MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi II 2015
Transcription
MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi II 2015
MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi II 2015 Kotitehtävien 21 mallit Santeri Räisänen 1. Määritä potenssisarjan ∞ X 5k k=1 k2 xk suppenemissäde ja suppenemisväli. Suppenemissäde voidaan ratkaista laskemalla perättäisten kertoimien raja-arvo: k 2 ak 5 (k + 1)2 = lim 1 (k + 1) = 1 lim = lim k→∞ ak+1 k→∞ 5k+1 k 2 k→∞ 5 k2 5 Siispä suppenemissäde on 15 . Koska kehityskeskus on 0, suppenemisvälin päätepisteet ovat −1 ja 15 . Tutkitaan vielä kuuluvatko nämä päätepisteet välille. 5 1 x= : 5 ∞ ∞ X X 5k 1 = k 2 5 k k2 k=1 k=1 1 x=− : 5 ∞ X k=1 ∞ X −1k 5k = −5k k 2 k2 k=1 Sarjoista ensimmäinen suppenee yliharmonisena. Toinen puolestaan suppenee, sillä se suppenee itseisesti. Täten suppenemisväli on väli [ −1 , 1 ]. 5 5 2. Määritä potenssisarjan ∞ X (−1)k (4x + 1)k kertoimet ak , keskus, suppenemis- k=0 säde ja suppenemisväli. Pyöräytetään sarja oikean muotoiseksi: ∞ ∞ X X 1 k k (−1) (4x + 1) = (−4)k (x + )k 4 k=0 k=0 Tästä näkee selvästi, että kertoimet ovat ak = (−4)k ja keskus c = − 41 . Etsitään sitten suppenemissäde. (−4)k 1 = lim k→∞ (−4)k+1 4 1 Jäljelle jää tutkia välin päätepisteet. 1 x=− : 2 ∞ ∞ ∞ X X X k k k k (−1) (4x + 1) = (−1) (−1) = (1)k k=0 x = 0: k=0 k=0 ∞ ∞ ∞ X X X (−1)k (4x + 1)k = (−1)k (1)k = (−1)k k=0 k=0 k=0 Selvästikään kumpikaan näistä ei suppene, joten suppenemisväli on väli (− 21 , 0). 3. (a) Mikä on potenssisarjan ∞ X 5k xk suppenemisväli? Mikä on tällöin sarjan sum- k=0 ma? (b) Jos derivoit potenssisarjan ∞ X 5k xk termeittäin, niin minkä sarjan saat? Mikä k=0 on saadun sarjan suppenemisväli ja summa? (c) Jos integroit potenssisarjan ∞ X 5k xk termeittäin, niin minkä sarjan saat? k=0 Mikä on saadun sarjan suppenemisväli ja summa? (a) Sillä potenssijonomme on geometrinen, suppenee se täsmälleen silloin, kun pätee seuraava epäyhtälö: 1 1 |5x| < 1 ⇔ − < x < . 5 5 Tällöin voimme käyttää geometrisen sarjan summakaavaa saadaksemme summan: ∞ X 1 (5x)k = . 1 − 5x k=0 (b) Derivoidaan sarja termeittäin: ∞ X k=0 k D(5x) = ∞ X k k−1 k5 x k=0 2 = ∞ X k=1 k5k xk−1 . Nyt tiedämmekin, että sarjan suppenemissäde on sama kuin alkuperäisen, joten jäljelle jää vain tutkia välin päätepisteet. 1 x=− : 5 ∞ ∞ ∞ X X X 1 (−1)k k5k xk−1 = k5k (− )k+1 = k 5 5 k=1 k=1 k=1 1 x= : 5 ∞ X k=1 k k−1 k5 x ∞ X ∞ X 1 1 = k k5 ( )k+1 = 5 5 k=1 k=1 k Selvästi nämä eivät suppene, joten suppenemisväli on väli (− 51 , 15 ). Nyt sarjan summa on yksinkertaisesti alkuperäisen sarjan summan derivaatta: ∞ X 5 k5k xk−1 = (1 − 5x)2 k=1 (c) Nyt integroidaan sarja termeittäin: ∞ ∞ Z X X 5k k+1 (5x)k dx = x k + 1 k=0 k=0 Jälleen sarjan suppenemissäde on sama kuin alkuperäisen. Tutkitaan siis päätepisteet. 1 x=− : 5 ∞ ∞ X 5k k+1 X −1k x = k+1 (k + 1)5 k=0 k=0 Leibnizin ehdon mukaan tämä suppenee. 1 x= : 5 ∞ ∞ X 5k k+1 X 1 x = k+1 (k + 1)5 k=0 k=0 Tälle voimme löytää harmonisen minorantin, joten sarja ei suppene. Suppenemisväliksi saamme siis välin [− 51 , 15 ). Sarjan summa on alkuperäisen sarjan summan integraali: ∞ X 5k k+1 1 x = − ln(1 − 5x) k+1 5 k=0 3