, признак Абеля, признак Гаусса, признак Дирихле и прочие неведомые зверушки. Идея рабочая, но в реальных примерах осуществляется очень редко. Лично я за все годы практики лишь 2-3 раза прибегнул к признаку Раабе , когда действительно ничего не помогло из стандартного арсенала. Полностью воспроизвожу ход своего экстремального квеста:

Пример 19

Исследовать сходимость ряда

Решение : Безо всяких сомнений признак Даламбера. В ходе вычислений активно использую свойства степеней, а также второй замечательный предел :

Вот тебе и раз. Признак Даламбера не дал ответа, хотя ничего не предвещало такого исхода.

Пошерстив справочник, я нашёл доказанный в теории малоизвестный предел и применил более сильный радикальный признак Коши:

Вот тебе и два. И, главное, совершенно не понятно, сходится ряд или расходится (крайне редкая для меня ситуация). Необходимый признак сравнения? Без особых надежд – даже если немыслимым образом разберусь с порядком роста числителя и знаменателя, то это ещё не гарантирует вознаграждения.

Полный даламбер, но самое скверное, что ряд нужно решить. Нужно. Ведь это будет первый случай, когда я сдамся. И тут мне вспомнилось, что вроде существуют ещё какие-то более сильные признаки. Передо мной был уже не волк, не леопард и не тигр. Это был огромный слон, размахивающий большим хоботом. Пришлось взять в руки гранатомёт:

Признак Раабе

Рассмотрим положительный числовой ряд .
Если существует предел , то:
а) При ряд расходится . Причём полученное значение может быть нулевым или отрицательным
б) При ряд сходится . В частности, ряд сходится при .
в) При признак Раабе не даёт ответа .

Составляем предел и бережно-аккуратно упрощаем дробь:


Да, картина, мягко говоря, неприятная, но я уже не удивился.Подобные пределы раскалываются с помощью правила Лопиталя , и первая мысль, как потом выяснилась, оказалось правильной. Но сначала я где-то час крутил-вертел предел «обычными» методами, однако неопределённость не желала устраняться. А ходьба по кругу, как подсказывает опыт – типичный признак того, что выбран неверный способ решения.

Пришлось обратиться к русской народной мудрости: «Если ничего не помогает, прочитайте инструкцию». И когда я открыл 2-й том Фихтенгольца, то к великой радости обнаружил исследование идентичного ряда . И дальше пошло решение по образцу.

Покажем, что практически любую периодическую функцию можно представить в виде ряда, членами которого являются простые гармоники, с помощью, так называемого, тригонометрического ряда.

Определение. Тригонометрическим рядом называется функциональный ряд вида

где действительные числа а 0 , а n , b n называются коэффициентамиряда.

Свободный член ряда записан в виде для единообразия получающихся в дальнейшем формул.

Нужно решить два вопроса:

1) При каких условиях функция f(x) с периодом 2π может быть разложена в ряд (5.2.1)?

2) Как вычислить коэффициенты а 0 ,… а n , b n ?

Начнем с решения второго вопроса. Пусть функция f(x) непрерывна на отрезкеи имеет период Т=2π . Приведем формулы, которые понадобятся нам в дальнейшем.

При любом целом , так как функция четная.

При любом целом .

(m и n целые числа)

При (m и n целые числа) каждый из интегралов (III, IV, V) преобразуется в сумму интегралов (I) или (II). Если же , то в формуле (IV) получаем:

Анологично доказывается равенство (V).

Предположим теперь, что функция оказалась такой, что для неё нашлось разложение в сходящийся ряд Фурье, то есть

(Следует обратить внимание, что суммирование идёт по индексу n ).

Если ряд сходится, то его сумму обозначим S(x).

Почленное интегрирование (законное в силу предположения о сходимости ряда) в пределах от до даёт

так как все слагаемые кроме первого равны нулю (соотношения I, II). Отсюда находим

Умножая (5.2.2) на (m =1,2,…) и почленно интегрируя в пределах от до , найдем коэффициент a n .

В правой части равенства все слагаемые равны нулю, кроме одного m=n (соотношения IV, V), Отсюда получаем

Умножая (5.2.2) на (m =1,2,…) и почленно интегрируя в пределах от до ,аналогичным образом находим коэффициент b n

Значения - определяемые по формулам (5.2.3), (5.2.4), (5.2.5) называются коэффициентами Фурье, а тригонометрический ряд (5.2.2) – ряд Фурье для данной функции f(x).

Итак, получили разложение функции f(x) в ряд Фурье

Вернемся к первому вопросу и выясним какими свойствами должна обладать функция f(x) , чтобы построенный ряд Фурье был сходящимся, и сумма ряда равнялась бы именно f(x) .

Определение. Функция f(x) называется кусочно-непрерывной , если она непрерывна или имеет конечное число точек разрыва I рода.

Определение. Функция f(x) , заданная на отрезке называется кусочно-монотонной , если отрезок можно разбить точками на конечное число промежутков, в каждом из которых функция изменяется монотонно (возрастая или убывая).



Будем рассматривать функции f(x) , имеющие период Т=2π . Такие функции называются 2π - периодическими.

Сформулируем теорему, представляющую достаточное условие разложимости функции в ряд Фурье.

Теорема Дирихле (примем без доказательства). Если 2π -периодическая функция f(x) на отрезке является кусочно-непрерывной и кусочно-монотонной, то соответствующий функции ряд Фурье сходится на этом отрезке и при этом:

1. В точках непрерывности функции сумма ряда совпадает с самой функцией S(x)=f(x) ;

2. В каждой точке х 0 разрыва функции f(x) сумма ряда равна ,

т.е. среднему арифметическому пределов функции слева и справа от точки х 0 ;

3. В точках (на концах отрезка) сумма ряда Фурье равна ,

т.е. среднему арифметическому предельных значений функции на концах отрезка, при стремлении аргумента к этим точкам изнутри промежутка.

Замечание: если функция f(x) с периодом 2π непрерывна и дифференцируема во всем промежутке и значения ее на концах промежутка равны, т.е., то ввиду периодичности эта функция непрерывна на всей числовой оси и при любом х сумма ее ряда Фурье совпадает с f(x) .

Таким образом, если интегрируемая на отрезке функция f(x) удовлетворяет условиям теоремы Дирихле, то на отрезке имеет место равенство (разложение в ряд Фурье):

Коэффициенты вычисляются по формулам (5.2.3) - (5.2.5).

Условиям Дирихле удовлетворяет большинство функций, которые встречаются в математике и ее приложениях.

Ряды Фурье, как и степенные ряды, служат для приближенного вычисления значений функций. Если разложение функции f(x) в тригонометрический ряд имеет место, то всегда можно пользоваться приближенным равенством , заменяя данную функцию суммой нескольких гармоник, т.е. частичной суммой (2n +1) члена ряда Фурье.

Тригонометрические ряды широко используют в электротехнике, с их помощью решают многие задачи математической физики.

Разложить в ряд Фурье функцию с периодом 2π, заданную на интервале (-π;π).

Решение. Найдем коэффициенты ряда Фурье:

Получили разложение функции в ряд Фурье

В точках непрерывности сумма ряда Фурье равна значению функции f(x)=S(x) , в точке х=0 S(x)=1/2 , в точках х=π,2π,… S(x)=1/2.

В ряде случаев, исследуя коэффициенты рядов вида (С) или можно установить, что эти ряды сходятся (исключая, быть может, отдельные точки) и являются рядами Фурье для своих сумм (см., например, предыдущий п°), но во всех этих случаях естественно возникает вопрос,

как найти суммы этих рядов или - точнее - как выразить их в конечном виде через элементарные функции, если они, вообще, в таком виде выражаются. Еще Эйлер (а также Лагранж) с успехом применял для суммирования тригонометрических рядов в конечном виде аналитические функции комплексной переменной. Идея метода Эйлера состоит в следующем.

Допустим, что при некотором наборе коэффициентов ряды (С) и сходятся к функциям повсюду в промежутке исключая разве лишь отдельные точки. Рассмотрим теперь степенной ряд с теми же коэффициентами, расположенный по степеням комплексной переменной

На окружности единичного круга т. е. при этот ряд по предположению сходится, исключая отдельные точки:

В таком случае, по известному свойству степенных рядов ряд (5) заведомо сходится при т. е. внутри единичного круга, определяя там некоторую функцию комплексной переменной. Используя известные нам [см. § 5 главы XII] разложения элементарных функций комплексной переменной, часто удается свести к ним и функцию Тогда для имеем:

и по теореме Абеля , лишь только ряд (6) сходится, его сумма получается как предел

Обычно этот предел равен попросту что и позволяет вычислить в конечном виде функции

Пусть, например, предложены ряды

Доказанные в предыдущем п° утверждения приводят к заключению, что оба эти ряда сходятся (первый - исключая точки 0 и

служат рядами Фурье для определяемых ими функций Но что это за функции? Для ответа на этот вопрос составим ряд

По сходству с логарифмическим рядом легко устанавливается его сумма:

следовательно,

Теперь легкое вычисление дает:

так что модуль этого выражения есть , а аргумент .

и, таким образом, окончательно

Результаты эти нам знакомы и даже были однажды получены с помощью «комплексных» соображений ; но в первом случае мы исходили из функций и , а во втором - из аналитической функции Здесь же впервые нам отправной точкой послужили сами ряды. Дальнейшие примеры подобного рода читатель найдет в следующем п°.

Подчеркнем еще раз, что нужно наперед быть уверенным в сходи и рядов (С) и чтобы иметь право определить их суммы с помощью предельного равенства (7). Одно существование предела в правой части этого равенства еще не позволяет сделать заключение о сходимости упомянутых рядов. Чтобы показать это на примере, рассмотрим ряды

Решение Навье пригодно только для расчета пластинок, шарнирно опертых по контуру. Более общим является решение Леви . Оно позволяет выполнить расчет пластинки, шарнирно опертой по двум параллельным сторонам, с произвольными граничными условиями на каждой из двух других сторон.

В прямоугольной пластинке, изображенной на рис. 5.11, (a), шарнирно опертыми являются края, параллельные оси y . Граничные условия на этих краях имеют вид

Рис. 5.11

Очевидно, что каждый член бесконечного тригонометрического ряда

https://pandia.ru/text/78/068/images/image004_89.gif" width="99" height="49">; вторые частные производные функции прогибов

(5.45)

при x = 0 и x = a также равны нулю, поскольку содержат https://pandia.ru/text/78/068/images/image006_60.gif" width="279" height="201 src="> (5.46)

Подстановка (5.46) в (5.18) дает

Умножая обе части полученного уравнения на , интегрируя в пределах от 0 до a и помня, что

,

получаем для определения функции Ym такое линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами

. (5.48)

Если для сокращения записи обозначить

уравнение (5.48) примет вид

. (5.50)

Общее решение неоднородного уравнения (5.50), как известно из курса дифференциальных уравнений, имеет вид

Ym (y ) = j m (y ) + Fm (y ), (5.51)

где j m (y ) – частное решение неоднородного уравнения (5.50); его вид зависит от правой части уравнения (5.50), т. е., фактически, от вида нагрузки q (x , y );

Fm (y ) = Am sh a m y + Bm ch a m y + y (Cm sh a m y + Dm ch a m y ), (5.52)

общее решение однородного уравнения

Четыре произвольные постоянные Am , В m , C m и Dm должны быть определены из четырех условий закрепления краев пластинки, параллельных оси , приложенная к пластинке постоянна q (x , y ) = q правая часть уравнения (5.50) приобретает вид

https://pandia.ru/text/78/068/images/image014_29.gif" width="324" height="55 src=">. (5.55)

Поскольку правая часть уравнения (5.55) постоянна, то постоянна и левая его часть; поэтому все производные j m (y ) равны нулю, и

, (5.56)

, (5.57)

где обозначено: .

Рассмотрим пластинку, защемленную вдоль краев, параллельных оси х (рис. 5.11, (в)).

Граничные условия по краям y = ± b /2

. (5.59)

Вследствие симметрии прогиба пластинки относительно оси О x , в общем решении (5.52) следует сохранить лишь члены, содержащие четные функции. Поскольку sha m y – функция нечетная, а сha m y – четная и, при принятом положении оси Ох , y sha m y – четно, в у cha m y – нечетно, то общий интеграл (5.51) в рассматриваемом случае можно представить так

. (5.60)

Поскольку в (5.44) не зависит от значения аргумента y , вторую пару граничных условий (5.58), (5.59) можно записать в виде:

Ym = 0, (5.61)

Y ¢ m = = 0. (5.62)

Y ¢ m = a m Bm sha m y + Cm sha m y + y Cm a m cha m y =

a m Bm sha m y + Cm (sha m y + y a m cha m y )

Из (5.60) – (5.63) следует

https://pandia.ru/text/78/068/images/image025_20.gif" width="364" height="55 src=">. (5.65)

Домножив уравнение (5.64) на , а уравнение (5..gif" width="191" height="79 src=">. (5.66)

Подстановка (5.66) в уравнение (5.64) позволяет получить Bm

https://pandia.ru/text/78/068/images/image030_13.gif" width="511" height="103">. (5.68)

При таком выражении функции Y m . , формула (5.44) для определения функции прогибов приобретает вид

(5.69)

Ряд (5.69) быстро сходится. Например, для квадратной пластинки в её центре, т. е. при x = a /2, y = 0

(5.70)

Удержав в (5.70) только один член ряда, т. е. приняв , получим величину прогиба, завышенную менее чем на 2,47%. Учтя, что p 5 = 306,02, найдем Вариация" href="/text/category/variatciya/" rel="bookmark">вариационный метод В..Ритца – базируется на сформулированном в п. 2 вариационном принципе Лагран-жа.

Рассмотрим этот метод применительно к задаче изгиба пластинок. Представим изогнутую поверхность пластинки в виде ряда

, (5.71)

где fi (x , y ) непрерывные координатные функции, каждая из которых должна удовлетворять кинематическим граничным условиям; Ci – неизвестные параметры, определяемые из уравнения Лагранжа. Это уравнение

(5.72)

приводит к системе из n алгебраических уравнений относительно параметров Ci .

В общем случае энергия деформации пластинки состоит из изгибной U и мембранной Um частей

, (5.73)

, (5.74)

где Мх. , М y . , М xy – изгибные усилия; N х. , Ny . , Nxy – мембранные усилия. Соответствующая поперечным силам часть энергии невелика и ею можно пренебречь.

Если u , v и w – составляющие действительного перемещения, px . , py и pz – составляющие интенсивности поверхностной нагрузки, Р i – сосредоточенная сила, Di соответствующее ей линейное перемещение, М j – сосредоточенный момент, q j – соответствующий ему угол поворота (рис. 5.12) то потенциальную энергию внешних сил можно представить так:

Если края пластинки допускают перемещения, то краевые силы vn . , mn . , mnt (рис. 5.12, (а)) увеличивают потенциал внешних сил

Рис. 5.12

Здесь n и t – нормаль и касательная к элементу края ds .

В декартовых координатах, с учетом известных выражений для усилий и кривизн

, (5.78)

полная потенциальная энергия Э прямоугольной пластинки размером a ´ b , при действии только вертикальной нагрузки pz

(5.79)

В качестве примера рассмотрим прямоугольную пластинку с отношением сторон 2a ´ 2b (рис. 5.13).

Пластинка защемлена по контуру и нагружена равномерной нагрузкой

pz = q = const . В этом случае выражение (5.79) для энергии Э упрощается

. (5.80)

Примем для w (x, y ) ряд

который удовлетворяет контурным условиям

Рис. 5.13

Удержим только первый член ряда

.

Тогда согласно (5.80)

.

Минимизируя энергию Э согласно (5..gif" width="273 height=57" height="57">.

.

Прогиб центра квадратной пластинки размером 2а ´ 2а

,

что на 2,5% больше точного решения 0,0202 qa 4/D . Отметим, что прогиб центра пластинки, опертой по четырем сторонам, в 3,22 раза больше.

Этот пример иллюстрирует достоинства метода: простоту и возможность получения хорошего результата. Пластинка может иметь различные очертания, переменную толщину. Затруднения в этом методе, как, впрочем, и в других энергетических методах, возникают при выборе подходящих координатных функций.

5.8. Метод ортогонализации

Метод ортогонализации, предложенный и, основан на следующем свойстве ортогональных функций j i . , j j

. (5.82)

Примером ортогональных функций на интервале (– p , p ) могут служить тригонометрические функции cos nx и sin nx для которых

Если одна из функций, например функция j i (x ) тождественно равна нулю, то условие (5.82) выполняется для произвольной функции j j (x ).

Для решения задачи об изгибе пластинки уравнение –

можно представить так

, (5.83)

где F – площадь, ограниченная контуром пластинки; j ij – функции, задаваемые так, чтобы они удовлетворяли кинематическим и силовым граничным условиям задачи.

Представим приближенное решение уравнения изгиба пластинки (5.18) в виде ряда

. (5.84)

Если бы решение (5.84) было точным, то уравнение (5.83) выполнялось бы тождественно для любой системы координатных функций j ij . , поскольку в этом случае D Ñ2Ñ2 wn – q = 0. Потребуем, чтобы уравнение D Ñ2Ñ2 wn – q было ортогональным к семейству функций j ij , и требование это используем для определения коэффициентов Cij . . Подставляя (5.84) в (5.83) получим

. (5.85)

После выполнения некоторых преобразований получим следующую систему алгебраических уравнений для определения C ij

, (5.86)

причем h ij = h ji .

Методу Бубнова-Галеркина можно дать следующее толкование. Функция D Ñ2Ñ2 wn – q = 0 является по сути дела уравнением равновесия и представляет собой проекцию внешних и внутренних сил, действующих на малый элемент пластинки в направлении вертикальной оси z . Функция прогибов wn есть перемещение в направлении той же оси, а функции j ij можно считать возможными перемещениями. Следовательно, уравнение (5.83) приближенно выражает равенство нулю работы всех внешних и внутренних сил на возможных перемещениях j ij . . Таким образом метод Бубнова-Галеркина по сути своей является вариационным.

В качестве примера рассмотрим прямоугольную пластинку, защемленную по контуру и нагруженную равномерно распределенной нагрузкой. Размеры пластинки и расположение координатных осей такие же, как на рис. 5.6.

Граничные условия

при x = 0, x = а : w = 0, ,

при y = 0, y = b : w = 0, .

Приближенное выражение для функции прогибов выберем в виде ряда (5.84) где функция j ij

удовлетворяет граничным условиям; Cij – искомые коэффициенты. Ограничившись одним членом ряда

получим следующее уравнение

После интегрирования

Откуда вычислим коэффициент С 11

,

который полностью соответствует коэффициенту С 11., полученному методом

В. Ритца – .

В первом приближении функция прогибов такова

.

Максимальный прогиб в центре квадратной пластинки размером а ´ а

.

5.9. Применение метода конечных разностей

Рассмотрим применение метода конечных разностей для прямоугольных пластинок со сложными контурными условиями. Разностный оператор – аналог дифференциального уравнения изогнутой поверхности пластинки (5.18), для квадратной сетки, при Dx = Dy = D принимает вид (3.54)

20 wi , j + 8 (wi , j + 1 + wi , j – 1 + wi – 1, j + wi + 1, j ) + 2 (wi – 1, j – 1 + wi – 1, j + 1 +

Рис. 5.14

С учетом наличия трех осей симметрии нагружения и деформаций пластинки, можно ограничиться рассмотрением её восьмушки и определять величины прогибов только в узлах 1...10 (рис. 5.14, (б)). На рис. 5.14, (б) представлены сетка и нумерация узлов (D = а /4).

Поскольку края пластинки защемлены, то записав контурные условия (5.25), (5.26) в конечных разностях