تعداد بازدید ها: 22,085
پیش‌تر در بلاگ فرادرس مفاهیم مربوط به دنباله‌های عددی، دنباله‌های حسابی، هندسی و … توضیح داده شده‌اند. در این مطلب قصد داریم تا در مورد حاصل جمع جملات یک دنباله صحبت کرده و شما را با سری همگرا و واگرا آشنا کنیم.
فیلم آموزش سری همگرا و واگرا — از صفر تا صد (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)
سری مفهومی بسیار پرکاربرد در نوشتن الگوریتم‌ها است. برای نمونه مفهوم بسط تیلور که در ریاضیات بسیار پرکاربرد است، در حقیقت یک سری محسوب می‌شود.
تعاریف
فرض کنید $$ \left \{ { { a _ n } } \right \} $$ دنباله‌ای از اعداد باشد. در این صورت حاصل جمع زیر را سری بینهایت یا به طور ساده‌تر سری می‌نامند.
$$\large { \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { { a _ n } } } = { { a _ 1 } + { a _ 2 } + \ldots } + { { a _ n } + \ldots } $$
جمع بخشی از دنباله an را می‌توان به صورت زیر در نظر گرفت.
$$ \large { \sum \limits _ { n = 1 } ^ n { { a _ n } } } = { { a _ 1 } + { a _ 2 } + \ldots + { a _ n } } $$
حاصل عبارت فوق را با Sn نشان می‌دهند. اگر در حالتی که $$ n \to \infty $$ برقرار بوده و Sn به L میل کند، در این صورت سری Sn را همگرا می‌نامند. بنابراین می‌توان گفت:
$$ { \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { { a _ n } } = L \; \; } \kern -0.3pt { \text {if} \; \; \lim \limits _ { n \to \infty } { S _ n } = L } $$
اگر به هر نحوی رابطه فوق برقرار نباشد، سری واگرا نامیده می‌شود. به منظور تشخیص واگرا یا همگرا بودن یک سری، آزمون‌هایی وجود دارد که در ادامه آن‌ها را توضیح داده‌ایم.
آزمون جمله nام
این آزمون می‌گوید اگر سری $$ \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { { a _ n } } $$ همگرا باشد در این صورت حد an در بینهایت بایستی حتما برابر با صفر باشد. به عبارتی به منظور همگرا بودن سری $$ \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { { a _ n } } $$ حد زیر بایستی برقرار باشد.
$$ \large \lim \limits _ { n \to \infty } { a _ n } = 0 $$
نکته: عکس این آزمون الزاما درست نیست. در حقیقت صفر بودن حد an در بینهایت همگرا بودن سری را نتیجه نمی‌دهد. برای نمونه حاصل حد $$ \frac {1}{n} $$ برابر با صفر است. این در حالی است که سری $$ \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { \large \frac { 1 } { n } \normalsize } $$ واگرا است.
آزمون دالامبر یا آزمون نسبت
برای به‌‌کارگیری این آزمون بایستی حاصل حد $$ { \displaystyle \lim _ { n \to \infty } \left| { \frac { a _ { n + 1 } } { a _ { n } } } \right| = r } $$ را بیابیم. در این رابطه اگر $$ r < 1 $$ باشد، در این صورت سری همگرا است. در حالتی که r=1 باشد، نمی‌توان در مورد همگرا یا واگرا بودن سری نظری قطعی داد.
ویژگی‌های سری‌های همگرا
فرض کنید دو سری $$ \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { { a _ n } } = A $$ و $$ \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { { b _ n } } = B $$ همگرا بوده و c عددی ثابت باشد. در این صورت دو گذاره زیر نیز برقرار خواهند بود.
- $$ \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { \left ( { { a _ n } + { b _ n } } \right ) } $$
- $$ \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { c { a _ n } } = c A $$
مثال‌ها
در ادامه مثال‌هایی ذکر شده که مطالعه آن‌ها را به منظور درک بهتر مطلب، توصیه می‌کنیم.
مثال ۱
وضعیت همگرایی سری $$ \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { \sqrt [ \large n \normalsize ] { 3 } } $$ را مشخص کنید.
جهت تعیین وضعیت همگرایی سری، می‌توان از آزمون جمله nام استفاده کرد. در حقیقت حاصل حد $$ \lim \limits _ { n \to \infty } \sqrt [ \large n \normalsize ] { 3 } = \lim \limits _ { n \to \infty } { 3 ^ { \large \frac { 1 } { n } \normalsize} } = 1 $$ متناهی است. بنابراین سری تشکیل شده از جملات آن نیز واگرا خواهد بود.
مثال ۲
نشان دهید که حاصل سری $$ \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { \large \frac { 1 } { n } \normalsize } $$ واگرا است.
حاصل حد $$ \frac { 1 } { n } $$ در بینهایت برابر با صفر است. بنابراین نمی‌توان به‌طور قطعی گفت سری واگرا است. حاصل حد $$ { \displaystyle \lim _ { n \to \infty } \left| { \frac { a _ { n + 1 } } { a _ { n } } } \right| = r } $$ نیز برابر با ۱ است. بنابراین از این آزمون نیز نمی‌توان استفاده کرد. به منظور تشخیص وضعیت سری، می‌توان جملات آن را به صورت زیر جمع زد.
$$\large { \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { \frac { 1 } { n } } } = { 1 + \frac { 1 } { 2 } + \underbrace {\left( { \frac { 1 } { 3 } + \frac { 1 } { 4 } } \right)}_{\frac{7}{{12}} > \frac{1}{2}} }
+ { \underbrace { \left ( { \frac { 1 } { 5 } + \frac { 1 } { 6 } + \frac { 1 } { 7 } + \frac { 1 } { 8 } } \right ) } _ { \frac { { 5 3 3 } } { { 8 4 0 } } > \frac { 1 } { 2 } } } + { \ldots \; } $$
از استدلال فوق می‌توان نامساوی زیر را نتیجه گرفت.
$$\large \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { \large \frac { 1 } { n } \normalsize } > \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { \large \frac { 1 } { 2 } \normalsize } = \infty $$
بنابراین سری واگرا بوده و حاصل آن به بینهایت میل می‌کند.
مثال ۳
وضعیت همگرایی سری $$ \sum \limits _ { n = 1 } ^ \infty { \large \frac { 1 } { { \left ( { n + \pi } \right ) \left ( { n + \pi + 1 } \right ) } } \normalsize } $$ به چه صورت است؟
در برخی از موارد، جملات یک سری دو به دو همدیگر را خنثی می‌کنند. برای نمونه جمله عمومی این سری را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:
$$\large { \frac { 1 } { { \left ( { n + \pi } \right ) \left ( { n + \pi + 1 } \right ) } } } = { \frac { 1 } { { n + \pi } } } – { \frac { 1 } { { n + \pi + 1 } } } $$
اگر عبارت فوق را به صورت زیر باز کنید خواهید دید که جملات سری دو به دو همدیگر را خنثی می‌کنند.
$$ \large { { S _ n } = \left ( { \frac { 1 } { { 1 + \pi } } – \frac { 1 } { { 2 + \pi } } } \right ) }
+ { \left ( { \frac { 1 } { { 2 + \pi } } – \frac { 1 } { { 3 + \pi } } } \right ) + \ldots }
+ { \left ( { \frac { 1 } { { n + \pi } } – \frac { 1 } { { n + \pi + 1 } } } \right ) }
= { \frac { 1 } { { 1 + \pi } } } – { \frac { 1 } { { n + \pi + 1 } } } $$
بنابراین حاصل حد Sn در حالتی که $$ n \to \infty $$ میل کند، برابر است با:
$$\large { \lim \limits _ { n \to \infty } { S _ n } }
= { \lim \limits _ { n \to \infty } \left ( { \frac { 1 } { { 1 + \pi } } – \frac { 1 } { { n + \pi + 1 } } } \right ) }
= { \frac { 1 } { { 1 + \pi } } } \approx { 0 , 2 4 } $$
در نتیجه سری ارائه شده به عدد ۰.۲۴ همگرا است.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است و علاقه‌مند به یادگیری بیشتر در این زمینه هستید، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- مجموعه آموزش‌های ریاضیات
- مجموعه آموزش‌های ریاضی و فیزیک
- سری تیلور — به زبان ساده
- انتگرال سه گانه — از صفر تا صد
- سری توانی — به زبان ساده
- مختصات قطبی — از صفر تا صد
^^
«مجید عوض‌زاده»، فارغ التحصیل مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک از دانشگاه تهران است. فیزیک، ریاضیات و مهندسی مکانیک از جمله مباحث مورد علاقه او هستند که در رابطه با آن‌ها تولید محتوا می‌کند.
بر اساس رای 53 نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟