sorok és hatványsorok vizsgálata abel...

46

Upload: others

Post on 10-Feb-2020

7 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Sorok és hatványsorok vizsgálata

Abel nyomán

Szakdolgozat

Készítette: Vánkovics Mária

Matematika BSc, Matematikai elemz® szakirány

Témavezet®: Pfeil Tamás adjunktus

Alkalmazott Analízis és Számításmatematikai Tanszék

Eötvös Loránd Tudományegyetem

Természettudományi Kar

Budapest

2012

Page 2: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Tartalomjegyzék

Bevezetés 4

1. Niels Henrik Abel 5

1.1. Abel élete és munkássága . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2. Abel-díj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Számsorozatok, végtelen sorok és hatványsorok 7

2.1. A számsorozat f®bb tulajdonságai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2. A végtelen sor f®bb tulajdonságai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3. A hatványsor f®bb tulajdonságai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3. Korlátos változású sorozatok 11

3.1. Korlátos változású sorozatok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2. Példák nem korlátos változású sorozatokra . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4. Abel és Dirichlet tétele 18

4.1. Abel-átrendezés, Abel-egyenl®tlenségek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.2. Abel és Dirichlet tétele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5. Függvénysorozatok és függvénysorok 27

5.1. Függvénysorozatok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.2. Függvénysorok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6. Abel és Dirichlet tétele függvénysorokra 32

6.1. Dirichlet tétele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.2. Abel tétele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2

Page 3: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

7. Szummábilis sorok és az Abel-szummáció 35

7.1. Szummábilis sorok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.2. Abel-szummáció . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Köszönetnyilvánítás 44

Irodalomjegyzék 45

Nyilatkozat 46

3

Page 4: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Bevezetés

A szakdolgozatom témája sorok és hatványsorok. Niels Henrik Abel nevéhez e terület

több tételét kötik, ezek közül dolgoztam fel néhányat.

Az els® fejezetben összefoglaltam Abel élettörténetét. A második fejezetben felsoroltam

azokat a korábbi tanulmányaimból ismert fogalmakat és állításokat, melyeket a szakdol-

gozatomban felhasználok. A harmadik fejezetben de�niáltam a korlátos változású sorozat

fogalmát, majd összegy¶jtöttem a rá vonatkozó ismert állításokat. Végül példákat mutat-

tam nem korlátos változású sorozatokra. Az utolsó példa kapcsán leírtam a váltakozó el®-

jelekkel ellátott harmonikus sor konvergenciájának elemi bizonyítását. A negyedik fejezet-

ben az Abel-átrendezés után az Abel-egyenl®tlenség két változatát adtam meg, majd két

sorozat szorzatából képzett sorok konvergenciáját vizsgáltam. Bebizonyítottam Abel és

Dirichlet tételét, majd példákat mutattam e két tétel alkalmazására. Az ötödik fejezetben

röviden foglalkoztam függvénysorozatok és függvénysorok pontonkénti illetve egyenletes

konvergenciájával. A hatodik fejezetben ismertettem Abel és Dirichlet végtelen sorokra

érvényes tételének függvénysorokra vonatkozó általánosítását. Az utolsó fejezetben azt

vizsgáltam, hogyan terjeszthet® ki a végtelen sor összegének fogalma. El®ször végtelen sor

szummábilitását, majd az Abel-szummábilitását vizsgáltam.

4

Page 5: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

1. fejezet

Niels Henrik Abel

1.1. Abel élete és munkássága

Niels Henrik Abel 1802. augusztus 5-én a norvégiai Finnoy szigetén született. Édes-

apja szegény protestáns pap volt. Abel születését követ®en a család lakóhelyet változta-

tott, Gjerstad parókiájára költöztek. Itt töltötte gyerekkorát, majd 1815-ben megkezdte

tanulmányait az oslói püspöki iskolában. Egyik tanára észrevette Abel matematikai tehet-

ségét, ezért addig megfejtetlen problémákat adott fel neki megoldásra. Tudása tökéletesí-

tése érdekében tanulmányozni kezdte nagy matematikusok, mint Isaac Newton, Leonhard

Euler, Joseph-Louis Lagrange és Karl Fridrich Gauss munkáit.

1820-ban édesapja meghalt, így a család anyagi helyzete bizonytalanná vált. Tanára

támogatást szerzett számára, s ennek köszönhet®en 1821-ben megkezdhette tanulmányait

5

Page 6: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

a Christiania Egyetemen Oslóban. Ezt követ® évben megszerezte els® egyetemi tudomá-

nyos fokozatát. Felismerte, hogy az általános ötödfokú egyenlet algebrailag nem oldható

meg, s erre vonatkozó bizonyítását ki is adta 1824-ben. Elismerést remélve az értekezést el-

küldte Gaussnak, aki nem ismerte fel, hogy a problémának az Abel által adott bizonyítása

helyes.

Berlinbe látogatása során találkozott a mérnök és autodidakta matematikus August

Leopold Crellével, aki jó barátja lett, és szakmailag is támogatta. Crelle alapított egy

folyóiratot, melynek els® számában Abel több tanulmánya is olvasható volt.

Kutatásaiban f®képp az egyenletek elméletér®l, függvényegyenletekr®l és a zárt alakban

való integrálásról írt. A transzcendens függvényekkel foglalkozó tanulmányában adta közre

az algebrai függvények integráljáról szóló elméleten belül az Abel-tételt, mely szerint véges

számú illeve fajtájú független integrál létezik. Ez utóbbi tanulmányát beterjesztette a

Francia Tudományos Akadémiához, ahol visszautasítással kellett szembesülnie, m¶vét nem

ismerték el.

Miel®tt haza tért volna Párizsból, megvizsgáltatta magát egy orvossal, aki megállapí-

totta, hogy tüd®beteg. Visszatérve Norvégiába magánórákból tartotta el magát, 1828�ban

helyettesít® tanári állást kapott. Nehéz anyagi helyzete és egyre rosszabbodó egészségi

állapota nem tartotta vissza tudása mélyítésében és a matematika más ágain belüli kuta-

tásban. Ebben az id®szakban adott közre egy tanulmányt, mely tartalmazta az Abel-féle

egyenleteknek Abel-csoportokra alapozott elméletét. Karl Gustav Jacobival közösen fog-

lalkoztak az elliptikus függvényekkel.

1828 ®szén Abel megbetegedett, és állapota az id® teltével egyre súlyosabb lett. 1829.

április 6-án Frolandon tuberkulózisban halt meg.

1841�ben a Francia Tudományos Akadémia kiadta értekezéseit.

1.2. Abel-díj

Az Abel-díjat az Oslói Egyetem matematika tanszékének javaslatára hozták létre 2001

®szén, Abel születésének 200-adik évfordulóján. A díjat 2003�tól évente nemzetközi bi-

zottság osztja ki arra méltó, kiemelked® matematikusoknak.

6

Page 7: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

2. fejezet

Számsorozatok, végtelen sorok és

hatványsorok

2.1. A számsorozat f®bb tulajdonságai

2.1.1. De�níció (Konvergens sorozat). Az (yn) sorozatot konvergensnek mondjuk,

ha létezik olyan Y ∈ R, hogy minden ε ∈ R+ számhoz található Nε ∈ N küszöbindex,

amelyre n ≥ Nε esetén | yn − Y |< ε.

2.1.2. De�níció (Nullsorozat). Egy (yn) sorozatra azt mondjuk, hogy nullsorozat vagy

zérussorozat, ha a határértéke 0.

2.1.3. De�níció (Korlátosság). Az (yn) számsorozatot felülr®l korlátosnak nevezzük,

ha van olyan K valós szám, amelynél nincs nagyobb eleme a sorozatnak, azaz minden n

indexre yn ≤ K teljesül. Minden ilyen tulajdonságú K számot a sorozat fels® korlátjának

nevezünk.

Az (yn) számsorozatot alulról korlátosnak nevezzük, ha van olyan k valós szám, amely-

nél nincs kisebb eleme a sorozatnak, azaz minden n indexre yn ≥ k teljesül. Minden ilyen

tulajdonságú k számot a sorozat alsó korlátjának nevezünk.

Az (yn) számsorozatot korlátosnak nevezzük, ha alulról és felülr®l is korlátos.

2.1.4. De�níció (Monoton sorozat). Azt mondjuk, hogy az (yn) sorozat monoton nö-

vekv®, ha bármely n indexre teljesül, hogy

yn ≤ yn+1 .

7

Page 8: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Ha a fenti feltételben yn ≥ yn+1 áll, akkor azt mondjuk, hogy az (yn) sorozat monoton

csökken®. Amennyiben az yn < yn+1, illetve az yn > yn+1 reláció teljesül, akkor szigorúan

monoton növekv®, illetve szigorúan monoton csökken® sorozatról beszélünk.

Az (yn) sorozatra azt mondjuk, hogy monoton sorozat, ha monoton növekv® vagy

monoton csökken®.

2.2. A végtelen sor f®bb tulajdonságai

2.2.1. De�níció (Végtelen sor és konvergenciája). Legyen az (yn) egy valós szám-

sorozat, és∞∑n=1

yn az ebb®l képzett végtelen sor. Jelölje sn az (yn) sorozat n-edik részlet-

összegét, azaz an∑

i=1

yi alakú számot minden n ∈ N esetén. Ha az (sn) sorozat konvergens,

és a határértéke Y, akkor azt mondjuk, hogy a∞∑n=1

yn végtelen sor konvergens, és az összege

Y. Jele∞∑n=1

yn = Y .

Ellenkez® esetben, ha a részletösszegekb®l képzett (sn) sorozat divergens, akkor a∞∑n=1

yn

végtelen sort divergensnek hívjuk.

2.2.2. Tétel (Cauchy-konvergenciakritérium). A∞∑n=1

yn végtelen sor akkor és csak

akkor konvergens, ha bármely ε ∈ R+ számhoz található olyan N index, hogy minden

N ≤ m < n indexek esetén ∣∣∣∣∣n∑

k=m+1

yk

∣∣∣∣∣ < ε.

2.2.3. De�níció (Abszolút konvergencia). A∞∑n=1

yn végtelen sort abszolút konver-

gensnek nevezzük, ha a∞∑n=1

| yn | végtelen sor konvergens.

2.2.4. De�níció (Végtelen sor átrendezése). Tekintsük a∞∑n=1

yn végtelen sort és le-

gyen b : N+ → N+ egy bijekció, azaz a pozitív egész számok önmagára történ® bijektív

leképezése. A∞∑i=1

yb(i) végtelen sort a∞∑n=1

yn végtelen sor b bijekcióhoz tartozó átrendezé-

sének nevezzük.

2.2.5. Tétel. • Bármely abszolút konvergens sor konvergens.

8

Page 9: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

• Egy abszolút konvergens sor bármely átrendezése abszolút kovergens, és az összege

megegyezik az eredeti sor összegével.

2.2.6. De�níció (Feltételes konvergencia). Azt mondjuk, hogy a∞∑n=1

yn végtelen sor

feltételesen konvergens, ha konvergens, de nem abszolút konvergens.

2.2.7. Tétel (Riemann átrendezési tétele). Legyen a∞∑n=1

yn végtelen sor feltételesen

konvergens, ekkor bármely Y ∈ R esetén létezik olyan átrendezés, amely konvergens és

az összege Y , továbbá van olyan átrendezés, melynek összege +∞, illetve olyan is létezik,

melynek összege −∞, végül van olyan, amely divergens és nincs összege.

2.2.8. De�níció (Leibniz-típusú sor). Ha (yn) monoton fogyó nemnegatív tagú soro-

zat, akkor a∞∑n=1

(−1)n+1yn alakú végtelen sort Leibniz-típusú sornak nevezzük.

2.2.9. Tétel. Egy Leibniz-típusú sor pontosan akkor konvergens, ha limn→∞

yn = 0.

2.2.10. De�níció (Cauchy-szorzat). A∞∑i=0

xi és∞∑i=0

yi végtelen sorok Cauchy-szorzatán

a

∞∑i=0

(i∑

j=0

xjyi−j

)végtelen sort értjük.

2.2.11. Tétel (Mertens). Legyenek a∞∑i=0

xi és∞∑i=0

yi végtelen sorok konvergensek, és

∞∑i=0

xi = X,∞∑i=0

yi = Y . Ha e végtelen sorok közül legalább az egyik abszolút konvergens,

akkor a Cauchy-szorzatuk is konvergens, és

∞∑i=0

(i∑

j=0

xjyi−j

)=∞∑i=0

xi ·∞∑i=0

yi.

2.3. A hatványsor f®bb tulajdonságai

2.3.1. De�níció (Hatványsor). Adott (an) sorozat és x0 ∈ R esetén a

∞∑n=0

an(x− x0)n

alakú végtelen sort x0 középpontú hatványsornak nevezzük. Az (an) sorozatot a hatvány-

sor együttható-sorozatának mondjuk.

9

Page 10: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

2.3.2. De�níció (Konvergenciahalmaz). Egy hatványsor konvergenciahalmazán azon

x valós számok halmazát értjük, melyre a∞∑n=0

an(x− x0)n végtelen sor konvergens.

2.3.3. De�níció (Összegfüggvény). A∞∑n=0

an(x− x0)n hatványsor összegfüggvényén az

f(x) :=∞∑n=0

an(x− x0)n

függvényt értjük, melynek értelmezési tartománya a hatványsor konvergenciahalmaza.

2.3.4. De�níció (Konvergenciasugár). Vegyünk egy (an) együttható-sorozattal meg-

adott hatványsort, ekkor a hatványsor konvergenciasugarán az alábbit értjük:

R :=

0, ha ( n

√|an|) felülr®l nem korlátos,

+∞, ha ( n√|an|) nullsorozat,

1

lim supn→∞

n√|an|

, ha limn→∞

sup n√|an| pozitív valós szám.

2.3.5. Tétel (Cauchy-Hadamard-tétel). Adott (an) sorozat és x0, x valós számok ese-

tén a∞∑n=0

an(x− x0)n hatványsor abszolút konvergens, ha |x− x0| < R, míg |x− x0| > R

esetén divergens.

2.3.6. Tétel (Abel-tétel). Egy hatványsor összegfüggvénye a konvergenciahalmaz min-

den pontjában folytonos.

2.3.7. Tétel. A∞∑n=0

an(x− x0)n hatványsor összegfüggvénye di�erenciálható a konvergen-

ciahalmaz bels® pontjainak halmazán, és ott az f(x) összegfüggvény deriváltfüggvénye

f ′(x) = a1 + 2 · a2 · (x− x0) + 3 · a3 · (x− x0)2 + . . . =∞∑n=0

(n+ 1) · an+1(x− x0)n.

2.3.8. Tétel. A∞∑n=0

an(x− x0)n hatványsor összegfüggvényének létezik primitív függvénye

a konvergenciahalmaz bels® pontjainak halmazán, melyek

F (x) =∞∑n=0

ann+ 1

(x− x0)n+1 + c, ahol c ∈ R.

10

Page 11: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

3. fejezet

Korlátos változású sorozatok

3.1. Korlátos változású sorozatok

3.1.1. De�níció (Korlátos változású sorozat). Az (yn) sorozatot korlátos változású

sorozatnak hívjuk, ha a∞∑n=1

|yn+1 − yn| végtelen sor konvergens.

3.1.2. Állítás. Minden monoton és korlátos sorozat korlátos változású.

Bizonyítás: Ha (yn) monoton és korlátos sorozat, akkor (yn+1−yn) állandó el®jel¶, ezért

sn :=n∑

k=1

|yk+1 − yk| =

yn+1 − y1, ha (yn) monoton n®,

y1 − yn+1, ha (yn) monoton fogy.

A monoton és korlátos sorozat konvergens, így

limn→∞

sn =

limn→∞

yn − y1, ha (yn) monoton n®,

y1 − limn→∞

yn, ha (yn) monoton fogy.

Ezért (sn) konvergens, ami azt jelenti, hogy (yn) korlátos változású. �

3.1.3. Állítás. Minden korlátos változású sorozat konvergens.

Bizonyítás: A∞∑n=1

|yn+1 − yn| végtelen sor konvergens, ezért a∞∑n=1

(yn+1 − yn) végtelen

sor is konvergens. Ekkor az

sn :=n∑

k=1

(yk+1 − yk) = yn+1 − y1

11

Page 12: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

sorozat konvergens. Ebb®l következik, hogy (yn+1) is konvergens, és így az eggyel kisebb

index¶ (yn) korlátos változású sorozat is konvergens. �

Ha egy sorozat konvergens, akkor korlátos is, tehát minden korlátos változású sorozat

korlátos.

3.1.4. Állítás. Egy sorozat pontosan akkor korlátos változású, ha el®állítható két konver-

gens monoton növ® sorozat különbségeként.

Bizonyítás: Legyen (xn) egy korlátos változású sorozat és x0 := 0. Legyenek az (yn) és

(zn) sorozatok az alábbi alakúak:

yn : =n∑

k=1

|xk − xk−1|, ahol n ∈ N+

zn : = yn − xn.

Ekkor zn =n∑

k=1

|xk − xk−1| − xn, n ∈ N+. Az (yn) sorozat nemnegatív tagú sor

részletösszeg-sorozata, ezért monoton növ®. A (zn) sorozatra:

zn+1 ≥ zn

yn+1 − xn+1 ≥ yn − xn

yn+1 − yn ≥ xn+1 − xn

|xn+1 − xn| ≥ xn+1 − xn .

Tehát (zn)monoton növ® sorozat. Már csak (yn) és (zn) konvergenciáját kell belátnunk.

Az (yn) sorozat konvergens, hiszen∞∑k=1

|xk − xk−1| konvergens, ami azt jelenti, hogy a

részletösszeg-sorozata konvergens. A korlátos változású (xn) sorozat a 3.1.3. állítás szerint

konvergens. Végül azt kaptuk, hogy (zn) két konvergens sorozat különbsége, így persze (zn)

konvergenciáját is beláttuk. Következésképpen minden korlátos változású sorozat el®áll

két konvergens monoton növ® sorozat különbségeként. Ezzel a bizonyítás egyik irányát

végigvittük.

A másik iránynál bebizonyítjuk, ha egy sorozat el®áll két konvergens monoton növ®

sorozat különbségeként, akkor az korlátos változású. Legyenek (yn) és (zn) monoton növ®

12

Page 13: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

konvergens sorozatok és (yn)→ Y ∈ R (zn)→ Z ∈ R a határértékek. Ekkor az (yn − zn)

sorozat korlátos változású, ez a tulajdonság az alábbi módon bizonyítható:∞∑n=1

|(yn+1 − zn+1)− (yn − zn)| =∞∑n=1

|(yn+1 − yn)− (zn+1 − zn)| .

Ekkor a végtelen sor részletösszeg-sorozata

sn :=n∑

i=1

|(yi+1 − yi)− (zi+1 − zi)| ≤n∑

i=1

|yi+1 − yi|+n∑

i=1

|zi+1 − zi| .

Az egyenl®tlenség jobb oldalán minden tag nemnegatív szám abszolút értéke, így mindkét

n tagú összeg teleszkópos összeg.n∑

i=1

|yi+1 − yi| =n∑

i=1

(yi+1 − yi) = yn+1 − y1 ≤ Y − y1 ,

n∑i=1

|zi+1 − zi| =n∑

i=1

(zi+1 − zi) = zn+1 − z1 ≤ Z − z1 .

Ekkor sn ≤ Y + Z − y1 − z1 ∈ R, tehát az (sn) részletösszeg-sorozat nemnegatív tagú és

korlátos, ezért konvergens. �

3.2. Példák nem korlátos változású sorozatokra

Három példát mutatunk olyan sorozatra, mely konvergens, de nem korlátos változású.

3.2.1. Példa.

xn :=

2n+1

, ha n páratlan, n ∈ N,

0, ha n páros.

Az (xn) számsorozat konvergens és a határértéke 0, továbbá a számsorozat nem mo-

noton. Már csak azt kell látnunk, hogy (xn) nem korlátos változású. Ehhez vizsgáljuk∞∑n=1

|xn+1 − xn| konvergenciáját. Nézzük ezen végtelen sor részletösszegeit.

s2n+1 :=2n+1∑k=1

|xk+1 − xk| =

= |x2 − x1|+|x3 − x2|+|x4 − x3|+. . .+|x2n − x2n−1|+|x2n+1 − x2n|+|x2n+2 − x2n+1| =

= |0−1|+∣∣∣∣12−0

∣∣∣∣+∣∣∣∣0− 1

2

∣∣∣∣+. . .+∣∣∣∣0− 2

(2n−1)+1

∣∣∣∣+∣∣∣∣ 2

(2n+1)+1−0∣∣∣∣+∣∣∣∣0− 2

(2n+1)+1

∣∣∣∣==

n+1∑k=1

1

k+

n+1∑k=2

1

k→ +∞ .

13

Page 14: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

A részletösszeg-sorozat páratlan index¶ részsorozata divergens, mert a harmonikus sor

divergens. A továbbiakban a páros index¶ részsorozatot vizsgáljuk.

s2n =2n∑k=1

|xk+1 − xk| =

= |x2 − x1|+|x3 − x2|+|x4 − x3|+. . .+|x2n−1 − x2n−2|+|x2n − x2n−1|+|x2n+1 − x2n| =

= |0−1|+∣∣∣∣12−0

∣∣∣∣+∣∣∣∣0− 1

2

∣∣∣∣+. . .+∣∣∣∣ 2

(2n−1)+1−0∣∣∣∣+∣∣∣∣0− 2

(2n−1)+1

∣∣∣∣+∣∣∣∣ 2

(2n+1)+1−0∣∣∣∣=

=n∑

k=1

1

k+

n+1∑k=2

1

k→ +∞ .

Tehát a∞∑n=1

|xn+1 − xn| végtelen sor divergens, ezért az (xn) sorozat nem korlátos

változású.

3.2.2. Példa.

yn :=(−1)n

n, ahol n ∈ N+.

Az (yn) sorozat zérussorozat, de nem monoton. Az a sejtésünk, hogy (yn) nem korlátos

változású.

yn+1 − yn =(−1)n+1

n+ 1− (−1)n

n= (−1)n+1

(1

n+ 1+

1

n

)|yn+1 − yn| =

1

n+ 1+

1

n>

1

n.

A∞∑n=1

|yn+1 − yn| végtelen sornak minoráns sora∞∑n=1

1n, ami divergens, ezért

∞∑n=1

|yn+1 − yn|

is divergens. Következésképpen (yn) nem korlátos változású.

3.2.3. Példa.

zn :=n∑

i=1

(−1)i+11

i, ahol n ∈ N+.

A (zn) sorozat vajon korlátos változású-e? Ehhez nézzük két egymás melletti tag különb-

ségét.

zn+1 − zn = (−1)n+2 1

n+ 1.

14

Page 15: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Ekkor az eltérés abszolút értéke

|zn+1 − zn| =1

n+ 1.

Tehát∞∑n=1

|zn+1 − zn| =∞∑n=1

1

n+ 1.

A∞∑n=1

1n+1

végtelen sor divergens, ezért (zn) nem korlátos változású.

A (zn) sorozatról megmutatjuk, hogy konvergens, és a határértéke ln 2. (zn) konver-

genciájában azért lehetünk biztosak, mert∞∑i=1

(−1)i+1 1iLeibniz-típusú sor. Már csak azt

kell belátni, hogy zn → ln 2, azaz∞∑i=1

(−1)i+1 1i= ln 2. Ehhez nézzük az f(x) := ln(1 + x),

D(f) := (−1,∞) függvény 0 középpontú Taylor-sorát:

T (x) := x− x2

2+x3

3− x4

4+ . . . =

∞∑n=0

(−1)n+1xn

n.

Tehát a fenti hatványsor együttható-sorozata a0 := 0, an := (−1)n+1

n, n ∈ N+ s ekkor a

konvergenciasugár

R =1

lim supn→∞

n

√∣∣∣ (−1)n+1

n

∣∣∣ = 1,

konvergenciahalmaza (−1, 1].

A hatványsorokra vonatkozó Abel-tétel alkalmazásával vizsgáljuk meg a konvergenciahal-

maz végpontjait. Az |x| < 1 kvóciens¶ mértani sor összegére vonatkozó

1

1 + x=∞∑n=0

(−x)n =∞∑n=0

(−1)nxn, |x| < 1

egyenl®ség mindkét oldalának primitív függvényét véve a (−1, 1) intervallumon, az alábbi

összefüggést kapjuk:

ln(1 + x) =∞∑n=1

(−1)n xn+1

n+ 1+ c, ahol |x| < 1.

A c konstans értékét az x := 0 helyettesítéssel kaphatjuk meg, c=0, vagyis

ln(1 + x) =∞∑n=1

(−1)n+1xn

n, ha − 1 < x < 1.

15

Page 16: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

A jobb oldali hatványsor x = 1 esetén konvergens, mindkét függvény x = 1 esetén folyto-

nos, ezért az Abel-tétel alapján

ln 2 =∞∑n=1

(−1)n+1

n.

3.2.4. Megjegyzés. A∞∑n=1

(−1)n+1 1nvégtelen sor konvergenciájának létezik elemi bizo-

nyítása is, mely több lépésb®l áll.

Tekintsük az (xn) sorozatot, melynek tagjai az alábbi formában állnak el®:

xn := 1 +1

2+

1

3+ . . .+

1

n− lnn, ahol n ∈ N+.

1. Állítás. xn ≥ 1n, ahol n ∈ N+.

Bizonyítás: Az egyenl®tlenséget teljes indukcióval bizonyítjuk. Az els® tagra igaz

az állítás.

x1 = 1 ≥ 1.

Tegyük fel, hogy n-re és annál kisebb indexek mindegyikére teljesül az állítás. Ekkor

írjuk fel n+ 1-re a bizonyítandó egyenl®tlenséget.

xn+1 ≥1

n+ 1.

xn+1 = 1 +1

2+ . . .+

1

n+ 1− ln(n+ 1) =(

1 +1

2+ . . .+

1

n− lnn

)+ lnn+

1

n+ 1− ln(n+ 1).

Az indukciós feltétel szerint elég igazolni, hogy

1

n+ lnn+

1

n+ 1− ln(n+ 1) ≥ 1

n+ 11

n≥ ln(n+ 1)− lnn = ln

n+ 1

n= ln

(1 +

1

n

)1 ≥ n · ln

(1 +

1

n

)= ln

(1 +

1

n

)n

︸ ︷︷ ︸<e

.

Az(1 + 1

n

)nsorozatról tudjuk, hogy monoton növ® módon tart az e számhoz. Ezzel

igazoltuk, hogy (xn) alulról korlátos, hiszen minden tagja pozitív. �

Vizsgáljuk meg a sorozatot monotonitás szempontjából.

16

Page 17: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

2. Állítás. xn+1 < xn, n ∈ N+.

Bizonyítás:

1 +1

2+ . . .+

1

n+ 1− ln(n+ 1) < 1 +

1

2+ . . .+

1

n− lnn

1

n+ 1< ln(n+ 1)− lnn = ln

n+ 1

n= ln

(1 +

1

n

)1 < (n+ 1) · ln

(1 +

1

n

)= ln

(1 +

1

n

)n+1

.

Az(1 + 1

n

)n+1sorozatról tudjuk, hogy szigorúan monoton csökken® módon tart az

e számhoz. Tehát (xn) szigorúan monoton fogyó. Ezzel az állítást igazoltuk. �

Az (xn) sorozat szigorúan monoton csökken®, és alulról korlátos, így konvergens.

A C := limn→∞

xn ∈ R határértéket Euler-Mascheroni konstansnak nevezzük, értéke

C ≈ 0, 5772156649.

3. Állítás. limn→∞

(1

n+1+ . . .+ 1

2n

)= ln 2.

Bizonyítás: A korábban de�niált (xn) sorozat konvergens, ezért (x2n − xn) null-

sorozat, hiszen limn→∞

(xn) = limn→∞

(x2n) ∈ R, vagyis

x2n − xn =

[(1 +

1

2+ . . .+

1

2n

)− ln 2n

]−[(

1 +1

2+ . . .+

1

n

)− lnn

]=

=1

n+ 1+ . . .+

1

2n− ln 2→ 0.

Ebb®l következik, hogy 1n+1

+ . . .+ 12n→ ln 2. �

4. Állítás.∞∑n=1

(−1)n+1

n= ln 2.

Bizonyítás: Legyen zn :=n∑

k=1

(−1)k+1

k, ahol n ∈ N+. Nézzük a zn sorozat páros,

majd a páratlan index¶ tagjait:

z2n = 1− 1

2+

1

3− 1

4+ . . .− 1

2n=

=

(1 +

1

2+ . . .+

1

2n

)− 2

(1

2+

1

4+ . . .+

1

2n

)=

1

n+ 1+ . . .+

1

2n→ ln 2,

z2n+1 = z2n +1

2n+ 1→ ln 2.

Ebb®l következik, hogy zn → ln 2, s így∞∑n=1

(−1)n+1 1n= ln 2. �

17

Page 18: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

4. fejezet

Abel és Dirichlet tétele

4.1. Abel-átrendezés, Abel-egyenl®tlenségek

4.1.1. Tétel (Abel-átrendezés). Legyenek ck, dk, k = 1, . . . , n valós számok, és jelölje

sk ak∑

i=1

di összeget bármely k = 1, . . . , n esetén. Ekkor an∑

k=1

ckdk összeg átrendezhet® a

következ®képpen:

n∑k=1

ckdk =n−1∑k=1

(ck − ck+1)sk + cnsn.

Bizonyítás:n∑

k=1

ckdk = c1d1 + c2d2 + . . .+ cndn = c1s1 + c2(s2 − s1) + . . .+ cn(sn − sn−1) =

(c1 − c2)s1 + (c2 − c3)s2 + . . .+ (cn−1 − cn)sn−1 + cnsn =n−1∑k=1

(ck − ck+1)sk + cnsn.

Ezzel a tételt beláttuk. �

4.1.2. Tétel (I. Abel-egyenl®tlenség). Legyenek ck, dk, k = 1, . . . , n olyan valós szá-

mok, melyekre a (ck) véges sorozat monoton fogyó és nemnegatív tagú, továbbá m ≤k∑

i=1

di ≤M bármely k = 1, . . . , n esetén. Ekkor igaz a következ® egyenl®tlenség:

c1 ·m ≤n∑

k=1

ckdk ≤ c1 ·M.

Bizonyítás: A tétel feltétele szerint

m ≤k∑

i=1

di ≤M,

18

Page 19: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

ami ekvivalens azzal, hogy m ≤ sk ≤ M , ahol sk :=k∑

i=1

di, k = 1, . . . , n. Az Abel-

átrendezést alkalmazva an∑

k=1

ckdk = (c1 − c2)s1 + (c2 − c3)s2 + . . .+ (cn−1 − cn)sn−1 + cnsn

összegben minden sk helyére M -et írva fels® becslést kapunk, mert a tétel másik feltétele

szerint a (ck) sorozatról megköveteljük, hogy monoton fogyó legyen, és ennek köszönhet®en

az összegben szerepl® (ci − ci+1), i = 1, . . . , n − 1 és cn egyike sem lesz negatív. Végül a

következ®t kapjuk fels® becslésként:n∑

k=1

ckdk ≤ (c1 − c2)M + (c2 − c3)M + . . .+ (cn−1 − cn)M + cnM = c1 ·M.

Ezzel igazoltuk a tétel második egyenl®tlenségét.

Az els® hasonlóan kihozható, hiszen ha an∑

k=1

ckdk = (c1 − c2)s1 + (c2 − c3)s2 + . . .+ (cn−1 − cn)sn−1 + cnsn

összegben minden sk helyérem-et írunk, akkor az összeget alulról becsüljük, hiszenm ≤ sk

minden k = 1, . . . , n esetén, így az alábbi alsó becsléshez jutunk:

c1 ·m = (c1 − c2)m+ (c2 − c3)m+ . . .+ (cn−1 − cn)m+ cnm ≤n∑

k=1

ckdk.

Ezzel igazoltuk a tétel els® egyenl®tlenségét is. �

4.1.3. Következmény. Legyenek a ck, dk, k = 1, . . . , n olyan valós számok, melyekre

a (ck) véges sorozat monoton fogyó és nemnegatív tagú, valamint

∣∣∣∣ k∑i=1

di

∣∣∣∣ ≤ M bármely

k = 1, . . . , n esetén. Ekkor igaz a következ® egyenl®tlenség:∣∣∣∣∣n∑

k=1

ckdk

∣∣∣∣∣ ≤ c1 ·M.

Az el®z®ekhez hasonló becslés adható akkor is, ha a (ck) véges sorozat nem állandó

el®jel¶.

4.1.4. Tétel (II. Abel-egyenl®tlenség). Legyenek a ck, dk, k = 1, . . . , n olyan valós

számok, melyekre a (ck) véges sorozat monoton és

∣∣∣∣ k∑i=1

di

∣∣∣∣ ≤ M bármely k = 1, . . . , n

esetén. Ekkor igaz a következ® egyenl®tlenség:∣∣∣∣∣n∑

k=1

ckdk

∣∣∣∣∣ ≤ (|c1|+ 2 |cn|) ·M.

19

Page 20: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Bizonyítás: Tegyük fel, hogy (ck)monoton fogyó véges sorozat, ebben az esetben nyilván

teljesül, hogy

c1 − cn ≥ c2 − cn ≥ . . . ≥ cn−1 − cn ≥ 0.

Ekkor az I. Abel-egyenl®tlenség következményének felhasználásával az alábbi összefüggés-

hez jutunk: ∣∣∣∣∣n∑

k=1

(ck − cn)dk

∣∣∣∣∣ ≤ (c1 − cn) ·M.

Ebb®l következik, hogy∣∣∣∣∣n∑

k=1

ckdk

∣∣∣∣∣ =∣∣∣∣∣

n∑k=1

(ck − cn)dk +n∑

k=1

cndk

∣∣∣∣∣ ≤≤

∣∣∣∣∣n∑

k=1

(ck − cn)dk

∣∣∣∣∣+ |cn| ·∣∣∣∣∣

n∑k=1

dk

∣∣∣∣∣ ≤ ( c1 − cn︸ ︷︷ ︸≤|c1|+|cn|

) ·M + |cn| ·M ≤ (|c1|+ 2 |cn|) ·M.

Ha (ck) monoton növ® véges sorozat, akkor (−ck) monoton fogyó, ezért alkalmazhatjuk

a már bizonyított monoton fogyó eset becslését:∣∣∣∣∣n∑

k=1

ckdk

∣∣∣∣∣ =∣∣∣∣∣

n∑k=1

(−ck)dk

∣∣∣∣∣ ≤ (|−c1|+ 2 |−cn|) ·M = (|c1|+ 2 |cn|) ·M.

Ezzel a tételt beláttuk. �

4.2. Abel és Dirichlet tétele

4.2.1. Tétel (Dirichlet-tétel). Tegyük fel, hogy a (zn) sorozat (sn) részletösszeg-soro-

zata korlátos, továbbá (yn) korlátos változású nullsorozat. Ekkor a

∞∑n=1

sn(yn − yn+1) és a∞∑n=1

(ynzn)

végtelen sorok konvergensek, és az összegük egyenl®.

Bizonyítás: Tekintsük a∞∑n=1

sn(yn − yn+1) végtelen sort. Az (sn) részletösszeg-sorozat

korlátos, tehát létezik olyan K ∈ R, melyre |sn| ≤ K minden n indexre. Az (yn) so-

rozat korlátos változású, így a de�níció szerint a∞∑n=1

|yn − yn+1| végtelen sor konvergens.

20

Page 21: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Tekintsük a∞∑n=1

|sn(yn − yn+1)| végtelen sor részletösszegeit.

n∑k=1

|sk(yk − yk+1)| =n∑

k=1

|sk| · |yk − yk+1| ≤ K

n∑k=1

|yk − yk+1| ≤ K

∞∑k=1

|yk − yk+1| ∈ R.

∞∑k=1

|sk(yk − yk+1)| részletösszegei felülr®l korlátosak, ezért ez a végtelen sor konvergens,

azaz∞∑k=1

sk(yk − yk+1) abszolút konvergens.

Ez másképp is bizonyítható. Használjuk a Cauchy-konvergenciakritériumot, melynek

segítségével belátható, hogy a∞∑n=1

sn(yn − yn+1) végtelen sor abszolút konvergens. A tétel

feltétele szerint a (zn) sorozat (sn) részletösszeg-sorozata korlátos, tehát létezik olyan K

valós szám, melyre |sn| ≤ K minden n indexre. Feltettük továbbá, hogy (yn) korlátos vál-

tozású, ezért∞∑n=1

|yn − yn+1| konvergens. A Cauchy-konvergenciakritérium szerint bármely

ε ∈ R+ számhoz található olyan N εKindex, hogy minden N ε

K≤ m < n indexre

n∑k=m+1

|yk − yk+1| <ε

K.

Ekkorn∑

k=m+1

|sk(yk − yk+1)| =n∑

k=m+1

|sk| · |yk − yk+1| ≤ Kn∑

k=m+1

|yk − yk+1| < K · εK

= ε.

Így a Cauchy-kritérium szerint a∞∑n=1

sn(yn − yn+1) végtelen sor abszolút konvergens.

Az Abel-átrendezés szerintn∑

k=1

ykzk = ynsn +n−1∑k=1

sk(yk − yk+1).

Mivel (yn) nullsorozat és (sn) korlátos, ezért limn→∞

ynsn = 0, így a bal oldalon álló sorozat

is konvergens, és az el®z® egyenl®ség mindekét oldalának határértékét képezve

limn→∞

n∑k=1

ykzk︸ ︷︷ ︸∞∑

k=1ykzk

= limn→∞

ynsn︸ ︷︷ ︸0

+ limn→∞

n−1∑k=1

sk(yk − yk+1)︸ ︷︷ ︸∞∑

k=1sk(yk−yk+1)

.

Tehát a∞∑n=1

sn(yn − yn+1) és a∞∑n=1

(ynzn) végtelen sorok összege egyenl®. Ezzel a Dirichlet-

tételt beláttuk. �

Milyen elegend® feltétel adható, hogy x valós szám és (yn) számsorozat esetén az

(yn sinnx), illetve az (yn cosnx) sorozatból képzett végtelen sorok konvergensek legyenek?

21

Page 22: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

4.2.2. Példa. A∞∑n=1

sinnx végtelen sor részletösszeg-sorozata korlátos, ahol x ∈ R.

Ha x 6= 2lπ, l ∈ Z, akkor an∑

k=1

sin kx részletösszeget a 2 sin x2kifejezéssel b®vítve, majd a

cos(α + β)− cos(α− β) = −2 sinα · sin β, α, β ∈ R

addíciós képletet alkalmazva az alábbit kapjuk:∣∣∣∣∣n∑

k=1

sin kx

∣∣∣∣∣ =∣∣∣∣∣ 1

2 sin x2

n∑k=1

2 sin kx sinx

2

∣∣∣∣∣ ==

∣∣∣∣∣ 1

2 sin x2

n∑k=1

[cos

(k − 1

2

)x− cos

(k +

1

2

)x

]∣∣∣∣∣ .Az utolsó összeg teleszkópos, ezért(

cos1

2x− cos

3

2x

)+

(cos

3

2x− cos

5

2x

)+ . . .+

(cos

(n− 1

2

)− cos

(n+

1

2

))=

= cos1

2x− cos

(n+

1

2

)x.

A fenti összefüggést felhasználva, majd a háromszög-egyenl®tlenséget alkalmazva a követ-

kez® egyenl®tlenséghez jutunk:∣∣∣∣∣n∑

k=1

sin kx

∣∣∣∣∣ =∣∣∣∣ 1

2 sin x2

∣∣∣∣ · ∣∣∣∣cos x2 − cos

(n+

1

2

)x

∣∣∣∣ ≤≤∣∣∣∣ 1

2 sin x2

∣∣∣∣ · [∣∣∣cos x2 ∣∣∣+∣∣∣∣cos(n+

1

2

)x

∣∣∣∣] ≤ ∣∣∣∣ 1

sin x2

∣∣∣∣ .Tehát

∞∑n=1

sinnx részletösszeg-sorozata felülr®l korlátos, ha x ∈ R és x 6= 2lπ, l ∈ Z.

Ha x = 2lπ, l ∈ Z alakú, akkor a végtelen sor minden tagja 0, így a részletösszeg-

sorozat felülr®l korlátos.

4.2.3. Példa. Hasonlóan belátható, hogy∞∑n=1

cosnx részletösszeg-sorozata felülr®l korlá-

tos, ha x 6= 2lπ, l ∈ Z. ∣∣∣∣∣n∑

k=1

cos kx

∣∣∣∣∣ =∣∣∣∣∣ 1

2 sin x2

n∑k=1

2 cos kx sinx

2

∣∣∣∣∣ ==

∣∣∣∣∣ 1

2 sin x2

n∑k=1

[sin

(k +

1

2

)x− sin

(k − 1

2

)x

]∣∣∣∣∣ =∣∣∣∣ 1

2 sin x2

∣∣∣∣ · ∣∣∣∣sin(n+1

2

)x− sin

x

2

∣∣∣∣ ≤≤∣∣∣∣ 1

2 sin x2

∣∣∣∣ · [∣∣∣∣sin(n+1

2

)x

∣∣∣∣+ ∣∣∣sin x2 ∣∣∣]≤∣∣∣∣ 1

sin x2

∣∣∣∣ .Ha x = 2lπ, l ∈ Z, akkor a részletösszeg-sorozat felülr®l nem korlátos.

22

Page 23: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

4.2.4. Példa. Ha (yn) korlátos változású nullsorozat, akkor minden x ∈ R esetén a∞∑n=1

yn sinnx végtelen sor konvergens.

4.2.5. Példa. Ha (yn) korlátos változású nullsorozat, akkor minden x ∈ R, x 6= 2lπ

esetén a∞∑n=1

yn cosnx végtelen sor konvergens.

A Dirichlet-tétel egy speciális esete az alábbi következmény.

4.2.6. Következmény. Tegyük fel, hogy

• az (yn) sorozat monoton csökken® zérussorozat, és

• a∞∑n=1

zn végtelen sor részletösszegeinek sorozata korlátos.

Ekkor a∞∑n=1

ynzn végtelen sor konvergens.

Bizonyítás: Az (yn) zérussorozat korlátos, így a feltétel szerint monoton és korlátos,

tehát korlátos változású. �

4.2.7. Tétel (Abel-tétel). Legyen (yn) korlátos változású sorozat, és a∞∑n=1

(zn) végtelen

sor konvergens, ekkor a∞∑n=1

(ynzn) végtelen sor konvergens.

Bizonyítás: Az (yn) sorozat korlátos változású, ezért konvergens. Jelölje (sn) a∞∑n=1

(zn)

végtelen sor részletösszeg-sorozatát. Mivel a∞∑n=1

(zn) végtelen sor konvergens, ezért (sn)

konvergens. Ekkor vizsgáljuk a limn→∞

(yn · sn) határértéket:

limn→∞

(yn · sn) = limn→∞

yn · limn→∞

sn = limn→∞

yn ·∞∑n=1

(zn).

Tehát fent két konvergens sorozat szorzata szerepel, s ekkor (yn · sn) konvergens és a

határértéke megegyezik a két tényez® határértékének szorzatával. Ahogy a Dirichlet-tétel

bizonyításában láttuk, az Abel-átrendezést alkalmazva minden n indexre

n∑k=1

ykzk = ynsn +n−1∑k=1

sk(yk − yk+1).

A jobb oldali második tag konvergens, ami pontosan úgy bizonyítható,mint a Dirichlet-

tétel bizonyításában. Mivel a jobb oldali összeg mindkét tagja konvergens,ezért a∞∑n=1

(ynzn)

végtelen sor konvergens. �

Az Abel-tétel egy speciális esete az alábbi következmény.

23

Page 24: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

4.2.8. Következmény. Tegyük fel, hogy

• az (yn) sorozat monoton és korlátos, és

• a∞∑n=1

zn végtelen sor konvergens.

Ekkor a∞∑n=1

ynzn végtelen sor is konvergens.

Bizonyítás: Az (yn) sorozat monoton és korlátos, tehát korlátos változású. �

4.2.9. Állítás. Ha (zn) monoton fogyó sorozat, akkor(z1+...+zn

n

)is monoton fogyó.

Bizonyítás: Azt kell igazolnunk, hogy

z1 + . . .+ znn

≥ z1 + . . .+ zn+1

n+ 1, n ∈ N+.

Ekvivalens átalakítással a következ®t kapjuk:

(n+ 1) · z1 + . . .+ (n+ 1) · zn ≥ n · z1 + . . .+ n · zn + n · zn+1,

z1 + . . .+ zn ≥ n · zn+1.

A (zn) sorozat monoton fogyó, ezért

z1 ≥ zn+1,

z2 ≥ zn+1,

...

zn ≥ zn+1.

Ebb®l következik, hogy z1 + . . . + zn ≥ n · zn+1. Ezzel igazoltuk, hogy a monoton fogyó

(zn) sorozat számtaniközép-sorozata is monoton fogyó. �

4.2.10. Megjegyzés. Hasonlóan belátható, hogy monoton növ® sorozat számtaniközép-

sorozata is monoton növ®.

4.2.11. Példa. A∞∑n=1

sinnn

(1 + 1

2+ . . .+ 1

n

)végtelen sor konvergens.

A 4.2.2. példából tudjuk, hogy∣∣∣∣∣n∑

k=1

sin kx

∣∣∣∣∣ ≤∣∣∣∣ 1

sin x2

∣∣∣∣ , x 6= 2lπ, l ∈ Z.

24

Page 25: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Ezt x = 1 esetén alkalmazva a következ®t kapjuk:∣∣∣∣∣n∑

k=1

sin k

∣∣∣∣∣ ≤∣∣∣∣ 1

sin 12

∣∣∣∣ .Tehát a

∞∑n=1

sinn végtelen sor részletösszeg-sorozata korlátos.

Még megmutatjuk, hogy az(

1+ 12+...+ 1

n

n

)sorozat korlátos változású nullsorozat. A 4.2.9.

állításból arra következtethetünk, hogy mivel ( 1n) monoton fogyó, ezért

(1+ 1

2+...+ 1

n

n

)is

monoton fogyó. Már csak azt kell belátnunk, hogy ez a számtaniközép-sorozat nullsorozat.

Ehhez vegyük az 1xfüggvény [1, n] intervallumon vett Riemann-integráljának becslését az

alábbi módon:

lnn =

∫ n

1

1

xdx >

1

2+ . . .+

1

n,

lnn+ 1 > 1 +1

2+ . . .+

1

n.

Ekkor felírható, hogy

0 <1 + 1

2+ . . .+ 1

n

n<

lnn+ 1

n→ 0.

A rend®r-elv szerint az(

1+ 12+...+ 1

n

n

)sorozat nullsorozat, továbbá monoton fogyó, ezért kor-

látos változású. Tehát alkalmazható a Dirichlet-tétel, a∞∑n=1

sinnn

(1 + 1

2+ . . .+ 1

n

)végtelen

sor konvergens.

25

Page 26: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

A 7.1.2. tétel bizonyítása szerint minden konvergens sorozat számtaniközép-sorozata

is konvergens, és a két határérték megegyezik.

4.2.12. Példa. A∞∑n=1

cosn·sin(na)n

végtelen sor bármely a ∈ R esetén konvergens.

Vegyük észre, hogy a

sinα · cos β =1

2

(sin(α + β) + sin(α− β)

)addíciós tételt alkalmazva a következ®höz jutunk:

cosn·sin(na)n

= 12

(sin(n(a+1))+sin(n(a−1))

n

)= 1

2n· sin(n(a+ 1)) + 1

2n· sin(n(a− 1)).

Itt a∞∑k=1

sin(k(a+ 1)

)és

∞∑k=1

sin(k(a− 1)

)végtelen sorok részletösszeg-sorozatai a 4.2.2.

példa alapján korlátosak. Az(

12n

)sorozatról tudjuk, hogy monoton fogyó módon tart a

nullába. Tehát alkalmazható a Dirichlet-tétel következménye, a∞∑n=1

cosn·sin(na)n

végtelen sor

konvergens.

4.2.13. Példa. A∞∑n=1

(−1)n arctann√n

végtelen sor konvergens.

Az (arctann) sorozat monoton növ® és korlátos, tehát konvergens, a határértéke pedig

limn→∞

arctann =π

2.

Az ( 1√n) sorozat monoton fogyó és nemnegatív tagú, így a

∞∑n=1

(−1)n 1√nvégtelen sor

Leibniz-típusú. Mivel limn→∞

1√n

= 0, ezért∞∑n=1

(−1)n 1√nkonvergens. Tehát alkalmazható

az Abel-tétel következménye, s így a vizsgált végtelen sor konvergens.

4.2.14. Példa. A∞∑n=1

(−1)nn√lnxn

végtelen sor konvergens, ha x > 1.

A 3.2.4. megjegyzés 4. állításából tudjuk, hogy a∞∑n=1

(−1)nn

végtelen sor konvergens, összege

− ln 2. Az ( n√lnx) sorozat korlátos, és ha x > e, akkor szigorúan monoton csökken®, míg az

1 < x < e esetén szigorúan monoton növekv®. Alkalmazható az Abel-tétel következménye,

a∞∑n=1

(−1)nn√lnxn

végtelen sor konvergens.

26

Page 27: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

5. fejezet

Függvénysorozatok és függvénysorok

5.1. Függvénysorozatok

5.1.1. De�níció (Függvénysorozat). Egy olyan hozzárendelést, mely minden n ter-

mészetes számhoz egy valós f függvényt rendel, függvénysorozatnak hívjuk, és a követke-

z®képp jelöljük: (fn).

5.1.2. De�níció (Egyenletes korlátosság). Legyen (fn) függvénysorozat és D(fn) =

H, n ∈ N+. Ezt a függvénysorozatot egyenletesen korlátosnak nevezzük, ha létezik olyan

K valós szám, hogy bármely n index esetén minden x ∈ H elemre |fn(x)| ≤ K.

5.1.3. De�níció (Pontonkénti konvergencia). Legyen (fn) függvénysorozat, melyre

D(fn) = H, n ∈ N+. Az (fn) függvénysorozat pontonként konvergál az f : H → R

függvényhez, ha a H halmaz minden x elemére teljesül

limn→∞

fn(x) = f(x).

Jelölés: fn → f .

5.1.4. De�níció (Egyenletes konvergencia). Legyen (fn) függvénysorozat és f valós

függvény, melyekre D(fn) = D(f) = H, n ∈ N+. Az (fn) függvénysorozat egyenletesen

konvergens a H halmazon, ha minden ε ∈ R+ számhoz található Nε ∈ N+ küszöbindex,

hogy bármely n ∈ N+, n ≥ Nε esetén minden x ∈ H elemre teljesül

|fn(x)− f(x)| < ε.

Jelölés: fn f .

27

Page 28: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

5.1.5. Állítás. Ha az (fn) függvénysorozat egyenletesen konvergens a H halmazon, akkor

pontonként is.

Bizonyítás: Ha a függvénysorozat egyenletesen konvergens, akkor annak de�nícióját

bármely rögzített x ∈ H elemre alkalmazva azt kapjuk, hogy az (fn(x)) számsorozat

konvergens. �

5.1.6. Tétel (Cauchy-konvergenciakritérium). Az (fn) függvénysorozat akkor és

csak akkor konvergál egyenletesen a H halmazon, ha bármely ε ∈ R+ számhoz található

olyan N ∈ N+ küszöbindex, hogy minden n,m ≥ N index esetén bármely x ∈ H elemre

teljesül

|fn(x)− fm(x)| < ε.

Bizonyítás: Tegyük fel, hogy fn f a H halmazon, tehát bármely ε ∈ R+ számhoz

található olyan Nε ∈ N+ küszöbindex, hogy bármely n ≥ Nε indexre és minden x ∈ H

elemre teljesül, hogy |fn(x)− f(x)| < ε. Ekkor az ε2∈ R+ számhoz is választható olyan

N ε2∈ N+ küszöbindex, hogy n ≥ N ε

2index esetén bármely x ∈ H elemre |fn(x)− f(x)| <

ε2. Ezek után a háromszög-egyenl®tlenség alkalmazásával minden x ∈ H elemre és bármely

n,m ≥ N ε2indexek esetén teljesülnek az alábbiak:

|fn(x)− fm(x)| = |fn(x)− f(x) + f(x)− fm(x)| ≤

≤ |fn(x)− f(x)|+ |f(x)− fm(x)| <ε

2+ε

2= ε.

A másik irány belátásához elegend® felismerni, hogy adott x ∈ H elemre az (fn(x))

számsorozatra teljesül a Cauchy-konvergenciakritérium feltétele. Ezért az (fn(x)) szám-

sorozat konvergens, és ekkor legyen f : H → R az a függvény, amelyre minden x ∈ H

elemre

f(x) := limn→∞

fn(x).

A továbbiakban azt látjuk be, hogy fn f a H halmazon. Adott ε ∈ R+ számhoz

található olyan N∗ε2∈ N+ küszöbindex, hogy minden n,m ≥ N∗ε

2indexre és bármely x ∈ H

elemre teljesül |fn(x)− fm(x)| < ε2. Legyen n ≥ N∗ε

2adott index és x ∈ H rögzített elem,

ekkor m→ +∞ esetén

|fn(x)− f(x)| = limm→∞

|fn(x)− fm(x)| ≤ε

2< ε.

28

Page 29: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Következésképpen fn f a H halmazon, s ezzel a Cauchy-konvergenciakritériumot be-

láttuk. �

A továbbiakban olyan példát mutatunk, ahol az fn : [0, 1] → R függvénysorozat

pontonként konvergál a 0 konstansfüggvényhez, de egyenletesen nem konvergens.

5.1.7. Példa.

fn(x) :=

2nx, ha 0 ≤ x ≤ 1

2n,

2− 2nx, ha 12n< x ≤ 1

n,

0, ha 1n< x ≤ 1.

Ha 1 ≥ x > 0, akkor található olyan N ∈ N+, hogy 1N< x. Ha n ≥ N , akkor

1n≤ 1

N< x, ezért fn(x) = 0. Következésképpen (fn(x)) egy indext®l kezdve a nulla

konstans sorozat, így fn(x)→ 0. Ha x = 0, akkor minden n indexre fn(x) = 0.

Tehát az f(x) := 0, D(f) = [0, 1] konstansfüggvény a függvénysorozat limeszfüggvé-

nye, így csak ehhez a függvényhez konvergálhatna egyenletesen. Indirekt módon tegyük

fel, hogy egyenletesen konvergál, s ekkor teljesülni kellene annak, hogy minden ε ∈ R+

számhoz található Nε ∈ N+ küszöbindex, hogy bármely n ∈ N+, n ≥ Nε esetén, minden

x ∈ [0, 1] elemre

|fn(x)− f(x)| = |fn(x)| < ε.

29

Page 30: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Ellentmondásra jutunk ε < 1 esetén, hiszen ha x := 12n, akkor fn(x) = 1. Tehát (fn) nem

tart egyenletesen a 0 függvényhez.

5.2. Függvénysorok

Legyen az (fn) függvénysorozat tagjainak a H nemüres halmaz a közös értelmezési

tartománya. Ezen függvények végtelen összegét függvénysornak nevezzük, és az alábbi

módon jelöljük:

∞∑n=1

fn = f1 + f2 + . . .+ fn + . . . .

5.2.1. De�níció. Legyen az (fn) függvénysorozat tagjainak a H nemüres halmaz a közös

értelmezési tartománya. Az olyan x ∈ H elemek halmazát, melyekre∞∑n=1

fn(x) konvergens,

a∞∑n=1

fn függvénysor konvergenciahalmazának nevezzük és K-val jelöljük.

A függvénysor összegfüggvénye az a K halmazon értelmezett f függvény, melyre

f(x) :=∞∑n=1

fn(x), x ∈ K.

Ekkor azt mondjuk, hogy a∞∑n=1

fn függvénysor pontonként konvergál a K halmazon,

és összegfüggvénye az f függvény.

Tehát∞∑n=1

fn = f akkor és csak akkor teljesül, ha az sn :=n∑

k=1

fk, n ∈ N+ függvényekb®l

álló függvénysorozat pontonként konvergál az f függvényhez a K halmazon.

5.2.2. De�níció (Egyenletes konvergencia). A∞∑n=1

fn függvénysort egyenletesen kon-

vergensnek mondjuk a H halmazon, ha az (sn) függvénysorozat egyenletesen konvergens

a H halmazon.

5.2.3. De�níció (Abszolút konvergencia). Azt mondjuk, hogy a∞∑n=1

fn függvénysor

abszolút konvergens a H halmazon, ha∞∑n=1

|fn| pontonként konvergens a H halmazon.

30

Page 31: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

5.2.4. Tétel (Cauchy-konvergenciakritérium). A∞∑n=1

fn függvénysor akkor és csak

akkor konvergál egyenletesen a H halmazon, ha bármely ε ∈ R+ számhoz található olyan

Nε ∈ N+, hogy Nε ≤ m ≤ n indexek esetén bármely x ∈ H elemre teljesül∣∣∣∣∣n∑

k=m+1

fk(x)

∣∣∣∣∣ < ε.

Bizonyítás: A függvénysorozatokra vonatkozó Cauchy-konvergenciakritériumból köny-

nyen adódik a fenti tétel bizonyítása. �

31

Page 32: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

6. fejezet

Abel és Dirichlet tétele függvénysorokra

6.1. Dirichlet tétele

6.1.1. Tétel (Dirichlet-tétel függvénysorokra). Legyen H ⊂ R adott halmaz, to-

vábbá legyenek minden n ∈ N+ esetén az fn : H → R és gn : H → R függvények.

Tegyük fel, hogy

• bármely x ∈ H elemre az (fn(x)) sorozat monoton,

• a H halmazon az (fn) függvénysorozat egyenletesen tart a nullába,

• a∞∑n=1

gn függvénysor (sn) részletösszeg-sorozata egyenletesen korlátos a H halmazon.

Ekkor a∞∑n=1

fngn függvénysor egyenletesen konvergens a H halmazon.

Bizonyítás: A tétel harmadik feltétele szerint∞∑n=1

gn részletösszeg-sorozata egyenletesen

korlátos, ahol az n-edik részletösszeg sn :=n∑

k=1

gk formájú. E feltétel miatt létezik olyan

K ∈ R+ szám, melyre minden n indexre és x ∈ H elemre |sn(x)| ≤ K teljesül. A második

feltétel alapján fn 0 a H halmazon, de�níció szerint ez azt jelenti, hogy bármely ε ∈ R+

számhoz létezik olyan Nε küszöbindex, hogy minden n ≥ Nε indexre és bármely x ∈ H

elemre igaz, hogy

|fn(x)− f(x)| = |fn(x)− 0| = |fn(x)| < ε.

Ekkor létezik olyan N ε2K

küszöbindex, hogy az N ε2K

indext®l kezdve bármely n indexre és

minden x ∈ H elemre |fn(x)| < ε2K

.

32

Page 33: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Az (fn) függvénysorozat egyenletesen tart a nullába, ezért pontonként is, így bármely

x ∈ H elemre az (fn(x)) sorozat állandó el®jel¶. Ezt követ®en ha N ε2K≤ n < m és

x ∈ H adott elem, akkor felhasználható az I. Abel-egyenl®tlenség, miszerint monoton

fogyó nemnegatív tagú (fn(x)) sorozatra

−ε < fn(x) · (−2K) ≤ fn(x)gn(x) + . . .+ fm(x)gm(x) ≤ fn(x) · 2K < ε,

ha (fn(x)) monoton növ® nempozitív tagú, akkor

−ε < −fn(x)︸ ︷︷ ︸|fn(x)|

·(−2K) ≤ −fn(x)gn(x)− . . .− fm(x)gm(x) ≤ −fn(x)︸ ︷︷ ︸|fn(x)|

·2K < ε,

hiszen bármely x ∈ H elemre

|gn(x) + . . .+ gm(x)| = |(g1(x) + . . .+ gm(x))− (g1(x) + . . .+ gn−1(x))| ≤

≤ |sm(x)|+ |sn−1(x)| ≤ 2K.

Így bármely x ∈ H számra igaz

|fn(x)gn(x) + . . .+ fm(x)gm(x)| < ε.

Tehát a∞∑n=1

fngn függvénysor kielégíti a Cauchy-konvergenciakritérium feltételét, s így a

vizsgált függvénysorról elmondható, hogy egyenletesen konvergens. �

6.1.2. Következmény. Tegyük fel, hogy (γn) monoton fogyó zérussorozat, és legyen a∞∑n=1

gn függvénysor (sn) részletösszeg-sorozata egyenletesen korlátos a H halmazon. Ekkor

∞∑n=1

γngn egyenletesen konvergens a H halmazon.

6.2. Abel tétele

6.2.1. Tétel (Abel-tétel függvénysorokra). Legyen H ⊂ R adott halmaz, továbbá le-

gyenek minden n ∈ N+ esetén az fn : H → R és gn : H → R függvények.

Tegyük fel, hogy

• az (fn) függvénysorozat egyenletesen korlátos a H halmazon,

• az (fn(x)) sorozat monoton bármely x ∈ H esetén,

33

Page 34: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

• a∞∑n=1

gn függvénysor egyenletesen konvergens a H halmazon.

Ekkor a∞∑n=1

fngn függvénysor egyenletesen konvergens a H halmazon.

Bizonyítás: Az els® feltétel szerint létezik olyan K ∈ R+, hogy minden n indexre és

bármely x ∈ H elemre |fn(x)| ≤ K. A tétel harmadik feltétele szerint a∞∑n=1

gn függvénysor

egyenletesen konvergens, emiatt a Cauchy-konvergenciakritérium alapján minden ε ∈ R+

számhoz létezik olyan N ε6K

index, hogy m > n ≥ N ε6K

indexek esetén minden x ∈ H

elemre ∣∣∣∣∣m∑i=n

gi(x)

∣∣∣∣∣ < ε

6K.

A tétel második feltételéb®l tudjuk, hogy az (fn(x)) sorozat monoton, így a II. Abel-

egyenl®tlenség alkalmazásával minden m > n ≥ N ε6K

esetén bármely x ∈ H elemre∣∣∣∣∣m∑i=n

fi(x)gi(x)

∣∣∣∣∣ ≤ (|fn(x)|+ 2 |fm(x)|) ·ε

6K≤ ε

2< ε.

Ebb®l következik a függvénysorokra vonatkozó Cauchy-konvergenciakritérium alapján,

hogy a∞∑n=1

fngn függvénysor egyenletesen konvergens a H halmazon. �

6.2.2. Következmény. Legyen az (fn) függvénysorozat egyenletesen korlátos a H hal-

mazon és tegyük fel, hogy minden x ∈ H esetén az (fn(x)) sorozat monoton. Legyen a∞∑n=1

γn végtelen sor konvergens. Ekkor a∞∑n=1

γnfn függvénysor egyenletesen konvergens a H

halmazon.

34

Page 35: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

7. fejezet

Szummábilis sorok és az

Abel-szummáció

7.1. Szummábilis sorok

7.1.1. De�níció (Szummábilis sor). A∞∑n=1

an végtelen sort szummábilis sornak ne-

vezzük, melynek szummája A ∈ R, ha az sn :=n∑

k=1

ak, n ∈ N+ részletösszeg-sorozat

számtaniközép-sorozata konvergens, és a határértéke

limn→∞

s1 + . . .+ snn

= A.

7.1.2. Tétel. Ha a∞∑n=1

an végtelen sor konvergens, és∞∑n=1

an = A, akkor a végtelen sor

szummábilis és a szummája A.

Bizonyítás: Mivel a∞∑n=1

an végtelen sor konvergens és összege A ∈ R, ezért az (sn)

részletösszeg-sorozata konvergens, és sn → A. Ekkor bármely ε ∈ R+ számhoz található

olyan N ε2küszöbindex, hogy minden n ≥ N ε

2indexre |sn − A| < ε

2. Azt kell belátnunk,

hogy(s1+s2+...+sn

n

)is az A számhoz tart.∣∣∣∣s1 + s2 + . . .+ sn

n− A

∣∣∣∣ = ∣∣∣∣s1 + s2 + . . .+ sn − n · An

∣∣∣∣ ==|(s1 − A) + (s2 − A) + . . .+ (sn − A)|

n≤ |s1 − A|+ |s2 − A|+ . . .+ |sn − A|

n.

35

Page 36: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Ha n ≥ N ε2, akkor

|s1 − A|+ |s2 − A|+ . . .+ |sn − A|n

=

=

(|s1 − A|+ . . .+

∣∣∣sN ε2−1 − A

∣∣∣)+ (∣∣∣sN ε2− A

∣∣∣+ . . .+ |sn − A|)

n<

<|s1 − A|+ . . .+

∣∣∣sN ε2−1 − A

∣∣∣n

+(n−N ε

2+ 1) ε

2

n.

A fenti egyenl®tlenségben(n−N ε

2+1)

n≤ 1, és a K := |s1 − A| + . . . +

∣∣∣sN ε2−1 − A

∣∣∣ jelölésthasználva

|s1 − A|+ . . .+∣∣∣sN ε

2−1 − A

∣∣∣n

+(n−N ε

2+ 1) ε

2

n≤ K

n+ε

2.

A jobb oldali összeg akkor és csak akkor kisebb, mint ε, ha

K

n<ε

2, azaz n >

2K

ε.

Ezért bármely ε ∈ R+ számra az

N∗ := max

{N ε

2,

⌈2K

ε

⌉}küszöbindex olyan, hogy minden n ≥ N∗ indexre∣∣∣∣s1 + s2 + . . .+ sn

n− A

∣∣∣∣ < ε.

Tehát az(s1+...+sn

n

)sorozat határértéke szintén A. �

7.1.3. Megjegyzés. A bizonyítás lényege az, hogy egy konvergens sorozat számtaniközép-

sorozata is konvergens, és a határértéke az eredeti sorozat határértéke.

7.1.4. Tétel. Ha a∞∑n=1

an sor szummábilis, akkor snn→ 0.

Bizonyítás: A∞∑n=1

an végtelen sor szummábilis, így

s1 + . . .+ snn

→ A ∈ R.

Ezzel ekvivalens az alábbi felírás:

a1 + (a1 + a2) + (a1 + a2 + a3) + . . .+ (a1 + . . .+ an)

n=

=n · a1 + (n− 1) · a2 + (n− 2) · a3 + . . .+ an

n→ A.

36

Page 37: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Jelölje Sn a következ® sorozatot:

Sn :=s1 + . . .+ sn

n, n ∈ N+,

ekkor Sn → A. Az (n− 1)-edik tagra felírható az alábbi összefüggés:

(n− 1) · Sn−1 = s1 + . . .+ sn−1.

Ezt felhasználva a következ®höz jutunk:

Sn =(n− 1) · Sn−1 + sn

n=n− 1

n· Sn−1 +

snn,

snn

= Sn −n− 1

n· Sn−1 → 0,

mivel limn→∞

n−1n

= 1 és limn→∞

Sn = A. �

7.1.5. Tétel. Ha a∞∑n=1

an sor szummábilis, akkor ann→ 0.

Bizonyítás: A részletösszegek átlaga felírható az alábbi formában:

s1 + . . .+ snn

=n · a1 + (n− 1) · a2 + . . .+ an

n, n ∈ N+.

A fenti egyenl®ségb®l következik, hogy

ann

=s1 + . . .+ sn

n− n · a1 + (n− 1) · a2 + . . .+ 2 · an−1

n.

A második tagban elemi átalakításokat végezve a következ®t kapjuk:

ann

=s1 + . . .+ sn

n−[(n− 1) · a1 + . . .+ an−1

n− 1· n− 1

n+a1 + . . .+ an−1

n− 1· n− 1

n

].

Az el®z® tétel miatt

a1 + . . .+ an−1n− 1

=sn−1n− 1

→ 0,

valamint az el®z® tétel bizonyításának eleje alapján

(n− 1) · a1 + . . .+ an−1n− 1

→ A.

Tudjuk, hogy n−1n→ 1, továbbá s1+...+sn

n→ A, hiszen

∞∑n=1

an szummábilis, és a szummája

A. Ebb®l következik, hogy ann→ 0. �

37

Page 38: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

7.1.6. Példa. Mi mondható a∞∑n=1

(−1)n+1 végtelen sorról szummábilitás szempontjából?

A fenti végtelen sor részletösszegei:

sn =

1, ha n páratlan,

0, ha n páros.

Ekkor a részletösszegek átlaga:

s1 + . . .+ snn

=

k2k, ha n = 2k,

k+12k+1

, ha n = 2k + 1.

Mivel n→∞ esetén k :=⌈n2

⌉→∞, így k

2k→ 1

2és k+1

2k+1→ 1

2, ezért

limn→∞

s1 + . . .+ snn

=1

2.

Tehát a végtelen sor szummábilis, és a szummája 12.

7.1.7. Példa. Szummábilis-e a∞∑i=1

(−1)i+1i végtelen sor?

El®ször nézzük a páros, majd a páratlan index¶ részletösszeget:

s2k = (1− 2)︸ ︷︷ ︸−1

+(3− 4)︸ ︷︷ ︸−1

+ . . .+ ((2k − 1)− 2k)︸ ︷︷ ︸−1

= −k,

s2k+1 = (1− 2)︸ ︷︷ ︸−1

+(3− 4)︸ ︷︷ ︸−1

+ . . .+ ((2k − 1)− 2k)︸ ︷︷ ︸−1

+(2k + 1) = k + 1.

Tekintsük a∞∑i=1

(−1)i+1i végtelen sor részletösszegeinek átlagát. Ha az index páros, akkor

0︷ ︸︸ ︷s1 + s2+

0︷ ︸︸ ︷s3 + s4+ . . .+

0︷ ︸︸ ︷s2k−1 + s2k

2k= 0.

Ha az index páratlan, akkor

0︷ ︸︸ ︷s1 + s2+

0︷ ︸︸ ︷s3 + s4+ . . .+

0︷ ︸︸ ︷s2k−1 + s2k +s2k+1

2k + 1=

s2k+1

2k + 1=

k + 1

2k + 1.

Tehát a következ®t kapjuk:

s1 + . . .+ snn

=

k+12k+1

, ha n = 2k + 1,

0, ha n = 2k.

38

Page 39: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

A páratlan index¶ részsorozat határértéke 12, a páros index¶ részsorozat 0-hoz tart, ezért

a∞∑i=1

(−1)i+1i végtelen sor nem szummábilis.

Itt ann= (−1)n+1n

nnem tart a nullába, a szummábilitás 7.1.5. tételbeli szükséges feltétel

sem teljesül.

7.2. Abel-szummáció

7.2.1. De�níció. A∞∑n=0

an végtelen sorra azt mondjuk, hogy Abel-szummábilis, melynek

Abel-szummája A ∈ R, ha a∞∑n=0

anxn hatványsor konvergens a (−1, 1) intervallumon,

továbbá fennáll, hogy

limx→1−0

∞∑n=0

anxn = A.

7.2.2. Tétel. Ha egy végtelen sor szummábilis és a szummája A, akkor a sor Abel-

szummábilis és az Abel-szummája is A.

Bizonyítás: Els®ként azt kell belátnunk, hogy a∞∑n=0

anxn hatványsor konvergens a (−1, 1)

intervallumon. Ez teljesül, hiszen a∞∑n=0

an végtelen sorról tudjuk, hogy szummábilis, s mint

azt már igazoltuk, ekkor ann→ 0. A határérték de�nícióját ε = 1 esetén alkalmazva azt

kapjuk, hogy egy indext®l kezdve∣∣ann

∣∣ ≤ 1, vagyis |an| < n. Így rögzített x ∈ (−1, 1)

esetén∞∑n=0

anxn majorizálható a

∞∑n=0

n · |xn| végtelen sorral, ezért R := 1

lim supn→∞

n√|n|

= 1

alapján mindkét végtelen sor abszolút konvergens, ha x ∈ (−1, 1).

Már csak azt kell bizonyítani, hogy ha a∞∑n=0

anxn hatványsor összegfüggvénye f(x),

akkor

limx→1−0

f(x) = A.

Ehhez vegyük a∞∑n=0

xn és∞∑n=0

anxn végtelen sorok Cauchy-szorzatát.

∞∑n=0

(n∑

k=0

xkan−kxn−k

)=∞∑n=0

(n∑

k=0

an−kxn

)=∞∑n=0

snxn,

39

Page 40: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

ahol (sn) a∞∑n=0

an végtelen sor részletösszeg-sorozata, azaz

sn :=n∑

i=0

ai, n ∈ N+.

A∞∑n=0

xn és∞∑n=0

anxn hatványsorok abszolút konvergensek a (−1, 1) intervallumon, így

Mertens tétele szerint a Cauchy-szorzatuk is abszolút konvergens, és az összege a sorok

összegeinek szorzata. Tudjuk, hogy minden x ∈ (−1, 1) számra∞∑n=0

xn = 11−x , s ekkor

∞∑n=0

snxn =

f(x)

1− x, x ∈ (−1, 1).

Vegyük a fenti sor Cauchy-szorzatát a∞∑n=0

xn végtelen sorral, s ekkor az el®z® mintájára

azt kapjuk, hogy

∞∑n=0

(s0 + . . .+ sn)xn =

f(x)

1− x· 1

1− x=

f(x)

(1− x)2, x ∈ (−1, 1). (7.1)

A∞∑n=0

an végtelen sorról feltettük, hogy szummábilis, és a szummája A, vagyis

s0+...+snn+1

→ A. Jelölje S∗n az alábbi nullsorozatot:

S∗n :=s0 + . . .+ sn

n+ 1− A.

Ekkor a (7.1) bal oldalán szerepl® sort az S∗n számokkal kifejezve a következ®höz jutunk:

∞∑n=0

(s0 + . . .+ sn)xn =

∞∑n=0

((n+ 1)A+ (n+ 1)S∗n

)xn =

= A ·∞∑

m=1

mxm−1 +∞∑n=0

(n+ 1)S∗nxn =

A

(1− x)2+∞∑n=0

(n+ 1)S∗nxn, x ∈ (−1, 1). (7.2)

Az egyenl®ség azért teljesül, mert mindkét sor abszoút konvergens a (−1, 1) intervallumon,

és a

∞∑m=0

xm =1

1− x, x ∈ (−1, 1)

összefüggésb®l következik, hogy

∞∑m=1

m · xm−1 =(

1

1− x

)′=

1

(1− x)2, x ∈ (−1, 1).

40

Page 41: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

A (7.1) és a (7.2) mindkét oldalát (1− x)2-nel szorozva, és a kett®t összevetve:

f(x) = A+ (1− x)2 ·∞∑n=0

(n+ 1)S∗nxn, x ∈ (−1, 1).

Végül azt kell belátnunk, hogy

limx→1−0

(1− x)2 ·∞∑n=0

(n+ 1)S∗nxn = 0.

Ehhez legyen ε ∈ R+ adott. Mivel (S∗n) nullsorozat, ezért található olyan N ε2küszöbindex,

hogy bármely n ≥ N ε2indexre teljesül |S∗n| < ε

2. Ekkor bármely x ∈ (0, 1) esetén∣∣∣∣∣∣(1− x)2 ·

∞∑n=N ε

2

(n+ 1)S∗nxn

∣∣∣∣∣∣ = (1− x)2 ·

∣∣∣∣∣∣∞∑

n=N ε2

(n+ 1)S∗nxn

∣∣∣∣∣∣ ≤≤ (1− x)2 ·

∞∑n=N ε

2

|(n+ 1)S∗nxn| ≤ (1− x)2 ·

∞∑n=N ε

2

(n+ 1) · |S∗n| · |xn| <

< (1− x)2 · ε2·∞∑

n=N ε2

(n+ 1)xn <ε

2· (1− x)2 ·

∞∑n=0

(n+ 1)xn︸ ︷︷ ︸1

(1−x)2

2.

Minden polinomfüggvény folytonos, ezért limx→1−0

(1− x)2 ·N ε

2−1∑

n=0

S∗nxn = 0. Így az ε

2∈ R+

számhoz is található olyan δ ∈ R+, hogy∣∣∣∣∣∣(1− x)2 ·N ε

2−1∑

n=0

(n+ 1)S∗nxn

∣∣∣∣∣∣ < ε

2,

ha 1− δ < x < 1. Végül azt kapjuk, hogy∣∣∣∣∣(1− x)2 ·∞∑n=0

(n+ 1)S∗nxn

∣∣∣∣∣ ≤≤

∣∣∣∣∣∣(1− x)2 ·N ε

2−1∑

n=0

(n+ 1)S∗nxn

∣∣∣∣∣∣+∣∣∣∣∣∣(1− x)2 ·

∞∑n=N ε

2

(n+ 1)S∗nxn

∣∣∣∣∣∣ < ε

2+ε

2= ε,

ha 1− δ < x < 1. Ezzel a tételt igazoltuk. �

A továbbiakban olyan végtelen sort láthatunk, mely Abel-szummábilis, de nem szummá-

bilis.

41

Page 42: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

7.2.3. Példa.

∞∑n=0

(−1)n+1n2 = 12 − 22 + 32 − 42 + 52 − . . .

Ha a fenti végtelen sor szummábilis volna, akkor (−1)n+1n2

n→ 0 teljesülne, de a

(−1)n+1n2

n= (−1)n+1 · n

sorozat nem konvergál a nullához. E sorozat páros indexekre a mínusz végtelenbe tart,

míg páratlan indexekre a végtelenbe. Következésképpen a végtelen sor nem szummábilis,

mert annak szükséges feltétele nem teljesül.

Azonban a∞∑n=0

(−1)n+1n2 végtelen sor Abel-szummábilis. Ennek igazolása érdekében je-

lölje

f(x) :=∞∑n=0

(−1)n+1n2xn

a hatványsor összegfüggvényét. A hatványsor konvergenciasugara

R :=1

lim supn→∞

n√|(−1)n+1n2|

= 1,

ekkor a Cauchy-Hadamard-tétel miatt a∞∑n=0

(−1)n+1n2xn hatványsor abszolút konvergens

a (−1, 1) intervallumon. Ha x 6= 0, akkor

f(x)

x=∞∑n=0

(−1)n+1n2xn−1, x ∈ (−1, 0) ∪ (0, 1).

Mindkét oldal primitív függvényét képezve a (0, 1) intervallumon a 2.3.8. tétel szerint∫f(x)

xdx =

∞∑n=0

(−1)n+1nxn + c1, x ∈ (0, 1), c1 ∈ R.

Jelölje

g(x) :=

∫f(x)

xdx− c1 =

∞∑n=0

(−1)n+1nxn, x ∈ (0, 1).

Osztva x-szel

g(x)

x=∞∑n=0

(−1)n+1nxn−1, x ∈ (0, 1),

42

Page 43: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

majd mindkét oldal primitív függvényét véve:∫g(x)

xdx =

∞∑n=0

(−1)n+1xn + c2, x ∈ (0, 1), c2 ∈ R.

Az egyenl®ség jobb oldalán lev® hatványsor átalakítható az alábbi módon:

∞∑n=0

(−1)n+1xn = −∞∑n=0

(−x)n = − 1

1− (−x)= − 1

1 + x, |x| < 1.

Ezt felhasználva azt kapjuk, hogy∫g(x)

xdx = − 1

1 + x+ c2, x ∈ (0, 1).

Ezt deriváljuk, majd szorozzuk meg x-szel, s ekkor

g(x)

x=

1

(1 + x)2, x ∈ (0, 1),∫

f(x)

xdx− c1 = g(x) =

x

(1 + x)2, x ∈ (0, 1).

Ha a fenti egyenl®ség bal és jobb oldalát deriváljuk, majd az eredményt x-szel szorozzuk,

akkor

f(x)

x=

(x

(1 + x)2

)′=

1− x(1 + x)3

, x ∈ (0, 1),

f(x) =(1− x)x(1 + x)3

, x ∈ (0, 1).

Hasonlóan levezetve azt kapjuk, hogy az eredmény érvényes a (−1, 0) intervallumon is.

Az f(x) :=∞∑n=0

(−1)n+1n2xn összegfüggvény értéke a 0 helyen f(0) = 0, ebb®l következik,

hogy

f(x) =(1− x)x(1 + x)3

, x ∈ (−1, 1),

ezért

limx→1−0

f(x) = f(1) = 0.

Tehát a∞∑n=0

(−1)n+1n2 végtelen sor Abel-szummábilis, és az Abel-szummája 0.

43

Page 44: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Köszönetnyilvánítás

Ezúton szeretnék köszönetet mondani témavezet®mnek, Pfeil Tamásnak, aki rendsze-

resen szakított id®t konzultációkra, valamint a szakdolgozatom részletes áttekintésére.

Köszönettel tartozom Szilágyi Dánielnek az ábrák elkészítésében nyújtott segítségéért.

Hálás vagyok családomnak és szeretteimnek támogatásukért.

44

Page 45: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Irodalomjegyzék

[1] Britannica Hungarica Világenciklopédia, I. Kötet, Magyar Világ Kiadó,

Budapest, 1994.

[2] Internetes forrás, Wikipédia, Abel-díj,

http://hu.wikipedia.org/wiki/Abel-díj

[3] Laczkovich Miklós � T. Sós Vera: Analízis I., Nemzeti Tankönyvkiadó,

Budapest, 2006.

[4] Laczkovich Miklós � T. Sós Vera: Analízis II., Nemzeti Tankönyvkiadó,

Budapest, 2007.

[5] Szilágyi Tivadar: Végtelen sorok, hatványsorok, jegyzet az interneten,

http://bolyai.cs.elte.hu/�sztiv/5vs.pdf

[6] Bátkai András: Hatványsorok, Függvénysorok, jegyzet az interneten,

http://www.cs.elte.hu/�batka/oktatas/hatvanysorok.pdf

[7] Internetes forrás, Chao-Ping Chen: The best bounds in Vernescu's inequalities for the

Euler's constant,

http://ajmaa.org/RGMIA/papers/v12n3/Euler-inequality.pdf

[8] W. J. Kaczor, M. T. Nowak: Problems in Mathematical Analysis 1: Real Numbers,

Sequences and Series, American Mathematical Society, Providence, R.I, 2000

45

Page 46: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyománweb.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_matelem/2012/vankovics_maria.pdf1841 ben a ranciaF udománT yos Akadémia kiadta értekezéseit

Nyilatkozat

Név: Vánkovics Mária

ELTE Természettudományi Kar, szak: Matematika Bsc

ETR azonosító: VAMPABT.ELTE

Szakdolgozat címe: Sorok és hatványsorok vizsgálata Abel nyomán

A szakdolgozat szerz®jeként fegyelmi felel®sségem tudatában kijelentem, hogy a dol-

gozatom önálló munkám eredménye, saját szellemi termékem, abban a hivatkozások és

idézések standard szabályait következetesen alkalmaztam, mások által írt részeket a meg-

felel® idézés nélkül nem használtam fel.

Budapest, 2011. december 29.

���������

a hallgató aláírása

46