\[\newcommand{\N}{\mathbb N} \newcommand{\Z}{\mathbb Z} \newcommand{\Q}{\mathbb Q} \newcommand{\R}{\mathbb R} \renewcommand{\C}{\mathbb C} \newcommand{\ba}{\mathbf{a}} \newcommand{\bb}{\mathbf{b}} \newcommand{\bc}{\mathbf{c}} \newcommand{\bd}{\mathbf{d}} \newcommand{\be}{\mathbf{e}} \newcommand{\bbf}{\mathbf{f}} \newcommand{\bh}{\mathbf{h}} \newcommand{\bi}{\mathbf{i}} \newcommand{\bj}{\mathbf{j}} \newcommand{\bk}{\mathbf{k}} \newcommand{\bN}{\mathbf{N}} \newcommand{\bn}{\mathbf{n}} \newcommand{\bo}{\mathbf{0}} \newcommand{\bp}{\mathbf{p}} \newcommand{\bq}{\mathbf{q}} \newcommand{\br}{\mathbf{r}} \newcommand{\bs}{\mathbf{s}} \newcommand{\bT}{\mathbf{T}} \newcommand{\bu}{\mathbf{u}} \newcommand{\bv}{\mathbf{v}} \newcommand{\bw}{\mathbf{w}} \newcommand{\bx}{\mathbf{x}} \newcommand{\by}{\mathbf{y}} \newcommand{\bz}{\mathbf{z}} \newcommand{\bzero}{\mathbf{0}} \newcommand{\nv}{\mathbf{0}} \newcommand{\cA}{\mathcal{A}} \newcommand{\cB}{\mathcal{B}} \newcommand{\cC}{\mathcal{C}} \newcommand{\cD}{\mathcal{D}} \newcommand{\cE}{\mathcal{E}} \newcommand{\cF}{\mathcal{F}} \newcommand{\cG}{\mathcal{G}} \newcommand{\cH}{\mathcal{H}} \newcommand{\cI}{\mathcal{I}} \newcommand{\cJ}{\mathcal{J}} \newcommand{\cK}{\mathcal{K}} \newcommand{\cL}{\mathcal{L}} \newcommand{\cM}{\mathcal{M}} \newcommand{\cN}{\mathcal{N}} \newcommand{\cO}{\mathcal{O}} \newcommand{\cP}{\mathcal{P}} \newcommand{\cQ}{\mathcal{Q}} \newcommand{\cR}{\mathcal{R}} \newcommand{\cS}{\mathcal{S}} \newcommand{\cT}{\mathcal{T}} \newcommand{\cU}{\mathcal{U}} \newcommand{\cV}{\mathcal{V}} \newcommand{\cW}{\mathcal{W}} \newcommand{\cX}{\mathcal{X}} \newcommand{\cY}{\mathcal{Y}} \newcommand{\cZ}{\mathcal{Z}} \newcommand{\pv}{\overline} \newcommand{\re}{\operatorname{Re}} \newcommand{\im}{\operatorname{Im}} \newcommand{\arsinh}{\operatorname{ar\,sinh}} \newcommand{\arcosh}{\operatorname{ar\,cosh}} \newcommand{\artanh}{\operatorname{ar\,tanh}} \newcommand{\diag}{\operatorname{diag}} \newcommand{\proj}{\operatorname{proj}} \newcommand{\rref}{\operatorname{rref}} \newcommand{\rank}{\operatorname{rank}} \newcommand{\Span}{\operatorname{span}} \newcommand{\vir}{\operatorname{span}} \renewcommand{\dim}{\operatorname{dim}} \newcommand{\alg}{\operatorname{alg}} \newcommand{\geom}{\operatorname{geom}} \newcommand{\id}{\operatorname{id}} \newcommand{\norm}[1]{\lVert #1 \rVert} \newcommand{\tp}[1]{#1^{\top}} \renewcommand{\d}{\mathrm{d}} \newcommand{\sij}[2]{\bigg/_{\mspace{-10mu}#1}^{\,#2}} \newcommand{\qedhere}{}\]

Potenssisarjat

Määritelmä 6.3.1

Reaaliluvusta \(x\) riippuvaa sarjaa

\[\sum_{k=0}^\infty a_k(x-c)^k=a_0+a_1(x-c)+a_2(x-c)^2+a_3(x-c)^3+\cdots\]

kutsutaan pisteen \(c\) ympärille kehitetyksi potenssisarjaksi (power series). Luvut \(a_k\), missä \(k = 1, 2, \ldots\), ovat potenssisarjan kertoimia ja reaaliluku \(c\) on sarjan kehityskeskus.

Tässä ensimmäisessä termissä \((x-c)^0=1\), jos \(x\ne c\). Mukavuussyistä sovitaan, että potenssisarjoissa (mutta ei ilman harkintaa muualla) \(0^0=1\), jolloin ensimmäinen termi on \(a_0(x-c)^0=a_0\) kaikilla \(x\).

Mikä seuraavista on potenssisarja?

Esimerkki 6.3.2

Sarja

\[\sum_{k=0}^\infty\frac{x^k}{k!}=\sum_{k=0}^\infty\frac{1}{k!}(x-0)^k\]

on pisteen \(0\) ympärille kehitetty potenssisarja, jonka kertoimet ovat \(a_k = \frac{1}{k!}\). Suhdetestillä nähdään, että sarja suppenee itseisesti, kun \(x\ne0\). Nythän

\[\left|\frac{\frac{x^{k+1}}{(k+1)!}}{\frac{x^k}{k!}}\right|=\frac{k!}{(k+1)!}\left|\frac{x^{k+1}}{x^k}\right|=\frac{|x|}{k+1}\to0,\]

kun \(k\to\infty\). Pisteessä \(x=0\) on \(\sum\limits_{k=0}^{\infty}\left|\frac{0^k}{k!}\right| = \frac{1}{1!} = 1\), joten potenssisarja suppenee itseisesti aina, kun \(x\in\R\).

Lause 6.3.3

Jos potenssisarja \(\sum\limits_{k=0}^\infty a_kx^k\) suppenee jollakin \(x=x_0\ne0\), niin sarja suppenee itseisesti kaikilla \(x\), jotka toteuttavat \(-|x_0|<x<|x_0|\).

Todistus

Oletetaan, että \(x\in(-|x_0|,|x_0|)\) ja merkitään \(r=\left|\frac{x}{x_0}\right|<1\). Koska sarja suppenee pisteessä \(x_0\), on oltava \(\lim\limits_{k\to\infty}a_kx_0^k=0\) ja täten löydetään sellainen indeksi \(K\), että \(|a_kx_0^k|<1\) aina, kun \(k\ge K\). Nyt

\[\sum_{k=K}^\infty\left|a_kx^k\right| =\sum_{k=K}^\infty\left|a_kx_0^k\right|\left|\frac{x^k}{x_0^k}\right|<\sum_{k=K}^{\infty}\left|\frac{x}{x_0}\right|^k<\sum_{k=K}^\infty r^k<\infty,\]

missä oikeanpuoleisin sarja suppenee geometrisena sarjana.

Seuraus 6.3.4

Jokaiselle potenssisarjalle on voimassa täsmälleen yksi seuraavista.

  1. Sarja suppenee vain, kun \(x=c\).
  2. Sarja suppenee itseisesti aina, kun \(x\in\R\).
  3. Löydetään sellainen \(R>0\), että sarja suppenee itseisesti, kun \(|x-c|<R\) ja hajaantuu, kun \(|x-c|>R\).
Todistus
Väite seuraa edellisestä lauseesta 6.3.3 asettamalla \(t=x-c\), jolloin väite palautuu sarjan \(\sum\limits_{k=0}^{\infty} a_kt^k\) tutkimiseksi.

Lukua \(R\in[0,\infty)\) tai \(R=\infty\) kutsutaan sarjan suppenemissäteeksi (radius of convergence). Niiden pisteiden joukkoa, joissa sarja suppenee, kutsutaan sen suppenemisväliksi (interval of convergence). Jos \(R\in(0,\infty)\), niin päätepisteissä \(c-R\) ja \(c+R\) sarja voi supeta tai hajaantua. Potenssisarjan suppenemisväli on siis täsmälleen yksi joukoista \(\{c\}\), \((c-R,c+R)\), \([c-R,c+R)\), \((c-R,c+R]\), \([c-R,c+R]\) tai \(\R\).

Suppenemissäde selviää usein seuraavalla suhdetestillä. Oletetaan, että potenssisarjalle on olemassa (äärellinen) raja-arvo

\[\rho=\lim_{k\to\infty}\left|\frac{a_{k+1}}{a_k}\right|.\]

Tutkitaan nyt, milloin varsinainen potenssisarja toteuttaa suhdetestin ehdot itseiselle suppenemiselle, kun \(x \not= c\).

\[\lim_{k\to\infty}\left|\frac{a_{k+1}(x-c)^{k+1}}{a_k(x-c)^k}\right|=\lim_{k\to\infty}\left|\frac{a_{k+1}}{a_k}\right|\lim_{k\to\infty}\frac{|x-c|^{k+1}}{|x-c|^k} =\rho|x-c|<1\]

jos ja vain jos \(|x-c|<\frac{1}{\rho}\). Suppenemissäde on siis \(R=\frac{1}{\rho}\). Jos raja-arvo \(\rho = 0\), niin suppenemissäde \(R=\infty\), ja jos \(\rho=\infty\), niin \(R=0\). Päätepisteissä \(c-R\) ja \(c+R\) suppenemista on tutkittava erikseen. Näin olemme muodostaneet suhdetestin potenssisarjan suppenemissäteen määrittämiseksi.

Lause 6.3.5

Potenssisarjan

\[\sum\limits_{k=0}^\infty a_k(x-c)^k\]

suppenemissäde on

\[R=\lim_{k\to\infty}\left|\frac{a_k}{a_{k+1}}\right|,\]

joka voi olla:

  • \(R=0\), jolloin potenssisarja suppenee vain pistessä \(x=c\),
  • \(R<\infty\), jolloin potenssisarja suppenee ainakin kun \(|x-c|<R\) (päätepisteet tutkittava erikseen),
  • \(R=\infty\), jolloin potenssisarja suppenee jokaisella \(x\in\mathbb{R}\).
Mikä seuraavista väitteistä pätee potenssisarjalle?

Esimerkki 6.3.6

Määritä potenssisarjojen

  1. \(\displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{x^k}{k}\)
  2. \(\displaystyle\sum_{n=0}^\infty n!\left(\frac{x}{2}\right)^n\)
  3. \(\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{(2x+5)^n}{(n^2+1)3^n}\)

suppenemisvälit.

Ratkaisu
  1. Tämä on pisteen \(c=0\) ympärille kehitetty potenssisarja, jolle \(a_0=0\) ja \(a_k=\frac{1}{k}\), kun \(k \geq 1\). Tutkitaan suppenemista suhdetestillä, jolloin suppenemissäteeksi saadaan

    \[\begin{split}\begin{aligned} R&=\lim_{k\to\infty}\left|\frac{a_k}{a_{k+1}}\right|\\ &=\lim_{k\to\infty}\frac{k+1}{k}\\ &=\lim_{k\to\infty}\Big(1+\frac{1}{k}\Big)=1. \end{aligned}\end{split}\]

    Sarja siis suppenee kun \(|x| < 1\) ja hajaantuu, kun \(|x| > 1\). Tarkastellaan vielä päätepisteet erikseen. Kun \(x=1\), sarja on harmoninen sarja ja siten hajaantuu. Kun \(x=-1\), sarja on vuorotteleva harmoninen sarja ja siten suppenee. Sarjan suppenemisväli on siis \([-1,1)\).

  2. Muokkaamalla

    \[\sum_{n=0}^\infty n!\left(\frac{x}{2}\right)^n=\sum_{n=0}^\infty\frac{n!}{2^n}x^n\]

    nähdään, että kyseessä on potenssisarja, jolle \(a_n=\frac{n!}{2^n}\) ja \(c=0\). Suppenemissäteeksi saadaan

    \[\begin{split}\begin{aligned} R&=\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|\\ &=\lim_{n\to\infty}\frac{n!2^{n+1}}{(n+1)!2^n}\\ &=\lim_{n\to\infty}\frac{n!2^{n+1}}{2^n(n+1)!}\\ &=\lim_{n\to\infty}\frac{n! \cdot 2 \cdot 2^{n}}{2^n(n+1)n!}\\ &=\lim_{n\to\infty}\frac{2}{(n+1)}=0. \end{aligned}\end{split}\]

    Sarja siis suppenee vain kun \(x=0\).

  3. Nyt

    \[\sum_{n=0}^\infty\frac{(2x+5)^n}{(n^2+1)3^n}=\sum_{n=0}^\infty\left(\frac{2}{3}\right)^n\frac{1}{n^2+1}\left(x-\left(-\frac{5}{2}\right)\right)^n.\]

    Tämän potenssisarjan kehityskeskus on \(c=-\frac{5}{2}\). Suppenemissäteeksi saadaan

    \[\begin{split}\begin{aligned} R&=\lim_{n\to\infty}\left|\frac{\left(\frac{2}{3}\right)^n\frac{1}{n^2+1}}{\left(\frac{2}{3}\right)^{n+1}\frac{1}{(n+1)^2+1}}\right|\\ &=\frac32\lim_{n\to\infty}\frac{(n+1)^2+1}{n^2+1} \\ &=\frac32\lim_{n\to\infty}\Big(\frac{2n+1}{n^2+1}+1\Big)=\frac{3}{2}. \end{aligned}\end{split}\]

    Näin ollen sarja suppenee ainakin välillä \(\left(\frac{-5-3}{2}, \frac{-5+3}{2}\right) = (-4, 1)\). Päätepisteet täytyy taas tarkastella erikseen. Pisteessä \(x=-4\) sarja tulee muotoon

    \[\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n}{n^2+1},\]

    joka suppenee itseisesti, sillä

    \[\sum_{n=1}^\infty\left|\frac{(-1)^n}{n^2+1}\right| =\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{n^2+1} \le\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{n^2}<\infty.\]

    Pisteessä \(x=-1\) sarja tulee muotoon

    \[\sum_{n=0}^\infty\frac{1}{n^2+1},\]

    joka nähdään suppenevaksi samalla arviolla kuin edellä. Potenssisarjan suppenemisväli on siis \([-4,-1]\).

Pisteessä \(0\) kehitetty potenssisarja määrittelee suppenemisvälillään funktion

(1)\[f(x)=\sum_{k=0}^\infty a_kx^k=a_0+a_1x+a_2x^2+a_3x^3+\cdots.\]

Seuraavan todistamatta käyttöön otettavan lauseen mukaan \(f\) on derivoituva ja integroituva, ja derivointi ja integrointi voidaan suorittaa termeittäin aivan kuten polynomille.

Lause 6.3.7

Olkoon \(R>0\) potenssisarjan (1) suppenemissäde. Tällöin funktio \(f(x)\) on derivoituva välillä \((-R,R)\) ja integroituva jokaisella välillä \([a,b]\subseteq(-R,R)\). Kun \(|x|<R\), niin

\[\begin{split}\begin{aligned} f'(x)&=\sum_{k=0}^\infty D(a_kx^k) =\sum_{k=1}^\infty ka_kx^{k-1}=a_1+2a_2x+3a_3x^2+4a_4x^3+\cdots\\ \int_0^xf(t)\,\d t &=\sum_{k=0}^\infty\int_0^xa_kt^k\,\d t =\sum_{k=0}^\infty\frac{a_kx^{k+1}}{k+1}=a_0x+\frac12a_1x^2+\frac13a_2x^3+\cdots. \end{aligned}\end{split}\]

Lisäksi derivoidulla ja integroidulla sarjalla on sama suppenemissäde \(R\).

Muunnokselle \(x - c = u\) on voimassa \(\d x = \d u\), ja tämän vuoksi lause yleistyy suoraan myös potenssisarjalle \(\sum\limits_{k=0}^{\infty}a_k(x-c)^k\).

Esimerkki 6.3.8

Tutkitaan geometrista sarjaa

(2)\[\frac{1}{1-x}=\sum_{k=0}^\infty x^k=1+x+x^2+x^3+\cdots,\]

kun \(-1 < x < 1\). Derivoimalla tämä yhtälö puolittain saadaan

\[\frac{1}{(1-x)^2}=\sum_{k=1}^\infty kx^{k-1}=1+2x+3x^2+4x^3+\cdots\]

välille \(-1 < x < 1\). Toisaalta integroimalla yhtälö (2) puolittain väliä \([0,x]\) pitkin saadaan

\[-\ln(1-x)=\sum_{k=0}^\infty\frac{1}{k+1}x^{k+1}=x+\frac12x^2+\frac13x^3+\frac14x^4+\cdots.\]

Sijoitetaan tässä muuttujan \(x\) paikalle \(-x\) jolloin nähdään, että

\[\ln(1+x)=\sum_{k=0}^\infty\frac{(-1)^k}{k+1}x^{k+1}=x-\frac12x^2+\frac13x^3-\frac14x^4+\cdots,\]

kun \(-1 < x < 1\).

Palautusta lähetetään...