CHƯƠNG 5
CHUỖI SỐ VÀ CHUỖI HÀM
V.1. GIỚI THIỆU
Trong chương này chúng tôi trình bày những kết quả cơ bản của lý thuyết chuỗi
số, chuỗi hàm, chuỗi lũy thừa, chuỗi lượng giác, mà chúng có nhiều ứng dụng trong
ngành toán học khác và các ngành kỹ thuật, kinh tế,...
V.2. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG
Trình bày các khái niệm và tính chất cơ bản về chuỗi số, sự hội tụ của chuỗi số;
chuỗi hàm và miền hội tụ, chuỗi lũy thừa và chuỗi Fourier.
V.3. CHUẨN ĐẦU RA CỦA CHƯƠNG
1. Trình bày được định nghĩa và các tính chất cơ bản của chuỗi số hội tụ.
2. Tính được tổng của một số chuỗi số đặc biệt.
3. Sử dụng được dấu hiệu hội tụ để xét sự hội tụ của chuỗi số dương.
4. Sử dụng được dấu hiệu Lepnit để xét sự hội tụ của chuỗi đan dấu. Khảo
sát được sự hội tụ tuyệt đối của chuỗi số.
5. Trình bày được các khái niệm về miền hội tụ của chuỗi hàm, tổng của chuỗi
hàm.
6. Tìm được miền hội tụ của chuỗi hàm.
7. Tìm được bán kính hội tụ, miền hội tụ và tính được tổng của chuỗi lũy
thừa. Viết được khai triển hàm thành chuỗi lũy thừa.
8. Trình bày được các khái niệm hệ số Fourier, chuỗi Fourier. Viết được khai
triển thành chuỗi Fourier của các hàm chẵn, lẻ, tuần hoàn và không tuần hoàn.
V.4. NỘI DUNG CỦA CHƯƠNG
144
145 Giáo trình Giải tích
Trong chương này chúng ta trình bày những khái niệm và tính chất cơ bản về
chuỗi số và chuỗi hàm số thực.
1 Chuỗi số
1.1 Các khái niệm cơ bản
1.1.1 Định nghĩa. Cho dãy số thực {an}∞
n=1. Ta gọi tổng hình thức
a1+a2+··· +an+··· (5.1)
là một chuỗi số và ký hiệu là ∞
∑
n=1
an,anđược gọi là số hạng thứ ncủa chuỗi số (5.1).
Với mỗi n= 1,2, ... đặt
Sn=a1+a2+... +an=
n
∑
i=1
ai
và gọi Snlà tổng riêng thứ ncủa chuỗi số (5.1). Dãy {Sn}được gọi là dãy tổng riêng
của chuỗi (5.1).
Nếu tồn tại lim
n→∞ Sn=Shữu hạn thì chuỗi (5.1) được gọi là hội tụ và có tổng
bằng S. Khi đó ta ký hiệu ∞
∑
n=1
an=S.
Nếu chuỗi không hội tụ thì nó được gọi là phân kỳ. Trong trường hợp lim
n→∞ Sn=
±∞ thì ta viết là ∞
∑
n=1
an=±∞.
Như vậy, chuỗi số hội tụ khi và chỉ khi dãy tổng riêng của nó hội tụ trong R, và
∞
∑
n=1
an=Skhi và chỉ khi lim
n→∞ Sn=S. Hơn nữa, nếu chuỗi (5.1) có tổng bằng Sthì
với mỗi n= 1,2, ... chuỗi ∞
∑
i=n
aicũng hội tụ và có tổng bằng S−Sn−1.
1.1.2 Định nghĩa. Với mỗi n= 1,2, ... ta đặt rn=∞
∑
i=n+1
aivà gọi rnlà phần dư
thứ ncủa chuỗi (5.1).
Như vậy nếu chuỗi (5.1) hội tụ và có tổng Sthì rn=S−Snhội tụ tới 0khi
n→ ∞.
146 Giáo trình Giải tích
1.1.3 Ví dụ. 1) Xét chuỗi số ∞
∑
n=1
1
n(n+ 1). Khi đó tổng riêng thứ ncủa chuỗi là
Sn=1
1.2+1
2.3+... +1
n(n+ 1)
= 1 −1
2+1
2−1
3+... +1
n−1
n+ 1 = 1 −1
n+ 1.
Từ đó ta có lim
n→∞ Sn= lim
n→∞ (1−1
n+ 1)= 1. Vì vậy chuỗi đã cho hội tụ và có tổng
bằng 1.
2) Xét chuỗi số ∞
∑
n=1
1
√n. Khi đó tổng riêng thứ ncủa chuỗi là
Sn= 1 + 1
√2+... +1
√n>1
√n+... +1
√n=n
√n=√n.
Vì vậy lim
n→∞ Sn= +∞. Do đó chuỗi phân kỳ.
3) Xét chuỗi số ∞
∑
n=1
(−1)n. Dễ thấy dãy tổng riêng của chuỗi này có hai dãy con
S2n= 0 và S2n+1 =−1. Do đó dãy tổng riêng phân kỳ, kéo theo chuỗi phân kỳ.
4) Xét chuỗi số ∞
∑
n=1
qn(q∈R). Khi đó tổng riêng thứ ncủa chuỗi này là
Sn=
n
∑
i=1
qi=
q1−qn
1−qnếu q= 1
nnếu q= 1.
Vì vậy nếu |q|<1thì lim
n→∞ Sn=q
1−q, hay chuỗi hội tụ. Nếu |q|>1thì chuỗi phân
kỳ.
1.2 Một số tính chất của chuỗi hội tụ
Định lý sau cho ta một điều kiện cần để chuỗi hội tụ.
1.2.1 Định lý. Nếu chuỗi (5.1) hội tụ thì lim
n→∞ an= 0.
Định lý trên cho chúng ta một dấu hiệu quen thuộc để nhận biết chuỗi phân
kỳ. Chứng minh của nó bạn đọc có thể tham khảo trong các tài liệu tham khảo [1],
[2], [3], [5] của chương 5.
147 Giáo trình Giải tích
1.2.2 Ví dụ. Xét sự hội tụ của chuỗi số ∞
∑
n=1
nsin 1
n.
Ta có an=nsin 1
n. Vì vậy
lim
n→∞ an= lim
n→∞ nsin 1
n= lim
n→∞
sin 1
n
1
n
= 1 = 0.
Do đó chuỗi đã cho phân kỳ.
1.2.3 Nhận xét. Định lý 1.2.1 chỉ là điều kiện cần mà không phải là điều kiện đủ
để chuỗi hội tụ. Ta có thể chỉ ra chuỗi số ∞
∑
n=1
anvới lim
n→∞ an= 0 nhưng chuỗi phân
kỳ. Chẳng hạn, chuỗi số ∞
∑
n=1
1
√n.
Định lý sau còn gọi là tiêu chuẩn Cauchy, đưa ra một điều kiện cần và đủ để
chuỗi số hội tụ. Nó được suy ra từ định nghĩa sự hội tụ của chuỗi và tiêu chuẩn
Cauchy về dãy số hội tụ.
1.2.4 Định lý. (Tiêu chuẩn Cauchy) Chuỗi số ∞
∑
n=1
anhội tụ khi và chỉ khi với mọi
ε > 0tồn tại n0∈Nsao cho |an+1 +... +an+p|< ε với mọi n>n0và mọi p∈N.
Định lý sau đây suy ra trực tiếp từ định nghĩa. Bạn đọc tự chứng minh.
1.2.5 Định lý. Nếu các chuỗi số ∞
∑
n=1
an,∞
∑
n=1
bnhội tụ, có tổng lần lượt là a, b và
α∈R, thì các chuỗi ∞
∑
n=1
(an+bn),∞
∑
n=1
αancũng hội tụ và lần lượt có tổng là a+b,
αa.
1.3 Chuỗi số dương và các dấu hiệu hội tụ
Trong mục này chúng ta nghiên cứu lớp các chuỗi số dương, đối với loại chuỗi
này có nhiều dấu hiệu nhận biết sự hội tụ của nó.
1.3.1 Định nghĩa. Chuỗi số ∞
∑
n=1
anđược gọi là chuỗi số dương nếu an>0với mọi
n≥1.
Nhận xét. Đối với chuỗi số dương, dãy tổng riêng của nó luôn là dãy tăng. Do
đó nhờ tính chất của giới hạn ta suy ra chuỗi số dương ∞
∑
n=1
anhội tụ khi và chỉ khi
148 Giáo trình Giải tích
dãy các tổng riêng của nó bị chặn. Trong trường hợp chuỗi ∞
∑
n=1
anphân kỳ thì tổng
của chuỗi sẽ là +∞. Sau đây, chúng ta đưa ra một số dấu hiệu để nhận biết sự hội
tụ của các chuỗi số dương.
Định lý sau cho một phương pháp so sánh theo giới hạn, chứng minh của nó bạn
đọc tìm hiểu trong các tài liệu tham khảo [1], [2], [3], [5] của chương 5.
1.3.2 Định lý. (Dấu hiệu so sánh 1) Cho các chuỗi số dương ∞
∑
n=1
an,∞
∑
n=1
bn. Giả sử
tồn tại giới hạn hữu hạn hay vô hạn l= lim
n→∞
an
bn
. Khi đó, ta có các kết luận sau:
1) Nếu 0< l < +∞thì các chuỗi ∞
∑
n=1
anvà ∞
∑
n=1
bnđồng thời hội tụ hoặc phân kỳ.
2) Nếu l= 0 và chuỗi ∞
∑
n=1
anhội tụ thì chuỗi ∞
∑
n=1
bnhội tụ.
3) Nếu l= +∞và chuỗi ∞
∑
n=1
bnphân kỳ thì chuỗi ∞
∑
n=1
anphân kỳ.
Định lý sau đưa ra phương pháp so sánh theo bất đẳng thức.
1.3.3 Định lý. (Dấu hiệu so sánh 2) Cho các chuỗi số dương ∞
∑
n=1
an,∞
∑
n=1
bn. Giả sử
tồn tại K > 0và n0∈Nsao cho an6K.bn, với mọi n>n0. Khi đó
1) Nếu chuỗi ∞
∑
n=1
bnhội tụ thì chuỗi ∞
∑
n=1
anhội tụ.
2) Nếu chuỗi ∞
∑
n=1
anphân kỳ thì chuỗi ∞
∑
n=1
bnphân kỳ.
1.3.4 Nhận xét. Người ta chứng minh được rằng chuỗi ∞
∑
n=1
1
ns(với slà hằng số)
hội tụ nếu s > 1và phân kỳ nếu s61(xem Ví dụ 1.3.13). Nhờ tính chất này, chuỗi
∞
∑
n=1
1
nsthường được dùng làm chuẩn để so sánh, khi xét sự hội tụ hay phân kỳ của
các chuỗi số dương.
Bây giờ chúng ta đến với một vài ví dụ áp dụng dấu hiệu so sánh.
1.3.5 Ví dụ. Khảo sát sự hội tụ của các chuỗi số sau:
1) ∞
∑
n=1
sin 1
nα, (α > 0).