נתונה סדרת הפונקציות fn(x)=sinnx בקטע I=(−2π,2π).
א. רשמו מהו גבול הסדרה: f(x)=limn→∞fn(x).
ב. רשמו מהו גבול הסדרה בנקודה x0=2π.
ג. האם הפונקציה f רציפה בנקודה x0=2π?
פתרון א':
יהי x∈(−2π,2π). בקטע מתקיים −1<sinx<1 ולכן:
n→∞limsinnx=0
פתרון ב':
בנקודה x0=2π מתקיים sinx0=1 ולכן:
f(x0)=n→∞limsinn2π=n→∞lim1n=1
פתרון ג': f לא רציפה בנק' x0 שכן f(x0)=1 ולכל x<x0 בקטע הפתוח מתקיים f(x0)=0.
תרגיל (2)
מצאו את תחום ההתכנסות הנקודתית של הטור n=1∑∞nxlnn.
נקבע x0. לכל x0∈R מתקיים כי nxlnn הינה יורדת(שכן יש לה מקסימום ב-x=1), היא אי שלילית ולכן, נוכל להשתמש במבחן האינטגרל:
כאשר x<1 החזקה 1−x חיובית ולכן האינטגרל מתבדר.
כאשר x>1 החזקה 1−x שלילית ולכן, גבול שואף ל-0 והאינטגרל מתכנס.
⇓
הטור מתכנס עבור x>1.
תרגיל (3)
מצאו את תחום ההתכנסות של הטור n=1∑∞5n−11+n∣x∣1
5n−11+n∣x∣1≤5n−11
הטור 5n−11 מתכנס ולכן, לכל x∈R הטור הזה מתכנס נקודתית.
תרגיל (4)
משפט
סדרת הפונקציות fn(x) מתכנסת במ"ש ל-f בקטע I אם ורק אם n→∞limx∈Isup∣fn(x)−f(x)∣=0.
א. עבור fn(x)=xn ו-f(x)=0 בקטע [0,1), האם סדרת הפונקציות מתכנסת במ"ש?
ב. עבור fn(x)=1+n2x2nx ו-f(x)=0 בקטע [0,1), האם סדרת הפונקציות מתכנסת במ"ש?
ג. עבור fn(x)=nx ו-f(x)=0 בקטע [0,1), האם סדרת הפונקציות מתכנסת במ"ש?
ד. עבור fn(x)=sin(x(1+n1)) ו-f(x)=sinx בקטע [0,π], האם סדרת הפונקציות מתכנסת במ"ש?
פתרון א':
ראינו בהרצאה כי לא קיים N כך שלכל x∈[0,1) ולכל n∈N מתקיים ∣fn(x)∣<ε. לכן, סדרת הפונקציות אינה מתכנסת במ"ש.
פתרון ב':
ראינו בהרצאה, כי באמצעות שלילית ההגדרה ניתן להוכיח כי fn(x)אינה מתכנסת במ"ש.
פתרון ג': f,fn רציפות. בנוסף, לכל x∈[0,1] הסדרה fn(x) מונוטונית יורדת. fn מתכנסת נקודתית ל-f בקטע [0,1].
לכן, לפי דיני, הסדרה מתכנסת במ"ש ב-[0,1).
נוכיח כי סדרת הפונקציות fn(x)=nxe−nxאיננה מתכנסת במ"ש לגבול שלה בקטע [0,1].
א. חשבו את פונקציית הגבול.
ב. חשבו את ההפרש rn(x)=∣fn(x)−f(x)∣
הפונקציה rn(x) רציפה בקטע סגור ולכן הסופרמום שלה הוא המקסימום שלה בקטע.
ג. גזרו את הפונקציה rn(x)
ד. מצאו את נקודת המקסימום xM.
ה. למציאת המקסימום הגלובלי חשבו את rn(xm),rn(0),rn(1).
ו. מהו המקסימום הגלובלי של rn?
ז. הגבול של הפונקציה rn(xM) הינו?
אם x=0 אז נקבל f(0)=0.
אם x<0 מתקיים f(x)=1
אם x>0 מתקיים כי f(x)=0.
לכן, פונקציית הגבול היא f(x)=0.
פתרון ב':
rn(x)=∣nxe−nx∣=∣x∣ne−nx=enx∣x∣n=enxxn
פתרון ג':
rn′(x)=e2nxnenx−n2xenx=nenxe2nx1−nx
פתרון ד':
1=nx⟹x=n1
פתרון ה':
rn(xm)=e1rn(0)=0rn(1)=enn
הערך המקסימלי יהיה e1.
פתרון ז':
n→∞lime1=ε1
זה לא שואף ל-0 ולכן הסדרה אינה מתכנסת במ"ש.
תרגיל (6)
השתמשו במשפט ווירשראס על מנת לבדוק את התכנסות הטור n=0∑∞e−nxcosnx בקטע [1,∞)
נשתמש בעובדות הבאות כדי לבחור טור מספרים חיוביים מתאים:
∣cosnx∣≤1
x≥1
לכל t מתקיים et>0
e−nx≤e−n עבור x≥1.
א. מהו הטור הגיאומטרי שנקבל?
ב. חשבו את סכומו של הטור.
פתרון א':
∣e−nxcosnx∣≤e−n
לכן הטור החדש הינו ∑e−n.
פתרון ב':
n=0∑∞en1=n=0∑∞(e1)n
זהו טור גיאומטרי ולכן:
n→∞limSn=1−e11=e−1e
תרגיל (7)
נבדוק את התכנסות הטור n=1∑∞1+n3x2x על כל הישר הממשי באמצעות מבחן ויירשטראס.
א+ב. מצאו את המקסימום הגלובלי של fn(x)=1+n3x2x. לשם כך גזרו אותו והשוו לאפס.
ג. מצאו את נקודת המקסימום הגלובלי
ד. הגדירו את an=∣fn(xM)∣
ה. האם הטור ∑an מתכנס?
ו. האם הטור מתכנס במ"ש?
הסכום הזה מתבדר ללא תלות ב-x. לכן, הטור לא מתכנס במ"ש.
פתרון 3:
החלק היחיד שמעניין בטור הזה הוא (2x)n עבור x≥2 מתקיים כי הטור מתבר ועבור ∣x∣<2 מתקיים כי הטור מתכנס, שכן זה טור הנדסי.
אני הולך לנחש שהטור לא מתכנס במ"ש.
פתרון 4:
ראינו בשאלה 3 כי הטור מתכנס נקודתית. כעת נראה אם הוא מתכנס במ"ש.
ראינו גם כי קיים טור מספרים חיוביים אשר החל ממקום מסויים מתקיים ∣fn(x)∣≤an.
לכן, לפי ווירשטראס, הטור מתכנס במ"ש.
ראינו בשאלה קודמת שתחום ההתכנסות הנקודתית של הטור הוא x>1.
נוכל להגדיר פונקציה: fn(x)=nxlnn≤n4lnn אשר מתכנסת ולכן הטור מתכנס.
הטענה הבאה אינה נכונה שכן הטור אינו מתכנס נקודתית ב-x=1.
ניתן להוכיח כי הטענה האחרונה אינה נכונה לפי W.