İçeriğe geç
Educora
Üniversite35 dk74 / 82

Diziler ve seriler

Dizilerin limiti, seriler ve kısmi toplamlar, geometrik ve harmonik seriler, yakınsaklık testleri (ıraksaklık, karşılaştırma, oran, integral), kuvvet serileri ve eˣ, sin x, cos x ile ln(1 + x) fonksiyonlarının Taylor ve Maclaurin serileri.

Kendini test et
Bu derste öğreneceklerin
  • Bir dizinin limitini bulmak ve bir serinin yakınsaklığını açıklamak
  • Geometrik serinin toplamını bulmak
  • Yakınsaklık testlerini seçmek ve uygulamak
  • Fonksiyonları Taylor serisine açmak ve yakınsaklık yarıçapını bulmak

2 metre yürümek için önce 1 m, sonra kalan yolun yarısını (1/2 m), sonra yine kalanın yarısını (1/4 m) yürürsünüz ve bu böyle sürer: sonsuz sayıda adım. Sonsuz sayıda pozitif sayının toplamı sonlu olabilir mi? Burada evet: 1 + 1/2 + 1/4 + … = 2. Ama 1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + … toplamı sınırsız büyür! Bu derste bu iki durumu ayırt etmeyi ve bilgisayarların eˣ ile sin x'i sonsuz toplamlardan kurulan polinomlarla nasıl hesapladığını öğreneceksiniz.

Diziler ve limitleri

Tanım
Dizinin limiti

a₁, a₂, a₃, … dizisi, n doğal sayısının bir fonksiyonudur. Her ε > 0 için tüm n > N değerlerinde |aₙ − L| < ε olacak şekilde bir N sayısı varsa L, dizinin limitidir: lim (n→∞) aₙ = L. Sonlu limiti olan dizi yakınsak, diğerleri ıraksak diziler olarak adlandırılır.

Örnekler: aₙ = 1/n → 0; aₙ = (n + 1)/n = 1 + 1/n → 1; aₙ = (−1)ⁿ, −1 ile 1 arasında gidip gelir ve ıraksar; aₙ = 2ⁿ → ∞. Kullanışlı bir teorem (Weierstrass): monoton ve sınırlı her dizi yakınsar. Örneğin (1 + 1/n)ⁿ artar ve 3'ün altında kalır; dolayısıyla bir limiti vardır: e sayısı.

Seriler ve geometrik seri

Tanım
Seri ve toplamı

a₁ + a₂ + a₃ + … = ∑ aₙ ifadesine seri, Sₙ = a₁ + … + aₙ'ye de n. kısmi toplam denir. Sₙ sonlu bir S sayısına yaklaşıyorsa seri yakınsar ve S onun toplamıdır; aksi hâlde seri ıraksar.

∑ₙ₌₀^∞ a · qⁿ = a / (1 − q), |q| < 1 Sₙ = a(1 − qⁿ) / (1 − q)∑ₙ₌₀^∞ a · qⁿ = a / (1 − q), |q| < 1 Sₙ = a(1 − qⁿ) / (1 − q)
burada:
  • ailk terim
  • qortak çarpan; |q| ≥ 1 ise seri ıraksar

Geometrik seri. İspat: Sₙ − q · Sₙ = a − a · qⁿ, dolayısıyla Sₙ = a(1 − qⁿ)/(1 − q); |q| < 1 ise qⁿ → 0.

Geometrik serinin üç uygulaması

a) 1 + 1/2 + 1/4 + … toplamını bulun.
b) 0,333… ve 0,2727… sayılarını kesir olarak yazın.
c) 10 m yükseklikten bırakılan bir top her seferinde önceki yüksekliğin %60'ına kadar sıçrıyor. Top durana kadar toplam ne kadar yol alır?

Çözümü göster
a) a = 1, q = 1/2: 1/(1 − 1/2) = 2.
b) 0,333… = 3/10 + 3/100 + … = (3/10)/(1 − 1/10) = 1/3; 0,2727… = 27/100 + 27/10000 + … = (27/100)/(1 − 1/100) = 27/99 = 3/11.
c) Önce 10 m aşağı. Sonra her sıçrama yukarı ve aşağıdır: 2 · (6 + 3,6 + 2,16 + …) = 2 · 6/(1 − 0,6) = 30 m.
Toplam: 10 + 30 = 40 m.

Harmonik seri ve yakınsaklık testleri

Harmonik seri 1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + …, terimleri 0'a gitse de ıraksar. Terimleri gruplayalım: 1/3 + 1/4 > 1/4 + 1/4 = 1/2; 1/5 + … + 1/8 > 4 · 1/8 = 1/2; 1/9 + … + 1/16 > 1/2 ve böyle devam eder: her biri 1/2'den büyük sonsuz sayıda grup. Büyüme çok yavaştır, kabaca ln n gibi: ilk bir milyon terimin toplamı yalnızca yaklaşık 14,39'dur.

∑ₙ₌₁^∞ 1/nᵖ yakınsar ⇔ p > 1∑ₙ₌₁^∞ 1/nᵖ yakınsar ⇔ p > 1
burada:
  • püs: p = 1 harmonik seridir (ıraksar); p = 2 için toplam π²/6'dır

p-serileri: karşılaştırma için temel ölçüt.

TestİfadeNe zaman kullanılır
Iraksaklık (n. terim) testiaₙ ↛ 0 ⇒ seri ıraksarher zaman, ilk kontrol olarak
Karşılaştırma testi0 ≤ aₙ ≤ bₙ: ∑ bₙ yakınsarsa ∑ aₙ de yakınsar; ∑ aₙ ıraksarsa ∑ bₙ de ıraksarbüyük n için 1/nᵖ veya qⁿ'ye benzeyen terimler
Oran testi (d'Alembert)L = lim |aₙ₊₁/aₙ|: L < 1 yakınsar, L > 1 ıraksar, L = 1 sonuç yokfaktöriyeller, aⁿ kuvvetleri
İntegral testif pozitif ve azalan, f(n) = aₙ: ∑ aₙ ile ∫₁^∞ f(x) dx birlikte yakınsar ya da ıraksarkolay integre edilen terimler
Alterne seri testi (Leibniz)|aₙ| azalarak 0'a gidiyorsa ∑ (−1)ⁿ aₙ yakınsarişareti değişen seriler
Temel yakınsaklık testleri (Leibniz testi dışında pozitif terimli seriler için).
L = lim (n→∞) |aₙ₊₁ / aₙ|: L < 1 ⇒ yakınsar, L > 1 ⇒ ıraksarL = lim (n→∞) |aₙ₊₁ / aₙ|: L < 1 ⇒ yakınsar, L > 1 ⇒ ıraksar
burada:
  • Lardışık terimlerin oranının limiti

Oran testi. L = 1 için cevap vermez: hem ∑ 1/n hem de ∑ 1/n² için L = 1'dir.

Testler iş başında

Serilerin yakınsaklığını inceleyin: a) ∑ n/2ⁿ; b) ∑ n!/10ⁿ; c) ∑ 1/(n² + n); d) ∑ 1/√n; e) ∑ₙ₌₂^∞ 1/(n ln n).

Çözümü göster
a) Oran testi: ((n + 1)/2ⁿ⁺¹) · (2ⁿ/n) = (n + 1)/(2n) → 1/2 < 1 ⇒ yakınsar (toplamı 2'dir).
b) Oran testi: ((n + 1)!/10ⁿ⁺¹) · (10ⁿ/n!) = (n + 1)/10 → ∞ ⇒ ıraksar (terimlerin kendisi büyür).
c) 1/(n² + n) ≤ 1/n² ve ∑ 1/n² yakınsak ⇒ yakınsar. Aslında 1/(n² + n) = 1/n − 1/(n + 1) olduğundan kısmi toplamlar teleskop gibi kapanır: Sₙ = 1 − 1/(n + 1) → 1.
d) p = 1/2 ≤ 1 olan bir p-serisi ⇒ ıraksar.
e) İntegral testi: ∫₂ᵇ dx/(x ln x) = ln(ln b) − ln(ln 2) → ∞ ⇒ ıraksar (harmonik seriden bile yavaş).

Kuvvet serileri, Taylor ve Maclaurin serileri

∑ₙ₌₀^∞ cₙ (x − a)ⁿ, R = lim (n→∞) |cₙ / cₙ₊₁|∑ₙ₌₀^∞ cₙ (x − a)ⁿ, R = lim (n→∞) |cₙ / cₙ₊₁|
burada:
  • cₙserinin katsayıları
  • aserinin merkezi
  • Ryakınsaklık yarıçapı: |x − a| < R iken yakınsar, |x − a| > R iken ıraksar; uç noktalar ayrıca incelenir

Bir kuvvet serisi ve yakınsaklık yarıçapı (oran testinden gelir).

f(x) = ∑ₙ₌₀^∞ f⁽ⁿ⁾(a) / n! · (x − a)ⁿf(x) = ∑ₙ₌₀^∞ f⁽ⁿ⁾(a) / n! · (x − a)ⁿ
burada:
  • f⁽ⁿ⁾(a)a noktasındaki n. türev
  • a = 0bu durumda seriye Maclaurin serisi denir

Taylor serisi: önceki derslerdeki Taylor polinomunun sonsuza uzatılmış hâli.

FonksiyonMaclaurin serisiYakınsadığı yer
eˣ1 + x + x²/2! + x³/3! + … = ∑ xⁿ/n!tüm x
sin xx − x³/3! + x⁵/5! − x⁷/7! + …tüm x
cos x1 − x²/2! + x⁴/4! − x⁶/6! + …tüm x
ln(1 + x)x − x²/2 + x³/3 − x⁴/4 + …−1 < x ≤ 1
1/(1 − x)1 + x + x² + x³ + …|x| < 1
Ezbere bilinmeye değer beş Maclaurin serisi.
Serilerle hesaplama

a) eˣ'in Maclaurin serisini türetin ve 6 terimle e'yi hesaplayın.
b) sin 0,5'i iki ve üç terimle tahmin edin.
c) ∑ₙ₌₁^∞ xⁿ/n serisinin yakınsaklık aralığını bulun.

Çözümü göster
a) (eˣ)⁽ⁿ⁾ = eˣ, yani f⁽ⁿ⁾(0) = 1 ve eˣ = ∑ xⁿ/n!. x = 1 için: e ≈ 1 + 1 + 1/2 + 1/6 + 1/24 + 1/120 ≈ 2,7167 (gerçek değer 2,71828…).
b) sin 0,5 ≈ 0,5 − 0,125/6 ≈ 0,47917; 0,5⁵/120 ≈ 0,00026 eklenirse 0,47943 olur; gerçek değer 0,479426'dır.
c) cₙ = 1/n: R = lim (n + 1)/n = 1. x = 1'de harmonik seri çıkar ve ıraksar; x = −1'de alterne harmonik seri çıkar ve Leibniz'e göre yakınsar. Yakınsaklık aralığı [−1, 1).
Etkileşimli
Simülasyon yükleniyor…
sin x ve onun iki ve üç terimli Maclaurin polinomları. 0 yakınında eğriler neredeyse çakışır; her yeni terim iyi yaklaşım bölgesini genişletir. Dördüncü terimi (− x^7/5040) kendiniz ekleyin.

Önemli noktalar

  • lim aₙ = L: bir N'den sonra tüm terimler L'ye ε'dan yakındır; monoton ve sınırlı dizi yakınsar.
  • Bir seri, kısmi toplamlarının sonlu bir limiti varsa yakınsar; geometrik seri: |q| < 1 için ∑ a · qⁿ = a/(1 − q).
  • aₙ → 0 gereklidir ama yeterli değildir: harmonik seri ∑ 1/n ıraksar; ∑ 1/nᵖ yakınsar ⇔ p > 1.
  • Oran testi: L = lim |aₙ₊₁/aₙ| < 1 yakınsar, > 1 ıraksar, = 1 belirsiz.
  • eˣ = ∑ xⁿ/n!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + … (−1 < x ≤ 1).

Kendini test et

10 soru. Her doğru cevap XP kazandırır.

1 / 10
6 + 2 + 2/3 + 2/9 + … serisinin toplamı kaçtır?