Открыть сервисСервис
Главная → Блог → Признак Дирихле сходимости ряда

Признак Дирихле сходимости ряда

Признак Дирихле — достаточное условие сходимости числового ряда, применяемое к рядам вида \(\sum_{n=1}^{\infty} a_n b_n\), где последовательность \(a_n\) монотонно стремится к нулю, а частичные суммы последовательности \(b_n\) ограничены в совокупности. Признак назван в честь немецкого математика Петера Густава Лежёна Дирихле (1805–1859) и относится к классу признаков сходимости, обобщающих признак Абеля.

Формулировка

Пусть дан ряд \(\sum_{n=1}^{\infty} a_n b_n\). Если выполнены два условия:

  1. последовательность \((a_n)\) монотонна и \(\lim_{n \to \infty} a_n = 0\);
  2. частичные суммы \(S_N = \sum_{n=1}^{N} b_n\) ограничены по модулю некоторой константой \(M\): \(|S_N| \le M\) для всех \(N\),

то ряд \(\sum_{n=1}^{\infty} a_n b_n\) сходится.

Существует также интегральный вариант признака, относящийся к несобственным интегралам, и обобщение на случай комплексных чисел. В формулировке для интегралов условие монотонности \(a(x) \to 0\) сочетается с ограниченностью первообразной функции \(b(x)\).

Связь с другими признаками

Признак Дирихле тесно связан с признаком Абеля: последний требует сходимости ряда \(\sum b_n\) и монотонности \(a_n\), тогда как Дирихле ослабляет требование к \(b_n\) до ограниченности частичных сумм, но усиливает требование к \(a_n\) (стремление к нулю). Оба признака доказываются с помощью преобразования Абеля — дискретного аналога интегрирования по частям.

Частным случаем признака Дирихле является признак Лейбница для знакочередующихся рядов: если \(b_n = (-1)^{n}\), частичные суммы ограничены, и признак Дирихле автоматически даёт сходимость.

Доказательство (схема)

Доказательство опирается на критерий Коши. Рассматривается сумма \(\sum_{n=m+1}^{k} a_n b_n\), которая преобразуется по формуле суммирования по частям:

\[ \sum_{n=m+1}^{k} a_n b_n = a_k S_{m,k} - \sum_{n=m+1}^{k-1} (a_n - a_{n+1}) S_{m,n}, \]

где \(S_{m,n} = \sum_{i=m+1}^{n} b_i\). Ограниченность \(S_{m,n}\) и монотонность \(a_n\) позволяют оценить модуль суммы сверху величиной, стремящейся к нулю при \(m, k \to \infty\), что и даёт выполнение критерия Коши.

Примеры применения

Классический пример — ряд \(\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\sin n}{n}\). Здесь \(a_n = 1/n\) монотонно убывает к нулю, а частичные суммы \(\sum \sin n\) ограничены (по формуле суммы синусов). Следовательно, ряд сходится, хотя ряд из модулей \(\sum |\sin n|/n\) расходится — то есть сходимость условная.

Аналогично исследуется ряд \(\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\cos n}{n}\), а также более общие ряды вида \(\sum \frac{e^{in\theta}}{n}\) при \(\theta \ne 2\pi k\).

Признак Дирихле применяется при исследовании тригонометрических рядов Фурье, в теории равномерной сходимости, а также в аналитической теории чисел при изучении характеров Дирихле и L-функций.

Значение в математике

Признак Дирихле — один из базовых инструментов математического анализа. Он входит в стандартные курсы высшей математики наряду с признаками сравнения, Даламбера, Коши и Абеля. Его ценность в том, что он позволяет устанавливать сходимость рядов, к которым неприменимы более простые признаки, в частности рядов с условной сходимостью.

В теории рядов Фурье признак лежит в основе доказательства сходимости рядов Фурье для кусочно-монотонных функций, а также используется при выводе условий Дирихле — достаточных условий разложимости функции в тригонометрический ряд.

Ограничения

Признак Дирихле даёт лишь достаточное, но не необходимое условие сходимости. Если монотонность \(a_n\) нарушена или частичные суммы \(b_n\) не ограничены, признак неприменим, хотя ряд может сходиться. Кроме того, признак не даёт информации о сумме ряда — только о факте сходимости.

Отдельно оговаривается, что условие монотонности нельзя отбросить без потери справедливости утверждения: существуют контрпримеры, где \(a_n \to 0\), частичные суммы \(b_n\) ограничены, но ряд расходится.

Историческая справка

Петер Густав Лежён Дирихле сформулировал это условие в работах по теории рядов и теории чисел в 1830–1840-х годах. Признак вошёл в учебную литературу благодаря трудам математиков XIX века, в том числе в российских курсах анализа. В отечественной традиции признак Дирихле изучается вместе с признаком Абеля как единая тема «признаки сходимости Абеля — Дирихле».

Источники

  • Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления.
  • Зорич В. А. Математический анализ.
  • Ильин В. А., Позняк Э. Г. Основы математического анализа.
  • Кудрявцев Л. Д. Курс математического анализа.

Похожие материалы