Kompleksiset sarjat ja potenssisarjat

Samankaltaiset tiedostot
Potenssisarja, suppenemissäde. Potenssisarja ja derivointi. Potenssisarja ja analyyttiset funktiot. Potenssisarja ja integrointi.

Kompleksianalyysi, viikko 5

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

Kompleksitermiset jonot ja sarjat

Matemaattinen Analyysi

Sarjoja ja analyyttisiä funktioita

8 Potenssisarjoista. 8.1 Määritelmä. Olkoot a 0, a 1, a 2,... reaalisia vakioita ja c R. Määritelmä 8.1. Muotoa

V. POTENSSISARJAT. V.1. Abelin lause ja potenssisarjan suppenemisväli. a k (x x 0 ) k M

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

a) z 1 + z 2, b) z 1 z 2, c) z 1 z 2, d) z 1 z 2 = 4+10i 4 = 10i 5 = 2i. 4 ( 1)

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Kuinka määritellään 2 3?

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II kevät 2018 Ratkaisut 1. välikokeen preppaustehtäviin. 1. a) Muodostetaan osasummien jono. S n =

Funktiojonot ja funktiotermiset sarjat Funktiojono ja funktioterminen sarja Pisteittäinen ja tasainen suppeneminen

3 Lukujonon raja-arvo

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

1 sup- ja inf-esimerkkejä

1 Reaaliset lukujonot

3 Lukujonon raja-arvo

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat

Sarja. Lukujonosta (a k ) k N voi muodostaa sen osasummien jonon (s n ): s 1 = a 1, s 2 = a 1 + a 2, s 3 = a 1 + a 2 + a 3,...,

(b) = x cos x 1 ( cos x)dx. = x cos x + cos xdx. = sin x x cos x + C, C R.

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

Sarjojen suppenemisesta

reaalifunktioiden ominaisuutta, joiden perusteleminen on muita perustuloksia hankalampaa. Kalvoja täydentää erillinen moniste,

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

Matematiikan tukikurssi

Diskreetin LTI-systeemin stabiilisuus

1. Viikko. K. Tuominen MApu II 1/17 17

Matemaattinen Analyysi

Poistumislause Kandidaatintutkielma

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

7. Tasaisen rajoituksen periaate

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

Tenttiin valmentavia harjoituksia

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu.

1 Supremum ja infimum

Seuraava topologisluonteinen lause on nk. Bairen lause tai Bairen kategorialause, n=1

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

Todista raja-arvon määritelmään perustuen seuraava lause: Jos lukujonolle a n pätee lima n = a ja lima n = b, niin a = b.

5 Funktion jatkuvuus ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Määritelmä ja perustuloksia

Täydellisyysaksiooman kertaus

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

Positiivitermisten sarjojen suppeneminen

2 Taylor-polynomit ja -sarjat

Tehtävä 3. Määrää seuraavien jonojen raja-arvot 1.

πx) luvuille n N. Valitaan lisäksi x = m,

Tasainen suppeneminen ja sen sovellukset

funktiojono. Funktiosarja f k a k (x x 0 ) k

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdoituksia Rami Luisto Sivuja: 5

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Tehtäväsarja I Tehtävät 1-5 perustuvat monisteen kappaleisiin ja tehtävä 6 kappaleeseen 2.8.

nyky-ymmärryksemme mukaan hajaantuvaan sarjaan luvun 1 2 kun n > N Huom! Määritelmä on aivan sama C:ssä ja R:ssä. (Kuva vain on erilainen.

mplperusteet 1. Tiedosto: mplp001.tex Ohjelmat: Maple, [Mathematica] Sievennä lauseke x 1 ( mplp002.tex (PA P1 s.2011)

5 Funktion jatkuvuus ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Määritelmä ja perustuloksia. 1. Tarkastellaan väitettä

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

Reaaliluvut. tapauksessa metrisen avaruuden täydellisyyden kohdalla. 1 fi.wikipedia.org/wiki/reaaliluku 1 / 13

Taylorin sarja ja Taylorin polynomi

Kompleksianalyysi, viikko 6

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Kompleksianalyysi viikko 3

z-muunnos ja differenssiyhtälöt

1. Määritä funktion f : [ 1, 3], f (x)= x 3 3x, suurin ja pienin arvo.

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Residylaskenta ja sen sovelluksena äärettömien sarjojen summien laskeminen ja Mittag-Leerin laajennuslause

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

Kompleksianalyysin luentomoniste; johdanto

Luvun π irrationaalisuus. Ilari Vallivaara

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Esimerkki kaikkialla jatkuvasta muttei missään derivoituvasta funktiosta

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

2.2.1 Ratkaiseminen arvausta sovittamalla

=p(x) + p(y), joten ehto (N1) on voimassa. Jos lisäksi λ on skalaari, niin

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Johdanto

Injektio. Funktiota sanotaan injektioksi, mikäli lähtöjoukon eri alkiot kuvautuvat maalijoukon eri alkioille. Esim.

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 3: Osittaisderivaatta

Matematiikan tukikurssi

Matemaattinen Analyysi

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Matematiikka tutuksi Harjoitus 2, malliratkaisut

Transkriptio:

MS-C1300 Kompleksianalyysi Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto K Kytölä & A Gutiérrez Syksy 2018 Ratkaisut 3A 3A Kompleksiset sarjat ja potenssisarjat 3A1 Laske seuraavien sarjojen suppenemissäteet ja selvitä siten, missä joukossa kukin sarjoista määrittelee analyyttisen funktion: i n (2n)! (a): (z 1)n (b): n n! (n + 1)! zn (c): 2 n (z + i) n2. Ratkaisu. Kohta (a): Sarja i n (z n 1)n on potenssisarja pisteen z 0 = 1 ympärillä. Merkitään sarjan kertoimia a n = in. Peräkkäisten kertoimien modulien suhteen raja-arvo voidaan n laskea lim a n a n+1 = lim i n /n i n+1 /(n + 1) = lim 1/n 1/(n + 1) = lim n + 1 n = lim 1 + 1 n 1 Käytetään d Alembertin suhdetestiä (Lause 3.21) ja todetaan sen perusteella suppenemissäteen olevan ylläoleva raja-arvo, R = 1. Sarja siis suppenee avoimessa R-säteisessä z 0 -keskisessä kiekossa B(z 0, R) = B(1, 1) ja määrittelee tässä kiekossa analyyttisen funktion. Kohta (b): Sarja sarjan kertoimia b n = n! (n+1)! zn on potenssisarja pisteen z 0 = 0 ympärillä. Merkitään. Peräkkäisten kertoimien modulien suhteen raja-arvo voidaan laskea lim (2n)! = 1. (2n)! n! (n+1)! b n b n+1 = lim b n b n+1 = lim ( (2n)! n! (n + 1)! (n + 1)! (n + 2)! ) (2n + 2)! (n + 1)(n + 2) = lim (2n + 2)(2n + 1) = 1 2 lim n + 2 2n + 1 = 1 2 lim 1 + 2 n 2 + 1 = 1 2 1 2 = 1 4. n Käytetään d Alembertin suhdetestiä (Lause 3.21) ja todetaan sen perusteella suppenemissäteen olevan ylläoleva raja-arvo, R = 1. Sarja siis suppenee avoimessa kiekossa 4 B(0, 1 ) ja määrittelee tässä kiekossa analyyttisen funktion. 4 Kertoimet b n ovat n.k. Catalanin luvut, jotka esiintyvät useissa kombinatorisissa ongelmissa. Ylläoleva sarja on Catalanin luvuista muodostettu generoiva funktio. Tällaiset generoivat funktiot ovat analyyttisen kombinatoriikan perustyökaluja ja jo ylläolevasta suppenemissädelaskusta voidaan päätellä ainakin Catalanin lukujen johtava eksponentiaalinen asymptotiikka b n 4 n (nimittäin n b n 1 = 4). Generoivan funktion R tarkempi analyysi paljastaisi tarkemmaksi asymptotiikaksi b n 1 π n 3/2 4 n. Kohta (c): Sarja 2n (z+i) n2 on muotoa k=0 c k (z+i) k oleva potenssisarja pisteen z 0 = i ympärillä. Sen kertoimet ovat { 2 n jos k = n 2 jollakin n c k = 0 muuten. 1 / 4

MS-C1300 Kompleksianalyysi Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto K Kytölä & A Gutiérrez Syksy 2018 Ratkaisut 3A Kertoimien joukossa on paljon nollia, joten d Alembertin suhdetestiä ei voida käyttää, eikä raja-arvo lim k k c k ole myöskään olemassa. Suppenemissäteen R määrittämiseksi käytetään Hadamardin kaavaa (Lause 3.20) R = lim inf k 1 k ck = 1 lim sup k k c k, jonka avulla suppenemissäteen voi aina selvittää. Muotoa k = n 2 olevilla indekseillä k ck = c k 1/k = c n 2 1/n2 = ( 2 n) 1/n 2 = 2 1/n 1. Näiden indeksien määrittämää osajonoa (c n 2) n N pitkin siis raja-arvo on 1, joten saadaan lim sup k k c k 1. Toisaalta kaikki muut kertoimet ovat nollia, joten nähdään, ettei lim sup ole tätä suurempi vaan itseasiassa k lim sup ck = 1. k Suppenemissäteeksi saadaan tämän käänteisluku R = 1 lim sup k k c k = 1 1 = 1. Sarja 2n (z+i) n2 siis suppenee avoimessa R-säteisessä z 0 -keskisessä kiekossa B(z 0, R) = B( i, 1) ja määrittelee tässä kiekossa analyyttisen funktion. 2 / 4

MS-C1300 Kompleksianalyysi Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto K Kytölä & A Gutiérrez Syksy 2018 Ratkaisut 3A 3A2 Olkoon (a n ) n N sellainen kompleksilukujono, että a n < ja n a n =. Osoita, että sarjan suppenemissäde on 1. a n z n Ratkaisu. Merkitään potenssisarjan a n z n suppenemissädettä R. Määritellään vertailukohdaksi toinenkin sarja, jonka kertoimet b n := a n 0 ovat alkuperäisen sarjan kertoimien modulit. Sarjoilla a n z n ja b n z n on sama suppenemissäde R, koska Hadamardin yleinen kaava suppenemissäteelle (Lause 3.20) R = lim inf n 1 n an riippuu vain kerrointen moduleista ja nämä modulit ovat samat, a n = b n. Oletuksesta a n < seuraa, että potenssisarja b n z n suppenee pisteessä z = 1: b n 1 n = a n <, joten Abelin lauseen (Lause 3.19) perusteella potenssisarja b n z n suppenee ainakin kaikissa suljetuissa kiekoissa B(0, r) = { z C } z r joiden säde on alle yksi, r < 1. Koska r voi kuitenkin olla mielivaltaisen lähellä ykköstä, on sarjan b n z n suppenemissäde R näinollen vähintään yksi, R 1. Nyt on osoitettu, että R 1 ja tavoitteena on osoittaa R = 1. Tehdään vastaoletus, että R > 1. Termeittäin derivoidun sarjan nb n z n 1 suppenemissäde on sama R kuin sarjalla b n z n (Lause 3.23), ja vastaoletuksen mukaan tämä suppenemissäde on R > 1. Silloin derivoidun sarjan olisi supettava erityisesti pisteessä z = 1, koska tämä piste olisi suppenemiskiekossa, 1 B(0, R). Toisaalta oletuksesta n a n = seuraa, että derivoitu sarja itseasiassa hajaantuu pisteessä z = 1: n b n 1 n 1 = n a n =. Tämä ristiriita osoittaa vastaoletuksen vääräksi, joten päätellään suppenemissäteen olevan R = 1. 3 / 4

MS-C1300 Kompleksianalyysi Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto K Kytölä & A Gutiérrez Syksy 2018 Ratkaisut 3A Tällaisia potenssisarjoja esiintyy muun muassa stokastiikassa: Jos N on luonnollosia lukuja arvoinaan saava satunnaismuuttuja, jonka odotusarvo E[N] on ääretän, niin sen todennäköisyydet generoiva funktio G(z) = P [ N = n ] z n toteuttaa tämän tehtävän oletukset. Erityisesti generoivan funktion suppenemiskiekko on tällaisessa tapauksessa välttämättä kompleksitason yksikkökiekko. Vastaavanlaiset generoivat funktiot ovat hyödyllisiä työkaluja stokastiikan lisäksi statistisessa fysiikassa, kombinatoriikassa, lukuteoriassa, jne. ja muun muassa siksi kompleksianalyysi onkin niin hyödyllistä :). 4 / 4