Szakdolgozat. Hatványsorok és alkalmazásaik

Hasonló dokumentumok
Taylor-polinomok. 1. Alapfeladatok április Feladat: Írjuk fel az f(x) = e 2x függvény másodfokú Maclaurinpolinomját!

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Analízis I. beugró vizsgakérdések

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

4. SOROK. a n. a k (n N) a n = s, azaz. a n := lim

Számsorok. 1. Definíció. Legyen adott valós számoknak egy (a n ) n=1 = (a 1, a 2,..., a n,...) végtelen sorozata. Az. a n

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

Sorozatok, sorozatok konvergenciája

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

Gyakorló feladatok az II. konzultáció anyagához

A fontosabb definíciók

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Bevezetés. 1. fejezet. Algebrai feladatok. Feladatok

Analízis I. Vizsgatételsor

Függvények július 13. f(x) = 1 x+x 2 f() = 1 ()+() 2 f(f(x)) = 1 (1 x+x 2 )+(1 x+x 2 ) 2 Rendezés után kapjuk, hogy:

Sorozatok és Sorozatok és / 18

Alkalmazott matematika és módszerei I Tantárgy kódja

A Matematika I. előadás részletes tematikája

2010. október 12. Dr. Vincze Szilvia

PTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

Hatványsorok, Fourier sorok

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

GAZDASÁGMATEMATIKA KÖZÉPHALADÓ SZINTEN

Utolsó el adás. Wettl Ferenc BME Algebra Tanszék, Wettl Ferenc (BME) Utolsó el adás / 20

1. Komplex függvények dierenciálhatósága, Cauchy-Riemann egyenletek. Hatványsorok, elemi függvények

3. Lineáris differenciálegyenletek

A derivált alkalmazásai

Minden x > 0 és y 0 valós számpárhoz létezik olyan n természetes szám, hogy y nx.

Határozott integrál és alkalmazásai

Lineáris algebra 2. Filip Ferdinánd december 7. siva.banki.hu/jegyzetek

x 2 e x dx c) (3x 2 2x)e 2x dx x sin x dx f) x cosxdx (1 x 2 )(sin 2x 2 cos 3x) dx e 2x cos x dx k) e x sin x cosxdx x ln x dx n) (2x + 1) ln 2 x dx

Dierenciálhányados, derivált

A sorozat fogalma. függvényeket sorozatoknak nevezzük. Amennyiben az értékkészlet. az értékkészlet a komplex számok halmaza, akkor komplex

IV. INTEGRÁLSZÁMÍTÁS Megoldások november

VIK A3 Matematika, Gyakorlati anyag 2.

Analízis előadás és gyakorlat vázlat

1/1. Házi feladat. 1. Legyen p és q igaz vagy hamis matematikai kifejezés. Mutassuk meg, hogy

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

Dierenciálhatóság. Wettl Ferenc el adása alapján és

(1 + (y ) 2 = f(x). Határozzuk meg a rúd alakját, ha a nyomaték eloszlás. (y ) 2 + 2yy = 0,

Vektorterek. Wettl Ferenc február 17. Wettl Ferenc Vektorterek február / 27

Sorozatok határértéke SOROZAT FOGALMA, MEGADÁSA, ÁBRÁZOLÁSA; KORLÁTOS ÉS MONOTON SOROZATOK

2012. október 2 és 4. Dr. Vincze Szilvia

Függvények vizsgálata

Egészrészes feladatok

8. Egyenletek, egyenlőtlenségek, egyenletrendszerek II.

Matematika A1a Analízis

Lineáris leképezések. Wettl Ferenc március 9. Wettl Ferenc Lineáris leképezések március 9. 1 / 31

24. szakkör (Csoportelméleti alapfogalmak 3.)

1. Parciális függvény, parciális derivált (ismétlés)

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

Analízis ZH konzultáció

Függvények határértéke, folytonossága

Analízis II. Analízis II. Beugrók. Készítette: Szánthó József. kiezafiu kukac gmail.com. 2009/ félév

Gibbs-jelenség viselkedésének vizsgálata egyszer négyszögjel esetén

HALMAZELMÉLET feladatsor 1.

MATE-INFO UBB verseny, március 25. MATEMATIKA írásbeli vizsga

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

2. Zárthelyi megoldásokkal 1998 tavasz I. évf tk.

Permutációk véges halmazon (el adásvázlat, február 12.)

Sorozatok. 5. előadás. Farkas István. DE ATC Gazdaságelemzési és Statisztikai Tanszék. Sorozatok p. 1/2

Analízisfeladat-gyűjtemény IV.

Függvény határérték összefoglalás

cos 2 (2x) 1 dx c) sin(2x)dx c) cos(3x)dx π 4 cos(2x) dx c) 5sin 2 (x)cos(x)dx x3 5 x 4 +11dx arctg 11 (2x) 4x 2 +1 π 4

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

Analízis 1. (BSc) vizsgakérdések Programtervez informatikus szak tanév 2. félév

Differenciál - és integrálszámítás. (Kreditszám: 7) Tantárgyfelelős: Dr. Losonczi László egyetemi tanár. Meghirdető tanszék: Analízis Tanszék

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2009/2010 Matematika I. kategória (SZAKKÖZÉPISKOLA) 2. forduló feladatainak megoldása

n n (n n ), lim ln(2 + 3e x ) x 3 + 2x 2e x e x + 1, sin x 1 cos x, lim e x2 1 + x 2 lim sin x 1 )

Miskolci Egyetem GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR. Analízis I. példatár. (kidolgozott megoldásokkal) elektronikus feladatgyűjtemény

1. feladatsor: Vektorterek, lineáris kombináció, mátrixok, determináns (megoldás)

Programtervező informatikus I. évfolyam Analízis 1

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

1. Folytonosság. 1. (A) Igaz-e, hogy ha D(f) = R, f folytonos és periodikus, akkor f korlátos és van maximuma és minimuma?

NUMERIKUS SOROK I. A feladat ekvivalens átfogalmazása a következő végtelen sok tagú összegnek a meghatározása ) 1 21

Függvények július 13. Határozza meg a következ határértékeket! 1. Feladat: x 0 7x 15 x ) = lim. x 7 x 15 x ) = (2 + 0) = lim.

Sorozatok október 15. Határozza meg a következ sorozatok határértékeit!

Függvényhatárérték és folytonosság

6. Függvények. 1. Az alábbi függvények közül melyik szigorúan monoton növekvő a 0;1 intervallumban?

Kalkulus I. gyakorlat, megoldásvázlatok

Egyváltozós függvények 1.

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

Matematika I. NÉV:... FELADATOK: 2. Határozzuk meg az f(x) = 2x 3 + 2x 2 2x + 1 függvény szélsőértékeit a [ 2, 2] halmazon.

25 i, = i, z 1. (x y) + 2i xy 6.1

I. Egyenlet fogalma, algebrai megoldása

2. SZÉLSŽÉRTÉKSZÁMÍTÁS. 2.1 A széls érték fogalma, létezése

Fraktálok. Kontrakciók Affin leképezések. Czirbusz Sándor ELTE IK, Komputeralgebra Tanszék. TARTALOMJEGYZÉK Kontrakciók Affin transzformációk

MBNK12: Permutációk (el adásvázlat, április 11.) Maróti Miklós

Matematika I. NÉV:... FELADATOK:

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

ARCHIMEDES MATEMATIKA VERSENY

Polinomok (el adásvázlat, április 15.) Maróti Miklós

2. Hogyan számíthatjuk ki két komplex szám szorzatát, ha azok a+bi alakban, illetve trigonometrikus alakban vannak megadva?

GAZDASÁGMATEMATIKA KÖZÉPHALADÓ SZINTEN

Obudai Egyetem RKK Kar. Feladatok a Matematika I tantárgyhoz

3. Egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlőtlenségek

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

Exponenciális és logaritmikus kifejezések Megoldások

Átírás:

Szakdolgozat Hatványsorok és alkalmazásaik Heimbuch Zita Matematikai elemz szakirány Témavezet : Bátkai András, adjunktus Alkalmazott Analízis és Számításmatematikai Tanszék Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar 200

Tartalomjegyzék. Bevezetés 4.. Rövid bevezetés a dolgozat témájáról.............. 4.2. Elméleti bevezetés........................ 4 2. Dierenciálszámítás alkalmazásai 7 2.. Dierenciálszámítás alapfogalmai................ 7 2.2. Elemi függvények Taylor-sorba fejtése.............. 8 3. Végtelen sorok 2 3.. Konvergens sor deníciója, a konvergencia és a divergencia szükséges feltétele......................... 2 3.2. Egyszer bb konvergenciakritériumok.............. 3 3.3. M veletek konvergens sorokkal.................. 5 4. Függvénysorok 9 4.. A függvénysor fogalma...................... 9 5. Hatványsorok 2 6. Végtelen sorok és hatványsorok alkalmazásai 24 6.. Mértani sor segítségével megoldható példa........... 24 6.2. Harmonikus sor segítségével megoldható példa......... 26 6.3. Hatványsorok alkalmazása a számelmélet témakörében.... 27 6.4. Néhány ismert függvény Taylor-sora, azaz hatványsora.... 30 6.5. Dierenciálegyenlet megoldása hatványsorokkal........ 3 2

6.5.. Az els rend dierenciálegyenletek megoldása általános hatványsorok segítségével................. 3 6.5.2. Az els rend dierenciálegyenletek megoldása Taylorsorokkal.......................... 34 6.5.3. Másodrend dierenciálegyenletek megoldása hatványsorok segítségével........................ 36 6.6. Összegzés............................. 38 3

. fejezet Bevezetés.. Rövid bevezetés a dolgozat témájáról Jelen dolgozat a hatványsorokba és azok alkalmazásaiba, alkalmazási módszereibe ad betekintést. Az elején bevezetjük az alapfogalmakat, tételeket, amik kapcsolódnak a hatványsorok témájához vagy amiket a kés bbiek során használni fogunk. A célom az, hogy a szakdolgozatban - az alkalmazások során - bemutassam a hatványsorok segítségével megoldható problémákat, feladatokat. Bepillantást nyerünk a mértani- és a harmonikus sorok világába, a számelmélet témaköréb l is ismertetek egy alkalmazási módot, majd megmutatom, hogy hogyan lehet Taylor-sorba fejteni egy hatványsort. A dolgozat végén rátérek arra, hogy hogyan tudok megoldani dierenciálegyenleteket hatványsorok segítségével. Ebben a részben többféle módszert is ismertetek majd..2. Elméleti bevezetés Ebben a fejezetben bevezetjük azokat a deníciókat, jelöléseket, amiket a kés bbiek során használni fogunk a különböz számításokhoz. Deníció: Valós számsorozatnak nevezünk minden olyan függvényt, amely- 4

nek értelmezési tartománya a természetes számok halmaza, értékkészlete pedig a valós számok egy részhalmaza. Ebb l a denícióból következik, hogy egy számsorozatot akkor tekintünk adottnak, ha minden n N számra ismerjük a sorozat n-edik tagját, azaz a sorozatot jelent függvénynek az n helyen felvett értékét. Jelölés: Egy számsorozatot (a n )-nel, a sorozat n-edik tagját pedig a n -nel jelöljük. Egy számsorozatot többféleképpen is megadhatunk. Gyakran használjuk azt a fajta megadási módot, amikor egy képlettel fejezzük ki, hogy hogyan függ az n-t l a sorozat n-edik tagja. ) n n+ Példa: n 3 +n, n + ( n, + n Megadhatjuk utasítással és rekurzív denícióval is. A sorozat gyakori megadás módja a rekurzív deníció, amikor megadjuk a sorozat els néhány tagját, majd az a n -et az el z tagok függvényeként fejezzük ki. Mindkét módra mutatok példát. Példa: Utasítással: a sorozat páratlan index tagjai legyenek -gyel egyenl k, a páros index tagok pedig 2-vel. Példa: Rekurzív formulával: a = 0, a n = 2a n, ha n 2. Deníció: Egy a valós szám ɛ > 0 sugarú környezetének nevezzük az (a ɛ,a + ɛ) nyílt intervallumot. Deníció: Az (a n ) valós számsorozatról akkor mondjuk, hogy konvergens és határértéke A, ha minden ɛ > 0 számhoz van olyan N természetes szám, hogy a sorozat minden N-nél nagyobb index tagja az a szám ɛ sugarú környezetébe esik. Jelölés: Az (a n ) sorozat konvergens és határértéke A: lim a n = A. n Számításaink során a következ, sorozatok határértékére vonatkozó tételeket használjuk fel: 5

. Tétel:. A lim n n = 0. Ha lim n a n = A, és lim n b n = B, akkor lim (a n ± b n ) = A ± B n ha B 0, akkor ahol k =, 2,... lim a n b n = A B n ( an lim n b n ) k = ( ) k A, B Deníció: Az (a n ) valós számsorozatról akkor mondjuk, hogy divergens, ha nem konvergens. A sorozatoknak egy fontos osztályát alkotják az úgynevezett monoton sorozatok. Deníció: Egy (a n ) sorozatról akkor mondjuk, hogy monoton növ (vagy fogyó), ha minden n N-re fennáll, hogy a n a n+ (vagy a n a n+ ). Ha az egyenl séget nem engedjük meg, akkor szigorúan monoton növ /fogyó sorozatokról beszélünk. Monoton sorozatok konvergenciaviselkedését viszonylag egyszer en el tudjuk majd dönteni, de ehhez még egy segédeszközre lesz szükségünk: Deníció: Egy H V nem üres halmazról akkor mondjuk, hogy felülr l (vagy alulról) korlátos számhalmaz, ha van olyan f szám, hogy H minden x elemére x f (vagy x f). A számhalmazról akkor mondjuk, hogy korlátos, ha alulról és felülr l is korlátos. 2. Tétel:. (Korlátos, monoton sorozatok konvergenciája) a.) Ha az a n sorozat monoton növeked és felülr l korlátos, akkor konvergens. b.) Ha az a n sorozat monoton csökken és alulról korlátos, akkor konvergens. 6

2. fejezet Dierenciálszámítás alkalmazásai Ebben a fejezetben bevezetjük a dierenciálszámítás alapfogalmait, szabályait, amire szükségünk lesz az alkalmazások során. 2.. Dierenciálszámítás alapfogalmai El ször kezdjük azzal, hogy mit is jelent az, hogy ha egy függvény dierenciálható az a pont környezetében. Deníció: Legyen f értelmezve az a D(f) pont egy környezetében. Azt mondjuk, hogy az f függvény az a pontban dierenciálható, ha a f(x) f(a) lim x a x a = A R véges határérték létezik, ekkor itt a dierenciálhányadosa f (a) = A. Jelölés: f (a) = df df (a) = dx dx x=a Deníció: Azt mondjuk, hogy az f függvény kétszer dierenciálható az a helyen, ha az a hely egy környezetében dierenciálható és az f derivált függvény dierenciálható az a helyen. Jelölés: Az (f (x) ) x=a dierenciálhányadost az f függvény a helyen vett második dierenciálhányadosának vagy második deriváltjának nevezzük és f (a)-val jelöljük. 7

Deníció: Tetsz leges n > természetes számra akkor mondjuk, hogy az f függvény az a helyen n-szer dierenciálható, ha az a hely egy környezetében (n )-szer dierenciálható és a függvény (n )-edik derivált függvénye, f (n ) (x) az a helyen dierenciálható. A következ kben a függvények m veleti azonosságait fogjuk megvizsgálni. 3. Tétel:. Legyen D(f) = D(g) = I intervallum, a I bels pont, melyben f és g dierenciálható. Ekkor f ± g; α f, ahol α R; f g és ha g(a) 0, akkor f g dierenciálható a-ban és (f ± g) (a) = f (a) ± g (a) (α f) (a) = α f (a) (f g) (a) = f (a) g(a) + f(a) g (a) ( ) f (a) = f (a) g(a) f(a) g (a) g g 2 (a) 2.2. Elemi függvények Taylor-sorba fejtése Ebben a részben bevezetjük a Taylor-sorhoz tartozó elnevezéseket, a Taylorpolinom és a Taylor-sor konstrukcióját. Az y = f(x) függvény legyen az x = a helyen megfelel en sokszor dierenciálható függvény. Azt a T n (x) legfeljebb n-ed fokú polinomot, amely és amelynek els n darab deriváltja az x = a helyen megegyezik az f(x) függvénnyel, illetve ennek els n deriváltjával, hívjuk az x = a helyen az f(x) függvényhez rendelt n-ed fokú Taylor polinomnak. Ennek tehát a következ egyenl séget kell kiegyenlíteni: T n (a) = f(a) T n (k) (a) = f (k) (a), 8

ahol k =, 2,..., n. Ha az x = a hely speciálisan az origó, azaz a = 0, akkor a polinomot Maclaurin polinomnak nevezzük. Ha az f(x) függvény az x = a helyen végtelen sokszor dierenciálható, és formálisan felírjuk azt a hatványsort, amelynek formálisan számított dierenciálhányadosai az a helyen megegyeznek f(x) megfelel deriváltjával, akkor el állítjuk az f(x) Taylor sorát az x = a helyen. A hatványsort Maclaurin sornak hívjuk, ha speciálisan a = 0. A Taylor-polinomot, illetve a Taylor-sort lépésr l lépésre igen könnyen képezhetjük. A polinom, illetve hatványsor célszer általános alakja ez: n a k (x a) k, k= illetve a k (x a) k. k= Az f(a) = T n (a) követelményb l azonnal adódik, hogy a 0 = f(a). Az f (a) = T n(a) követelményb l is rögtön teljesíthet, mert - a deriválás szabályát alkalmazva - a következ t kapjuk: T n(x) = na n (x a) n k= és így T n(a) = a, tehát a = f (a). Ugyanígy adódik: T n (a) = 2 a 2 és így a 2 = f (a) 2! 9

azaz. T n (k) (a) = k! a k a k = f (k) (a) k! Ezekután a Taylor-sort T (x)-szel, a Maclaurin-sort pedig M(x)-szel jelölve a következ ket kapjuk: T n (x) = n f k (x a)k (a) ; T (x) = k! k=0 f k (a) k=0 (x a)k ; k! M n (x) = n f (k) (0) xk k! ; M(x) = f (k) (0) xk k! ; k=0 k=0 Természetesen felvet dik bennünk az a kérdés, hogy minden függvényt el állít-e a Taylor-sor valamilyen ( R, R) intervallumban? Nyilván nem, azokat biztosan nem, amik nem dierenciálhatóak akárhányszor. És mi a helyzet azokkal, amik akárhányszor dierenciálhatóak 0-ban? Azokkal két baj is lehet:.) lehet, hogy a konvergenciasugár 0, azaz csak a 0-ban konvergens. 2.) konvergens, de mégsem állítja el a függvényt. Erre példa a következ függvény: f(x) = { e x 2, ha x 0, 0, ha x = 0. Most rátérnénk az úgynevezett maradéktag jelent ségére, ami a függvény és az t approximáló Taylor-polinom eltérését adja meg. El ször kimondunk egy tételt, melyben deniáljuk, hogy mit is értünk maradéktag alatt: 0

4. Tétel:. (Taylor-tétel) Ha az f(x) függvény az a I intervallumon akárhányszor dierenciálható, akkor minden n pozitív egész és x A esetén f(x) = f(a) + f (a)(x a) + f (a) 2! (x a) 2 +... + f (n) (a) (x a) n + R n (x), n! ahol R n (x) az úgynevezett maradéktag. Ennek Lagrange-féle alakja egy a és x közötti c-vel. R n (x) = f (n+) (c) (x a)n+ (n + )! 5. Tétel:. Ha létezik M konstans, amellyel x és a közötti valamennyi t esetén f (n+) (t) M, akkor a Taylor-tételben szerepl R n (x) maradéktag kielégíti az x a n+ R n (x) M (n + )! egyenl tlenséget. Amennyiben ez a feltétel teljesül minden n-re, akkor f(x) Taylor-sora f(x)-et állítja el. A maradéktag vizsgálata arra is felvilágosítást ad, hogy mennyire tér el a függvény és a Taylor-sor egymástól. El z ekben már felírt képletekb l ugyanis az derül ki, hogy a Taylor-sor n-edik része épp az n-edik Taylor-polinom, azaz a Taylor-sor a Taylor-polinomokból alkotott sorozat határfüggvénye. A Taylor-sor és a sorbafejett függvény eltérését tehát a polinomok maradéktagjaiból alkotott sorozat határfüggvénye jellemzi.

3. fejezet Végtelen sorok Formálisan egy (a n ) sorozat tagjait + jellel összekapcsolva egy (a n ) = a 0 + a +... + a n +... n=0 végtelen sort kapunk. Az s n = a 0 +... + a n denícióval megadott sorozatot a n=0 (a n) = a 0 + a +... + a n +... végtelen sor részletösszegei sorozatának nevezzük. Deníció: Az (a n ) számsorozatból képezett végtelen soron azt a rendezett párt értjük, amelynek els komponense az (a n ) sorozat, második komponense pedig az az (s n ) sorozat, melyre minden n esetén s n = n k= a k. Az (a n ) sorozatból képezett végtelen sornak - melynek jelölésére a (a n ) szimbólumot használjuk - az n-edik tagja az a n szám, n-edik részletösszege az s n szám, részletösszegsorozata az (s n ) sorozat. 3.. Konvergens sor deníciója, a konvergencia és a divergencia szükséges feltétele Deníció: Egy végtelen sort attól függ en nevezünk konvergensnek, illetve divergensnek, hogy részletösszeg-sorozata konvergens vagy divergens. Deníció: Egy n=0 a n sort abszolút konvergensnek mondjuk, ha a tagok 2

abszolút értékeib l alkotott n= a n sor konvergens. Ha egy sor konvergens, de nem abszolút konvergens, akkor feltételesen konvergensnek mondjuk. Deníció: Ha a (a n ) végtelen sor részletösszeg-sorozatának van (véges vagy végtelen) határértéke, akkor ezt a határértéket a végtelen sor összegének nevezzük, és a n= a n szimbólummal jelöljük. 3.2. Egyszer bb konvergenciakritériumok Sok esetben egy a n konvergens-e vagy nem. 0 (n =, 2,...) sorról kell eldöntenünk, hogy Ezt könnyen el tudjuk dönteni a különböz konvergenciakritériumok segítségével. 6. Tétel:. Ha az (a n ) és (b n ) sorozatokra teljesül a következ két feltétel: (a.) Valamely ɛ küszöbindex fölötti minden egyes n egészre a n b n (b.) a (b n ) végtelen sor konvergens akkor a (a n ) sor abszolút konvergens. 7. Tétel:. (hányados-majoráns kritérium): Ha (c n ) pozitív tagú konvergens végtelen sor, N pedig olyan pozitív egész, amelyt l kezdve minden k egészre a k+ c k+, a k c k akkor a (a n ) végtelen sor abszolút konvergens. 8. Tétel:. Ha az (a n ) és (b n ) sorozatokra teljesül a következ két feltétel: (a.) Valamely ɛ küszöbindex felett minden n egészre a n b n (b.) n= a n = +, akkor n= b n = + 9. Tétel:. (hányados-minoráns kritérium): Ha (c n ) pozitív tagú divergens sor, N pedig olyan pozitív egész, amelyt l kezdve minden k egészre b n > 0, és b k+ b k c k+ c k, akkor a (b n ) végtelen sor is divergens. 3

Ezekután mutatunk két példát arra, hogy a hányados-majoráns és a hányadosminoráns kritériumokat hogyan tudjuk alkalmazni:.példa: Konvergens-e vagy divergens-e a következ sor? n 2 0n + 3. n=.példa megoldása: Mivel létezik n 0 úgy, hogy n 2 0n + 3 > n2 2, ha n > n 0. Ekkor a n=n 0 2 n 2 ezért az eredeti sorunk konvergens. konvergens sor majorálja a n=n 0 n 2 0n+3 sort, 2.Példa: Konvergens-e vagy divergens-e a következ sor? 2n +. n= 2.Példa megoldása: Mivel a n= 3 n= n divergens sor minorálja a n= n sor divergens és 3n < 2n+ 2n+. Ekkor az sort, ezért a sor divergens. 0. Tétel:. (Gyökkritérium): Legyen a n 0 minden n esetén, és legyen lim n n an = r. Ekkor n= a n sor r < esetén konvergens, ha r >, akkor divergens, míg ha r =, akkor lehet konvergens is és divergens is.. Tétel:. (Hányados kritérium): Legyen a n > 0 minden n esetén, és legyen a n+ lim = r. n a n Ekkor a n= a n sor r < esetén konvergens, ha r >, akkor divergens, míg ha r =, akkor lehet konvergens is és divergens is. A két kritérium tétel kimondása után is mutatunk egy-egy példát arra, hogy hogyan tudjuk alkalmazni ket. 3.Példa: Konvergens-e vagy divergens-e a következ sor? ( n ) n 3. 2 n= 4

3.Példa megoldása: A gyökkritériumot használva: n ( ) n 3 ( ) n = n 2 2 n 2 e <, ezért a sor konvergens. 4.Példa: Konvergens-e vagy divergens-e a következ sor? n= (n!) 2 (2n)!. 4.Példa megoldása: Alkalmazzuk a hányados kritériumot: a n+ a n = <, ezért a sor konvergens. [(n+)!] 2 [2(n+)]! (n!) 2 (2n)! = 2n! [(n+)!] 2 = (2n+2)! (n!) 2 (n+) 2 (2n+2)(2n+) 4 A végtelen sorok egy speciális osztályát alkotják azok, amelyeknek tagjai váltakozó el jellel követik egymást. Deníció: A a n sort Leibniz-típusúnak mondjuk, ha (a.) tagjai váltakozó el jel ek (azaz a n a n+ < 0), (b.) az a n számok csökken sorozatot alkotnak, (c.) lim a n = 0. A váltakozó el jel sort alternáló sornak is nevezzük. Egy végtelen sor tehát akkor Leibniz-típusú, ha alternáló és tagjainak abszolút értéke monoton módon tart nullához. 2. Tétel:. (Leibniz kritérium): Minden Leibniz-típusú sor konvergens. Ha a sor alternáló, de lim a n 0, akkor divergens is. 3.3. M veletek konvergens sorokkal A konvergens végtelen sorok a véges összegek általánosításának tekinthet k. Érdemes megvizsgálni, hogy a véges összegek szokásos tulajdonságai érvényben maradnak-e a végtelen sorokra. El ször vizsgáljuk meg a kommutativitás érvényességét. Nézzük a következ váltakozó el jel sorozatot: 2 + 3 4 +... + ( )n n +... = ln 2 5

Ezután mutassuk meg, hogy egy átrendezéssel a következ adódik: lim s 3n = n 2 ln 2 Cseréljük fel a sorban a tagok sorrendjét úgy, hogy egy pozitív tag után két negatív tag következzen, azaz vizsgáljuk az 2 4 + 3 6 8 + 5 0 2 +... sor összegét. A sor s 3n alakú részletösszegei így írhatók fel: s 3n = ( ) + ( ) + ( ) +... + ( ) = 2 4 3 6 8 5 0 2 2n 4n 2 4n + + +... + = 2 4 6 8 0 2 4n 2 4n ( + + +... + 2 2 3 4 5 6 2n 2n ). Mivel a + + +... 2 4 3 6 8 5 0 2 sor s 3n+ és s 3n+2 alakú részletösszegei s 3n -t l csak 0-hoz tartó tagokban különböznek, ezért ezek határértéke is és így a sor összege is ln 2. 2 Példánk azt mutatja, hogy a végtelen sorokra általában nem érvényes a kommutativitás, tehát nem cserélhet fel a sor tagjainak sorrendje. meg: A disztributív tulajdonság megfelel jét egyszer formában így fogalmazhatjuk ha n= = a n konvergens sor, amelynek összege s és v tetsz leges valós szám, akkor n= = va n is konvergens és összege vs, azaz konvergens sorokra fennáll a következ egyenl ség: v a n = n= va n. Az el z egyenl ség igazolásához azt kell megjegyezni, hogy ha s n = n k= a k, n= akkor nyilván igaz a v lim n s n = lim n vs n egyenl ség. A disztributivitásnak egy általánosabb formáját is vizsgálhatjuk: Két konvergens végtelen sor szorzatáról milyen esetben igaz, hogy konvergens lesz? Két végtelen sor n= a n és n= b n szorzatát úgy értjük itt, hogy minden 6

tagot minden taggal megszorzunk, azaz képezzük az összes a k b l alakú tagok szorzatát, amelyeket a következ sémában foglalhatunk össze: a b, a b 2,..., a b n,... a 2 b, a 2 b 2,..., a 2 b n,...... a n b, a n b 2,..., a n b n,... Az így kapott tagokat valamilyen sorrendben össze kell adni.... 3. Tétel:. (Riemann-tétel): Ha a k= a k sor konvergens, de a k= a k sor divergens, akkor k= a k sor tagjai átrendezhet k úgy, hogy az új sor összege tetsz leges, el re adott C valós szám legyen, vagy úgy is, hogy divergens legyen. Emiatt a tétel miatt nem mindegy, hogy milyen sorrendet választunk. Az egyik leggyakrabban alkalmazott szorzási szabály a Cauchy-féle szorzás. Deníció: Legyen adott a n=0 a n és n=0 b n végtelen sor. E két sor Cauchy-féle szorzatán értjük azt a n=0 c n sort, ahol c n = (a 0 b n + a b n +... + a n b + a n b 0 ) = n a k b n k. k=0 A kérdés nyiván az, hogy ha az eredeti sorok konvergensek, akkor a szorzat konvergens-e egyeltalán, és ha igen, akkor összege megegyezik-e az eredeti sorok összegeinek szorzatával, azaz ( a n )( b n ) =? c n. n=0 n=0 n=0 4. Tétel:. (Mertens tétele): Ha a (a n ) és (b n ) végtelen sorok konvergensek, és egyikük abszolút konvergens, akkor Cauchy-féle szorzatuk is konvergens, és ennek összege a két sor összegének szorzata. 7

E tétel alapján nyilvánvaló, hogy ha mind a két sor abszolút konvergens, akkor a Cauchy-féle sorzatuk is konvergens, s t abszolút konvergens. Megjegyzés: (.) Konvergens (tehát nem abszolút konvergens) sorok Cauchy-féle szorzata lehet divergens is. (2.) Két divergens sor Cauchy-féle szorzata lehet konvergens, s t abszolút konvergens. (3.) Ha két konvergens sor Cauchy-féle szorzata konvergens, akkor összege egyenl a két sor összegének szorzatával. Most pedig mutatunk egy példát arra, hogy az el z eket hogyan is tudjuk alkalmazni: Példa: Állítsuk el az 2 + 3 4 +... + ( )n n +... = ln 2 és az 2 + 4 + 8 +... + 2 n +... = konvergens sorok Cauchy-féle szorzatát. Megoldása: Az els sor: 2 + 3 4 +... + ( )n n +... = ln 2. Ez egy Leibniz-típusú sor, amib l az következik, hogy nem abszolút konvergens, mert tagjainak abszolút értékeib l képzett + + +... + +... sor 2 3 n divergens. A sor tehát csak feltételesen konvergens. A második sor: abszolút konvergens. 2 + 4 + 8 +... + 2 n +... = Ekkor a szorzatsor konvergens lesz, összege pedig ln 2. Nézzük a szorzatsort: +( + ( ) ) ( 2 4 2 4 + + ( ) 8 2 + ) ( 4 3 2 + + ( ) 6 2 + + ( ) 8 3 4 4 2) +... = + ( ) ( 2 4 8 + + ) + ( + ) +... = ln 2 8 8 6 6 6 2 8 8

4. fejezet Függvénysorok 4.. A függvénysor fogalma Ebben a fejezetben deniáljuk a függvénysorok fogalmát, hogy a kés bbiek folyamán használni tudjuk a hatványsorok meghatározása során. Az el z fejezetben olyan végtelen sorokkal foglalkoztunk, amelynek tagjai számok voltak. Most legyenek a sor tagjai függvények. Deníció: Az olyan végtelen sort, amelynek tagjai függvények, függvénysornak nevezzük. Általános alakja f + f 2 + f 3 +... + f n +... = f n. Az f, f 2, f 3,..., f n,... függvények a függvénysor tagjai. Deníció: Ha a függvénysorozat az I intervallum minden pontjában konvergens, akkor a sorozatot az I intervallumon konvergensnek mondjuk, f pedig az (f n ) függvénysorozat határfüggvénye. Az így értelmezett konvergenciát pontonkénti konvergenciának is szokták nevezni. Azok az x számok, amelyeknél a sorozat konvergens, a függvénysorozat konvergenciatartományát alkotják. Jelölés A határfüggvény jelölése: lim n f n = f. Deníció: Az (f n ) függvénysorozat az I intervallumon pontosan akkor konvergens, ha bármely ɛ > 0-hoz és bármely x I helyhez van olyan N ter- n= 9

mészetes szám, hogy n > N és m > N esetén: f n (x) f m (x) < ɛ. Deníció: Az (f n ) függvénysorozat az I intervallumon egyenletesen konvergens, vagy más szóval egyenletesen tart az f határfüggvényhez, ha tetsz leges ɛ > 0 számhoz található N = N(ɛ), hogy n > N esetén az I intervallumban lev minden x-re f n (x) f(x) < ɛ. Jelölés: egyenletes konvergencia: f n f. A pontonkénti konvergenciánál láttuk, hogy az N küszöbszám függ ɛ-tól és x-t l is. Az egyenletes konvergenciánál viszont N függetleníthet x-t l, vagyis N minden x H esetén köszöbszám. Könnyen átgondolható az, hogy az egyenletes konvergencia er sebb a pontonkénti konvergenciánál. Ebb l a következ állítást fogalmazhatjuk meg: Állítás: Ha (f n ) egyenletesen tart f-hez, akkor pontonként is. 20

5. fejezet Hatványsorok Ebben a fejezetben az x paramétert tartalmazó (a n (x c) n ) alakú sorozatokból képezett végtelen sorokkal foglalkozunk, ezeket nevezzük hatványsoroknak. Itt sorozaton általában a nemnegatív egészek halmazán értelmezett függvényt értünk. Deníció: Az c = 0 hely körüli hatványsornak nevezzük a a n x n = a 0 + a x + a 2 x 2 +... + a n x n +... n=0 alakú függvénysort. Az x = c körüli hatványsor: a n (x c) n = a 0 + a (x c) + a 2 (x c) 2 +... + a n (x c) n +... n=0 Itt a c számot a hatványsor középpontjának, az a 0, a, a 2,..., a n,... valós számokat pedig a hatványsor együtthatóinak nevezzük. 5. Tétel:. Minden n=0 a nx n alakú sorhoz van olyan 0 R érték, amelyre x < R esetén a sor abszolút konvergens, x > R esetén pedig a sor divergens. Ezt az R számot a hatványsor konvergenciasugarának nevezzük. Nézzük meg a következ ábrát, ami a konvergencia illetve a divergencia tartományát próbálja szemléltetni: 2

Ezenkívül megjegyezzük még, hogy a konvergenciaintervallum végpontjaiban, vagyis x = R és x = R helyeken külön meg kell vizsgálni, hogy a hatványsor konvergens-e vagy sem. A konvergenciaintervallum középpontját, konvergenciaközéppontnak is nevezhetjük. Ezután térjünk rá arra, hogy egy hatványsor mikor lesz dierenciálható. 6. Tétel:. Ha a n=0 a nx n hatványsor konvergenciasugara R > 0, és összegfüggvénye f(x), akkor minden x ( R, R)-re fennáll, hogy f(x) dierenciálható és f (x) = n a n x n. n= Az el z tételhez még hozzáf zzük, hogy a hatványsor dierenciálását szabad tagonként végezni, mivel az a 0 + a x + a 2 x 2 +... + a n x n +... hatványsor tagonkénti deriválásával nyert sor maga is hatványsor lesz: a + 2 a 2 x +... + n a n x n +... 22

7. Tétel:. Ha a n=0 a nx n hatványsor konvergenciasugara R > 0, és összegfüggvénye f(x), akkor minden x ( R, R)-re fennáll, hogy f(x) tetsz legesen sokszor dierenciálható és f (k) (x) = f (x) = f (x) = (n + )a n+ x n, n=0 (n + 2)(n + )a n+2 x n, n=0. (n + k)(n + k )...(n + )a n+k x n. n=0 Következmény: Minden hatványsor az összegfüggvényének Taylor-sora, mivel az el z tétel szerint f (k) (x 0 ) = k (k )... a k azaz a k = f k (x 0 ) valamint k! f(x 0 ) = a 0. 23

6. fejezet Végtelen sorok és hatványsorok alkalmazásai 6.. Mértani sor segítségével megoldható példa Ez a példa azt próbálja bemutatni, hogy hogyan tudjuk eldönteni egy sor összegét és konvergenciáját. Példa: Határozzuk meg a sor összegét (ha konvergens). n=0. Megoldás: El ször egy olyan geometriai módszert mutatunk be, amely akár általános iskolában is tárgyalható. Vezessük be a geometriai sor denícióját, mert kés bb szükségünk lesz rá. Deníció: A n 2 n a q n n=0 alakú sort mértani (geometriai) sornak nevezzük. 8. Tétel:. Az n=0 a qn alakú mértani sor (a 0 esetén) akkor és csak akkor konvergens, ha q < és ekkor összege a. q 24

Az ábra alapján világos, hogy az A, A 2,..., A n,... téglalapok területei éppen 2, 2 2, 2 n,..., a B, B 2,...B n,... téglalapoké pedig, 2,..., 2 n,... Viszont a bal oldali síkidomot eltolva a jobb oldaliba éppen az adódik, hogy a két síkidom területe megegyezik, azaz 2 + 2 2 +... + 2 n +... = + 2 + 2 2 +... + 2 n +... Viszont a jobb oldali sor egy a =, q = 2 paraméter geometriai sor, így összege 2, tehát a példában lev sornak is 2 az összege. 2. Megoldás: Írjuk fel a sort részletesen: Bontsuk fel a sort a következ képpen: 2 + 2 2 2 + 3 2 3 + 4 2 4 +... + n 2 n +... 2 + 2 2 + 2 3 +... + 2 n +... = 2 2 + 2 3 +... + 2 n +... = 2 2 3 +... + 2 n +... = 2 2. 25

A fenti sorok mind mértani sorok, így könnyen adódtak az eddigiek alapján az egyenl ségek jobb oldalán szerepl számok. Ha tekintjük a jobb oldali oszlop elemeit, azok a következ végtelen sort adják: + 2 + 2 2 + 2 3 +... + 2 n +... = 2 = 2, hiszen ez egy a =, q = paraméterekkel rendelkez mértani sor. Tehát a 2 kérdéses sor konvergens, és összege 2. 6.2. Harmonikus sor segítségével megoldható példa Ezekután a harmonikus sorral kapcsolatban adok egy motiváló példát. Deníció: Harmonikus sornak nevezzük a következ sort: + 2 + 3 + 4 +... + n +... = n= n. Valamint kimondok egy tételt, mert a következ példa megoldásához szükségünk lesz rá. 9. Tétel:. A n= n harmonikus sor divergens. Ez a következ képletb l következik: ( lim a n = lim + n n 2 +... + ) n =. A képlet ugyanis azt fejezi ki, hogy a harmonikus sor n-edik részletösszege a -be tart, ha n. Ezekután oldjuk meg a következ példát. Példa: Egy autóval át akarunk kelni a sivatagon. A sivatag szélén korlátlan mennyiség üzemanyag van, a sivatagban jelenleg nincs. Egy tankolással nem tudunk átkelni, de lerakatokat készíthetünk. 26 Adjunk meg egy olyan

eljárást, mellyel át tudunk kelni bármilyen széles sivatagon! Megoldás: egységnek vegyünk tankolásnyi benzint, és ezzel megtehet utat is vegyünk egységnek. Világos, hogy egységnyi benzinnel egység mélyen jutunk be a sivatagba. Mit csináljunk 2 egység benzinnel? Tegyen meg egység utat az autó, ott 3 rakjon le egység benzint és menjen vissza a maradékkal a kiindulópontra, 3 vegye fel a második egység benzint és ismét induljon, vegye fel az el bbi egységnyi lerakatot, így még egységgel távolabb tud jutni. Azaz 2 egységgel + egység mélyen hatol be a sivatagba. 3 Nézzük, 3 egységgel hogy járhat el. egység felvételével egység út megtételével 3 egység benzint rakjon le és menjen vissza, majd ezt ismételje meg a má- 5 5 sodik egység benzinnel, majd a harmadik egységgel indulva eljut a lerakatig, a tankban 4 5 és az ott lev 6 egység benzinnel összesen 2 egység van a 5 lerakatnál, ahonnan az el z módszerrel + egységgel mélyebbre tud hatolni, azaz így 3 egység benzinnel + + egységnyi utat tesz meg. 3 3 5 Így folytatva, n egység benzinnel + + +... + egységnyi távolságra 3 5 2n juthat el, és mivel a harmonikus sor divergenciája miatt az + + +... + 3 5 +... sor is divergens, amib l az következik, hogy bármilyen nagy M számot is adunk meg, tudjuk n-et úgy választani, hogy + + +...+ > M 3 5 2n 2n legyen, így bármilyen széles a sivatag, át tud rajta kelni. Be lehet látni, hogy az el bb kapott + + +... + egység a legnagyobb távolság, ameddig 3 5 2n az autó n egységnyi benzinnel eljuthat. 3 6.3. Hatványsorok alkalmazása a számelmélet témakörében Most egy szép alkalmazását mutajuk meg a hatványsoroknak. Ez az ún. analitikus számelmélet témakörébe tartozik és lineáris felbontásnak (vagy pénzváltási problémának) nevezik. Azt a kérdést vetjük fel, hányféleképpen oldható meg a c x + c 2 x 2 +... + c k x k = n 27

egyenlet, ahol c i, x i (i =, 2,..., k) és n természetes számok? Más szavakkal az a kérdés, hogy hányféleképpen lehet egy n forintost felváltani c, c 2,..., c k címlet bankjegyekre? Vagy n forintból hányféleképpen tudunk vásárolni c, c 2,..., c k címlet bélyegeket. A következ példában ennek egy speciális esetét oldjuk meg. Példa: Hány (x, x 2 ) megoldása van az x + 2x 2 = n egyenleteknek, ahol x, x 2, n természetes számok? Megoldás: Mivel a megoldások száma csak n-t l függ, így jelölhetjük t(n)- nel. Induljunk ki az alábbi hatványsorokból ( x < ): x n = + x + x 2 +... + x n +... = x = f (x), n=0 (*) n=0 x 2n = + x 2 + x 4 +... + x 2n +... = x 2 = f 2(x), ahol a kitev k a c = és c 2 = 2 együtthatók többszörösei. Jelölje f(x) a fenti két függvény szorzatát, azaz legyen f(x) = f (x) f 2 (x) = Az f(x) hatványsor kifejtésében minden tag ( x)( x 2 ). x x x 2x 2 = x x +2x 2 = x n alakú lesz, hiszen (*)-ban a bal oldalak összeszorzásából ilyen tagok adódnak, és ilyen tag éppen annyi lesz, ahányféleképpen el áll az x + 2x 2 = n eset, azaz ahány megoldása van a kérdéses egyenletnek, más szóval, x n együtthatója minden n-re megadja az t(n) értéket. Tehát f(x) hatványsor kifejtése f(x) = t(n)x n. n=0 28

Feladatunk a t(n) értékek meghatározása. El ször az f(x) = ( x)( x 2 ) törtet bontsuk fel elemi törtekre az ismert módon, azaz adjuk meg az A, B, C számokat úgy, hogy ( x)( x 2 ) = ( x 2 )( + x) = A ( x) + B 2 ( x) teljesüljön. oldal nevez jével: C + x Hogy meghatározzuk az együtthatókat, szorozzuk végig a bal = A( + x) + B( x)( + x) + C( x) 2. Itt, ha x helyébe rendre a, és 0 értékeket helyettesítjük, akkor A = 2, C = 4, B = 4 f(x) = 2 adódik. Tehát ( x) 2 + 4 ( x) + 4 ( + x). Most feladatunk az x n együtthatóinak meghatározása. Ezért ( x) 2 helyett írjunk ( x ) -t, hogy majd a megfelel hatványsor tagonkénti deriváltjával könnyen meg tudjuk határozni az x n együtthatóit. Így f(x) a következ alakban írható fel: f(x) = 2 ( ) + x 4 x + 4 + x. Mivel x = + x + x2 +... + x n +... ( ) = + 2x +... + (n + )x n +... x + x = + x + x2 +... + ( ) n x n +..., ezért az x n együtthatóit összegy jtve, gyelembe véve az f(x) kifejezésében szerepl együtthatókat is, t(n)-re a következ t kapjuk: t(n) = 2 (n + ) + 4 + ( )n 4. Ez a t(n) érték adja a példa megoldását. Például, ha n = 0, akkor t(n) = 6, ami azt jelenti, hogy 0 forintot 6 féleképpen tudunk kizetni és 2 forintos érmékkel. 29

6.4. Néhány ismert függvény Taylor-sora, azaz hatványsora Els ként megjegyeznénk, hogy ha egy függvény el áll egy hatványsor összegeként, akkor az csak a függvény Taylor-sora lehet, mert ha egy f(x) függvény hatványsorba fejthet, akkor abból az következik, hogy akárhányszor dierenciálható. Továbbá a hatványsor n-edik együtthatója c n a következ alakban áll el : c n = f (n) (a) n!. Ez pedig a Taylor-sor deníciója szerint azt jelenti, hogy az f(x) függvényt el állító hatványsor nem más, mint az f(x) Taylor-sora. Ezek után írjuk fel néhány ismert függvény Taylor-sorát, azaz hatványsorát. e x = + x! + x2 2! +... + xn n! +... = n=0 n=0 x n n!, x R. cos x = x2 2! + x4 x2n +... + ( )n 4! (2n)! +... = ( ) n x2n (2n)!, x R. sin x = x x3 x 2n+ 3! +x5 5! +...+( )n (2n + )! +... = ( ) n x 2n+ (2n + )!, x R. Ezek közül a sin x = n=0 formulával foglalkozunk részletesebben. Példa: Bizonyítsuk be, hogy a minden valós x-re fennáll. sin x = n=0 n=0 ( ) n x 2n+ (2n + )! ( ) n x 2n+ (2n + )! Megoldás: Legyen f(x) = sin x és számítsuk ki az f (n) (0) deriváltakat. Mivel (sin x) 0 = cos x 0 =, (sin x) 0 = sin x 0 = 0, 30

(sin x) 0 = cos x 0 =, (sin x) iv 0 = sin x 0 = 0, ezért ezekkel az együtthatókkal valóban a sin x = n=0 sor konstruálható meg, azaz a Taylor-sor: ( ) n x 2n+ (2n + )! x x3 3! + x5 5! x7 7! +... + ( )n x 2n+ (2n + )! +... 6.5. Dierenciálegyenlet megoldása hatványsorokkal A következ alkalmazásként dierenciálegyenletek megoldását fogjuk tárgyalni. Nagyon sok olyan dierenciálegyenlet van, amely a szokásos integrálással nem oldható meg olyan módon, hogy elemi függvények segítségével felírható legyen a megoldás. 6.5.. Az els rend dierenciálegyenletek megoldása általános hatványsorok segítségével El ször az els rend dierenciálegyenletek megoldásával foglalkozunk. Rögtön mutatunk is egy példát, hogy hogyan tudjuk megoldani hatványsorok segítségével. Példa: Határozzuk meg az y = 2x y x dierenciálegyenlet megoldását hatványsorok segítségével. Megoldás: Az f(x, y) = 2x y x értelmezve, legyen tehát x. Tegyük fel, hogy az egyenlet megoldása függvény az x = egyenes mentén nincs y(x) = a 0 + a x + a 2 x 2 +... + a n x n +... 3

alakú. Ekkor y (x) = a + 2a 2 x + 3a 3 x 2 +... + na n x n +... Visszahelyettesítve a dierenciálegyenletbe ( x)(a + 2a 2 x + 3a 3 x 2 +... + na n x n +...) = = 2x (a 0 + a x + a 2 x 2 + a 3 x 3 +... + a n x n +...). A szorzást elvégezve és az egyenl fokszámú tagok együtthatóit összehasonlítva: a = a 0 2a 2 a = 2 a, a 2 =, 3a 3 2a 2 = a 2, a 3 = a 2 3 = 3, 4a 4 3a 3 = a 3, a 4 = a 3 2 = 6, és így. na n (n )a n = a n a n = n 2 n a n, a n = n 2 n a n = = = (n 2)(n 3) a n 2 = n(n ) (n 2)(n 3)(n 4) a n 3 =... = n(n )(n 2) (n 2)(n 3)(n 4)... 2 a 2 = n(n )(n 2)... 4 3 = 2, ha n 2. n(n ) Így a keresett hatványsor y(x) = a 0 a 0 x + x 2 + x3 3 + x4 6 + x5 0 +... + 2 n(n ) xn +... = a 0 ( x) + n=2 32 2 n(n ) xn.

Nézzük meg, milyen x értékekre konvergens ez a sor. A Cauchy-féle hányadoskritériumot alkalmazva lim a n+ n a n = lim 2x n+ n (n + )n = x lim n n(n ) (n + )n = x A sor tehát akkor konvergens, ha x q <. n(n ) 2x n = Ezután a példa után mutatunk egy olyat, aminek a megoldását megkeressük hatványsor alakban és Taylor-sor alakban is. Példa: Határozzuk meg az y = x + y dierenciálegyenlet általános megoldását hatványsor alakban. Megoldás: Feltételezzük, hogy a megoldás el áll y = a 0 + a x + a 2 x 2 +... + a n x n +... hatványsor alakban. Tagonkénti deriválás után: y = a + 2a 2 x + 3a 3 x 2 +... + na n x n Helyettesítsük be ezeket a dierenciálegyenletbe: a + 2a 2 x + 3a 3 x 2 + 4a 4 x 3... = x + a 0 + a x + a 2 x 2 + a 3 x 3 +..., vagy másképp: a + 2a 2 x + 3a 3 x 2 + 4a 4 x 3 +... = a 0 + (a + )x + a 2 x 2 + a 3 x 3 +... Ez pedig x-ben identikusan csak akkor állhat fenn, ha x megfelel hatványainak együtthatói mindkét oldalról megegyeznek, azaz a = a 0, 2a 2 = a +, 33

3a 3 = a 2, 4a 4 = a 3,. Ebb l következik, hogy a = a 0, a 2 = a 0 + 2, a 3 = a 0 + 2 3, a 4 = a 0 + 2 3 4,. Tehát y = a 0 + a 0 x + a 0 + 2! = (a 0 + ) x 2 + a 0 + 3! ( + x + x2 2! + x3 3! + x4 4! +... = (a 0 + )e x x. x 3 + a 0 + x 4 +... = 4! ) x = 6.5.2. Az els rend dierenciálegyenletek megoldása Taylorsorokkal El ször mutatunk egy példát, amely segítségével megoldunk egy els rend dierenciálegyenletet. Majd a második példában az el z alfejezet második feladatát oldjuk meg Taylor-sor módszerével. Megmutatjuk, hogy mindkét módszer során ugyanazt az eredményt kapjuk a dierenciálegyenletre. Példa: Határozzuk meg Taylor-sor segítségével az y = 3x + y 2 dierenciálegyenletnek az y(0) = feltételnek eleget tev partikuláris megoldását! Megoldás: Esetünkben x 0 = 0, y 0 =, f(x 0 ) = y 0 =. y = f (x) = 3x + y 2, g (x 0 ) =, 34

y = f (x) = 3 + 2yy, g (x 0 ) = 5, y = f (x) = 2(y ) 2 + 2yy, g (x 0 ) = 2, y IV = f (4) (x) = 6y y + 2yy, g (4) (x 0 ) = 54, y V = f (5) (x) = 6(y ) 2 + 8y y + 2yy (4), g (5) (x 0 ) = 354, és így tovább. A megoldás tehát y = +! (x 0) + 5 2! (x 0)2 + 2 3! (x 0)3 + 54 4! (x 0)4 + 354 5! (x 0)5 +..., illetve y = + x + 5 2 x2 + 2x 3 + 9 4 x4 + 77 66 x5 +... Most pedig nézzük a már hatványsorral megoldott feladat levezetését Taylor-sorral. Példa: Határozzuk meg az y = x + y dierenciálegyenlet általános megoldását Taylor-sor alakjában. Megoldás: Feltesszük azt, hogy ha x = 0, akkor y(0) = a 0. Ekkor az adott dierenciálegyenlet szerint y (0) = a 0. Képezzük az ismeretlen függvény magasabb rend deriváltjait: y = + y, y = y, y (4) = y, y (5) = y 4,. 35

Behelyettesítve az x = 0, y(0) = y (0) = a 0 értékeket: Mivel y = y(x) Taylor-sora y(x) = y(0) + y (0)! ezért a mi esetünkben: y (0) = a 0 +, y (0) = a 0 +, y (4) (0) = a 0 +, y (5) (0) = a 0 +,. x + y (0) 2! x 2 + y (0) x 3 + y(4) 3! 4! x4 +..., y = a 0 + a 0 x + a 0 + x 2 + a 0 + x 3 + a 0 + x 4 +... = 2! 3! 4! ) = (a 0 + ) ( + x + x2 2! + x3 3! + x4 4! +... x = (a 0 + )e x x. 6.5.3. Másodrend dierenciálegyenletek megoldása hatványsorok segítségével Az els rend dierenciálegyenletek megoldását megadó módszerek közül a hatványsorokkal történ megoldás, a másodrend dierenciálegyenletre is alkalmazható egyes esetekben. Erre mutatunk most példát. Példa: Oldjuk meg a következ másodrend dierenciálegyenletet a mellékelt kezdeti feltételek mellett: y + xy = 0, y(0) = 0, y (0) =. Megoldás: El ször azt hangsúlyozzuk, hogy itt nem foglalkozunk azzal, 36

hogy egyáltalán létezik-e megoldás, hány megoldás van és a megoldás milyen intervallumon elégíti ki az egyenletet, csupán egy formális módszert mutatunk meg. Keressük tehát a megoldást az y = a 0 + a x + a 2 x 2 +... + a n x n +... hatványsor alakban. Tagonkénti deriválással az adódik, hogy y = 2 a 2 + 3 2 a 3 x +... + n(n )a n x n 2 +... Írjunk fel egy egyenletet is ezen hatványsorok segítségével: (2 a 2 +3 2 a 3 x+...+n(n )a n x n 2 +...)+x(a 0 +a x+a 2 x 2 +...+a n x n +...) = 0. Egyenl vé téve a megfelel fokszámú tagok együtthatóit 0-val, az alábbi egyenl ségek adódnak: 2 a 2 = 0 3 2 a 3 + a 0 = 0 4 3 a 4 + a = 0. n(n )a n + a n 3 = 0 Ezekb l az egyenletekb l az együtthatókra az alábbi adódik:. a 2 = 0, a 3 = a 0 2 3, a 4 = a 3 4, a 5 = a 2 4 5 = 0, általában a 6 = a 3 5 6 = a 0 2 3 5 6, a 7 = a 4 6 7 = a 3 4 6 7, a 3k = 0, a 3k = ( ) k a 0 2 3 5... (3k )3k, 37

a 3k+ = ( ) k a 3 4 6... 3k(3k + ). Az a 0 és a együtthatókat a kijelölt kezdeti feltételek határozzák meg. Nevezetesen y(0) = 0 a 0 = 0, y (0) = a =. Tehát ebben a konkrét megoldásban akkor az együtthatók a következ k lesznek: a 3k = 0, Így a megoldás: a 3k+ = a 3k = 0, ( ) k 3 4 6...3k(3k + ). y = x x4 3 4 + x 7 3 4 6 7... + ( )k x 3k+ 3 4 6...3k(3k + ) +... Könnyen igazolható egyébként, hogy ennek a hatványsornak a konvergenciasugara végtelen, tehát minden x esetén abszolút konvergens a sor. Differenciálással igazolható, hogy ez a függvény valóban megoldása az adott egyenletnek. 6.6. Összegzés A dolgozat során bepillantást nyertünk a hatványsorokba és alkalmazásaikba. Az elején bevezettünk számos deníciót, tételt, amiket a dolgozat során felhasználtunk. Ezekután foglalkoztunk a dierenciálszámítással, és a függvények Taylor-sorba fejtésével, majd bevezettük a sorokat és kimondtuk a különböz konvergenciakritériumokat. Foglalkoztunk a függvénysorokkal, mert enélkül nem tudtuk volna deniálni a hatványsorokat. A hatványsorok áttekintése után tértünk át az alkalmazásokra, ahol a megértést segít feladatokat mutattunk be. Itt láthattuk, hogy a hatványsoroknak milyen 38

szerteágazó lehet a használata. Láttunk példát arra, hogy hogyan tudjuk kiszámítani egy sor konvergenciáját mértani sor segítségével, majd hogy hogyan tudunk a sivatagban eljutni A-ból B-be, úgy hogy benzin lerakatokat készítünk. Bepillantást nyertünk a számelmélet témekörébe is. Ebben a fejezetben azt néztük meg, hogy egy adott egyenletnek hány különböz megoldása lehet. A következ példa során áttekintettük azt, hogy hogyan tudjuk megadni egy függvény hatványsorát, azaz Taylor sorát. Az utolsó alfejezetben foglalkoztunk a dierenciálegyenletekkel. Áttekintettük az els és másodrend dierenciálegyenleteket. Néztünk olyan megoldást is, amit hatványsor-módszerrel és néztünk olyat is, amit Taylor-sor módszerrel is meg tudunk oldani. A dolgozat célja az volt, hogy bemutassa a hatványsorok széleskör alkalmazását, nem kihagyva az alapfogalmakat, alaptételeket. 39

Irodalomjegyzék [] Bárczy Barnabás Dierenciálszámítás M szaki Könyvkiadó, Budapest (2005) [2] Dr. Frey Tamás: M szaki Matematikai Gyakorlatok Tankönyvkiadó, Budapest (965) [3] Bátkai András: Hatványsorok, függvénysorok ELTE kézirat [4] Bátkai András: Egyváltozós függvények dierenciálszámítása ELTE kézirat [5] Szilágyi Tivadar: Végtelen sorok, hatványsorok ELTE kézirat [6] Császár Ákos Végtelen sorok Tankönyvkiadó, Budapest (988) [7] Németh József El adások a végtelen sorokról Poligon, Szeged (2002) [8] Obádovics J. Gyula,Szarka Zoltán Fels bb matematika Scolar kiadó, Budapest (2002) [9] Denkinger Géza Analízis Tankönyvkiadó, Budapest (987) [0] Urbán János Határértékszámítás M szaki Könyvkiadó, Budapest (2004) [] Dr. Bajcsay Pál Közönséges dierenciálegyenletek I-II. Tankönyvkiadó, Budapest (965) 40

[2] Scharnitzky Viktor Dierenciálegyenletek M szaki Könyvkiadó, Budapest (2003) 4