Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2 · Bachelor Year 2
11Machtreeksen
Machtreeksen zijn de best opgevoede functiereeksen van de wiskunde: binnen hun convergentieschijf convergeren zij normaal op compacte verzamelingen, mogen zij zonder aarzelen term voor term worden gedifferentieerd en geïntegreerd, en worden hun sommen — de analytische functies — volledig door hun coëfficiënten bepaald. Dit hoofdstuk bewijst dat hele pakket en wint, eerlijk, elke taylorreeks van het volume van bachelorjaar 1 terug; genererende functies sluiten het af met algebraïsche opbrengsten.
11.1 Convergentiestraal
Lemma 11.1(Abel)
Is de rij (anz0n) begrensd voor zekere z0=0, dan convergeert ∑anznabsoluut voor elke ∣z∣<∣z0∣, en normaal op elke schijf ∣z∣≤r<∣z0∣.
Bewijs. Met ∣anz0n∣≤M en ∣z∣≤r is
∣anzn∣=∣anz0n∣z0zn≤M(∣z0∣r)n,
een convergente meetkundige grens, uniform op de schijf. ∎
Definitie 11.2(Convergentiestraal)
De convergentiestraal van ∑anzn is
R=sup{r≥0:(anrn) begrensd}∈[0,+∞].
Volgens Lemma 11.1: absolute convergentie voor ∣z∣<R (normaal op compacte deelschijven), en divergentie — zelfs onbegrensde termen — voor ∣z∣>R. Op de randcirkel kan alles gebeuren (Oefening 11.2). In de praktijk wordt R berekend met de quotiënttest van d’Alembert op ∣an∣∣z∣n of met een vergelijking.
Voorbeeld 11.3(Een straal zonder quotiënttest)
Wat is de straal van ∑sin(n)zn? Het quotiënt ∣sin(n+1)/sinn∣ heeft geen limiet, maar de definitie werkt rechtstreeks. R≥1:∣sinn∣≤1, dus is (sinn⋅rn) begrensd voor elke r<1 — zelfs voor r=1. R≤1: het volstaat dat sinn→0. Stel dat sinn→0; dan zou de somformule
sin(n+1)=sinncos1+cosnsin1
afdwingen dat cosn→0 (los op naar cosn: sin1=0), in strijd met sin2n+cos2n=1. De termen sin(n)1n gaan dus niet naar 0: de reeks divergeert in z=1, en R≤1. Besluit: R=1. Het inzicht om te onthouden: de straal is een uitspraak over de begrensdheid van ∣an∣rn — er is nooit een limiet van quotiënten nodig, en begrensdheidsargumenten beslissen gevallen die de quotiënttest niet kan aanraken (vergelijk de oscillerende coëfficiënten van Oefening 11.1).
Propositie 11.4(Bewerkingen)
Zijn ∑anzn en ∑bnzn met stralen Ra,Rb. Dan geldt voor ∣z∣<min(Ra,Rb)
Bewijs. De somformule is de lineariteit van convergente reeksen, en (an+bn)rn is begrensd zodra zowel anrn als bnrn dat is: straal ≥min(Ra,Rb). Leg voor het product ∣z∣<min(Ra,Rb) vast: beide reeksen convergeren daar absoluut (Lemma 11.1), dus is de dubbel geïndexeerde familie (akzkblzl)k,lsommeerbaar en staat Stelling 7.14 elke groepering toe. Groeperen naar k+l=n:
absoluut convergent voor elke zulke z: de productreeks heeft dus eveneens straal ≥min(Ra,Rb). ∎
Voorbeeld 11.5(Een kwadraat volgens Cauchy, dubbel gecontroleerd)
Kwadrateer de meetkundige reeks: voor ∣x∣<1 is de coëfficiënt van xn in (∑xk)2 gelijk aan cn=∑k+l=n1⋅1=n+1, dus
(1−x)21=n≥0∑(n+1)xn.
Tegencontrole met termsgewijze differentiatie (Stelling 11.7 hieronder): 1−x1=∑xn differentiëren geeft (1−x)21=∑nxn−1=∑(n+1)xn — dezelfde reeks via twee ongerelateerde mechanismen. Het inzicht om te onthouden: lijkt een identiteit tussen coëfficiënten raadselachtig, dan produceert een van deze twee motoren (convolutie of differentiatie) haar meestal in één regel; de vraag in de weekendopgave over ∑(k2k)(n−k2n−2k)=4n laat de convolutiemotor op volle kracht draaien.
Voorbeeld 11.6(Vermenigvuldigen met 1−x1 sommeert de coëfficiënten)
Een Cauchy-product tegen de meetkundige reeks heeft een gedenkwaardige betekenis: voor elke ∑anxn met straal R>0 en ∣x∣<min(R,1) is
1−x1n≥0∑anxn=n≥0∑(k=0∑nak)xn:
vermenigvuldigen met 1−x1 vervangt de coëfficiënten door hun partiële sommen (convolueer met de rij vol enen). Voorbeeld: 1−xex=∑nsnxn met sn=∑k≤nk!1, de partiële sommen van e — vergelijk Oefening 11.11, waar hetzelfde product met e−x de aantallen derangementen codeert. Het inzicht om te onthouden: bewerkingen op machtreeksen zijn vermomde bewerkingen op rijen van coëfficiënten (vermenigvuldigen met 1−x1: sommeren; vermenigvuldigen met x: verschuiven; differentiëren: met n vermenigvuldigen en verschuiven) — een woordenboek dat het hoofdstuk over genererende functies vloeiend zal lezen.
11.2 Regulariteit van de som
Stelling 11.7(Termsgewijs rekenen)
Zij f(x)=∑n≥0anxn met straal R>0 (reële veranderlijke x∈(−R,R)).
De afgeleide reeks ∑nanxn−1 heeft dezelfde straal R, en f is van klasse C1 met f′(x)=∑n≥1nanxn−1. Itereren maakt f van klasse C∞ met
an=n!f(n)(0):
de coëfficiënten van een machtreeks liggen dus vast (twee reeksen met dezelfde som bij 0 hebben gelijke coëfficiënten).
Termsgewijze primitieve: ∑n+1anxn+1 heeft straal R en afgeleide f.
Bewijs.Dezelfde straal: is (anrn) begrensd en r′<r, dan is n∣an∣r′n−1=r′n∣anrn∣(rr′)n begrensd (zelfs →0: meetkundig wint van n), dus R′≥R; omgekeerd geeft ∣anxn∣≤∣x∣⋅n∣an∣∣x∣n−1 dat R≥R′.
Differentiatie: op [−r,r] met r<R convergeert de afgeleide reeks normaal (n∣an∣rn−1 is sommeerbaar volgens de straalberekening); de oorspronkelijke convergeert in x=0: de differentiatiestelling voor reeksen (Stelling 10.11) is dus op elk zulk segment van toepassing, en daarmee op (−R,R). Na k keer itereren en in 0 evalueren: expliciet is de k-de afgeleide reeks
f(k)(x)=n≥k∑n(n−1)⋯(n−k+1)anxn−k,
en in x=0 verdwijnt elke term met n>k, zodat alleen de constante term k(k−1)⋯1⋅ak overblijft: f(k)(0)=k!ak. De eenduidigheid van de coëfficiënten volgt: twee machtreeksen met dezelfde som bij 0 hebben dezelfde afgeleiden in 0 en dus dezelfde ak. Primitieven: dezelfde straal met dezelfde berekening, en termsgewijs terugdifferentiëren. ∎
Voorbeeld 11.8(Een reeks in een punt evalueren)
Wat is ∑n≥12nn2? Het is de som ∑n2xn uit Oefening 11.3, binnen de schijf geëvalueerd, in x=21<1=R, waar elke bewerking die tot de gesloten vorm leidde legitiem was:
Dezelfde motor, andere knoppen: x=31 geeft ∑3nn2=(2/3)331⋅34=23. Het inzicht om te onthouden: een identiteit tussen machtreeksen is een machine, geen enkele formule — één afleiding beprijst tegelijk elke getallenreeks ∑n2qn voor alle ∣q∣<1; zo zal het hoofdstuk over genererende functies verwachtingswaarden en varianties in bulk berekenen.
de tweede in twee stappen: substitueer −x2 in de meetkundige reeks om 1+x21=∑(−1)nx2n te krijgen (straal 1, want x2<1⟺∣x∣<1), en neem daarna de termsgewijze primitieve die in 0 verdwijnt; beide leden zijn primitieven van dezelfde functie met dezelfde waarde in 0 en dus gelijk op (−1,1). En voor exp: de reeks E(x)=∑n!xn (R=∞) voldoet dankzij termsgewijs differentiëren aan E′=E met E(0)=1, dus is E=exp wegens de eenduidigheid uit bachelorjaar 1. Elke “standaardontwikkeling” uit het volume van bachelorjaar 1 is nu een stelling over haar volledige machtreeks.
Voorbeeld 11.10(Een logaritme berekend van binnen de schijf)
Het evalueren van −ln(1−x)=∑nxn in het inwendige punt x=21 geeft
n≥1∑n2n1=ln2,
een snel convergerende voorstelling van ln2 (tien termen geven al 0.69306… tegenover ln2=0.69314…), veel beter dan de alternerende reeks 1−21+31−… die alleen op de rand beschikbaar is. Het inzicht om te onthouden: zodra een constante zowel op de rand als strikt binnenin de schijf bereikbaar is, wint het inwendige numeriek — meetkundige afname tegen harmonische afname.
Voorbeeld 11.11(Differentiatie bewaart de straal, niet de rand)
De reeks ∑n≥1n2xn heeft straal 1 en convergeert in beide eindpunten (∑n21 en haar alternerende tweeling). Haar afgeleide reeks
n≥1∑nxn−1
heeft dezelfde straal 1 — zoals Stelling 11.7 garandeert — maar divergeert nu in x=1 (harmonische reeks), terwijl zij in x=−1 nog steeds convergeert (alternerend). Nog een differentiatie levert ∑n≥2nn−1xn−2 op, divergent aan beide uiteinden (de termen gaan niet naar 0). Het inzicht om te onthouden: elke differentiatie vermenigvuldigt de coëfficiënten met n, wat de straal nooit verschuift (meetkundig wint van polynomiaal) maar wel één orde randafname opeet; termsgewijs rekenen is een binnensport, en wat er op de rand gebeurt moet opnieuw worden onderzocht — de theorie van Abel en Tauber in de weekendopgave is precies dat hernieuwde onderzoek.
Voorbeeld 11.12(Een reeks naar restklassen splitsen — volledig uitgewerkt)
Bereken f(x)=∑n≥0(4n)!x4n in gesloten vorm. Zowel coshx=∑(2m)!x2m als cosx=∑(2m)!(−1)mx2m heeft straal ∞, dus mag hun gemiddelde term voor term worden berekend:
Het filter 21+(−1)m houdt precies de even m over: dit is de reële gedaante van het filter met eenheidswortels (de complexe versie, met in, licht in één klap de restklassen modulo 4 eruit). Slotcontrole: f lost f′′′′=f op met f(0)=1 en f′(0)=f′′(0)=f′′′(0)=0 — differentieer de reeks vier keer (Stelling 11.7) en zie haar zichzelf reproduceren; 2cosh+cos voldoet aan dezelfde gegevens.
Definitie 11.13(Analytische functies)
f heet analytisch in x0 wanneer zij op een omgeving de som is van een machtreeks in (x−x0); op een interval, wanneer zij dat in elk punt is. Sommen van machtreeksen zijn analytisch binnen hun schijf (herschikking van de ontwikkeling — op dit niveau zonder bewijs aangenomen voor het verleggen van het middelpunt; het geval x0=0 is Stelling 11.7). Analytisch impliceert C∞; het omgekeerde faalt: de vlakke functie e−1/x2 (Oefening 11.7).
Voorbeeld 11.14(Het middelpunt verleggen, en de straal als afstand)
geldig voor ∣2h∣<1, dat wil zeggen x−21<21. De nieuwe straal is precies de afstand van het nieuwe middelpunt tot de singulariteit x=1: het middelpunt verleggen krimpt (of vergroot) de schijf tot zij op de dichtstbijzijnde hindernis past. Het inzicht om te onthouden: dit is het beeld achter de definitie van analyticiteit — één functie, vele lokale machtreeksen, elk levend op de grootste schijf die de moeilijkheden vermijdt; het volume van bachelorjaar 3 maakt van de heuristiek “straal = afstand tot de dichtstbijzijnde complexe singulariteit” een stelling.
Opmerking 11.15(Klassieke valkuilen)
(i) De quotiënttest is voldoende, niet nodig: heeft ∣an+1/an∣ geen limiet (Voorbeeld 11.3, Oefening 11.1), ga dan terug naar de definitie: R=sup{r:(anrn) begrensd}. (ii) Niets steekt de rand gratis over: termsgewijs differentiëren en integreren zijn stellingen binnen de open schijf; op ∣x∣=R moet elke reeks opnieuw worden onderzocht (en daar gaat de hele weekendopgave over). (iii) De straal van een som:min(Ra,Rb) is slechts een ondergrens — door wegvallen kan zij groter worden (an=1, bn=−1: som identiek 0, straal ∞). (iv) C∞ is niet analytisch: een convergente taylorreeks kan naar de verkeerde functie convergeren (Oefening 11.7); voordat men f(x)=∑n!f(n)(0)xn opschrijft, moet men het bewijzen — via een differentiaalvergelijking (Methode 11.17), een schatting van de restterm, of een integraalformule.
Opmerking 11.16(Waar dit wordt gebruikt)
Machtreeksen zijn het werkpaard van drie latere hoofdstukken: het hoofdstuk over differentiaalvergelijkingen lost lineaire vergelijkingen op door ∑anxn in te vullen (de methodebox hieronder, geïndustrialiseerd); het hoofdstuk over genererende functies zet identiteiten over kansen om in identiteiten over machtreeksen en terug; en het volume van bachelorjaar 3 maakt de complexe veranderlijke officieel, waar analyticiteit gelijkwaardig wordt met complexe differentieerbaarheid en het hierboven zonder bewijs aangenomen verleggen van het middelpunt zijn eerlijke bewijs krijgt. De weekendopgave verkent de ene plek waar de stellingen van dit hoofdstuk zwijgen: de rand ∣x∣=R zelf.
Methode 11.17(Ontwikkelen via een differentiaalvergelijking)
Om een functie f in een machtreeks te ontwikkelen: zoek een lineaire differentiaalvergelijking met veeltermcoëfficiënten waaraan f voldoet; vul ∑anxn in; identificeer de coëfficiënten om een recurrentie voor (an) te krijgen; los die op, en controleer de straal en de beginvoorwaarden. Voorbeeld — de binomiale reeks: f(x)=(1+x)α voldoet aan (1+x)f′=αf met f(0)=1; invullen geeft (n+1)an+1=(α−n)an, dus an=(nα), straal 1 (quotiënttest), en de som, die aan dezelfde vergelijking met dezelfde beginwaarde voldoet, is gelijk aan (1+x)α wegens de eenduidigheidsstelling voor lineaire differentiaalvergelijkingen (volume van bachelorjaar 1).
Voorbeeld 11.18(De methode op een aangedreven vergelijking)
Los y′=y+x met y(0)=0 op met machtreeksen. Invullen van y=∑anxn geeft
n≥0∑(n+1)an+1xn=n≥0∑anxn+x,
en identificeren van de coëfficiënten: a1=a0=0, 2a2=a1+1=1, en (n+1)an+1=an voor n≥2. Dus a2=2!1 en met inductie an=n!1 voor elke n≥2: straal ∞, en
y(x)=n≥2∑n!xn=ex−1−x.
Controle: y′=ex−1=y+x en y(0)=0. Het inzicht om te onthouden: de recurrentie is de vergelijking, coëfficiënt voor coëfficiënt; de aandrijvende term verstoort alleen eindig veel begincoëfficiënten, waarna het homogene patroon het overneemt — een discrete schaduw van “particuliere oplossing plus homogene oplossing”.
11.3 Genererende functies
Voorbeeld 11.19(Fibonacci)
Zij F(x)=∑n≥0Fnxn (de getallen van Fibonacci, met F0=0 en F1=1). De recurrentie Fn+2=Fn+1+Fn vertaalt zich, na vermenigvuldiging met xn+2 en sommatie, tot
F(x)−x=xF(x)+x2F(x)⟹F(x)=1−x−x2x,
geldig waar de reeks convergeert. De straal is φ1: uit Fn∼5φn (Binet, het volgende voorbeeld — of de grove inductie Fn≤2n plus de recurrentie) geeft de quotiënttest
Fn∣x∣nFn+1∣x∣n+1⟶φ∣x∣,convergentie dan en slechts dan als ∣x∣<φ1≈0.618.
Breuksplitsing op 1−x−x2x en de meetkundige reeks leiden de formule van Binet opnieuw af — genererende functies industrialiseren lineaire recurrenties.
Voorbeeld 11.20(De formule van Binet, uitgevoerd)
Zij φ=21+5 en ψ=21−5, de nulpunten van X2=X+1; omdat φ+ψ=1 en φψ=−1, is
1−x−x2=(1−φx)(1−ψx).
Breuksplitsing: zoeken we (1−φx)(1−ψx)x=1−φxA+1−ψxB, dan geeft de constante term A+B=0 en de coëfficiënt van x dat −Aψ−Bφ=1, dus A(φ−ψ)=1: A=51=−B. Twee meetkundige reeksen later is
F(x)=51n≥0∑(φn−ψn)xn⟹Fn=5φn−ψn
wegens de eenduidigheid van de coëfficiënten (Stelling 11.7). Omdat ∣ψ∣<1, heeft de term 5ψn absolute waarde <21: Fn is dus het dichtstbijzijnde gehele getal bij 5φn. Het inzicht om te onthouden: de straal φ1 van F is het omgekeerde van het dominante nulpunt — de groei van de coëfficiënten en de convergentiestraal zijn dezelfde informatie, in tegengestelde richting gelezen.
Voorbeeld 11.21(Catalangetallen)
De CatalangetallenCn (het aantal driehoekingen, van haakplaatsingen, van dyckpaden, …) voldoen aan C0=1 en Cn+1=∑k=0nCkCn−k. De genererende functieC(x)=∑Cnxn voldoet dan (Cauchy-product!) aan
C(x)=1+xC(x)2⟹C(x)=2x1−1−4x,
waarbij het nulpunt met C(0)=1 wordt gekozen: de vierkantsvergelijking xC2−C+1=0 oplossen geeft de twee kandidaten 2x1±1−4x, en als x→0 explodeert het nulpunt met “+” als x1 terwijl dat met “−” naar 1 gaat (ontwikkel 1−4x=1−2x+O(x2)) — alleen het minteken kan een machtreeks met C0=1 dragen. Het ontwikkelen van 1−4x met de binomiale reeks geeft de gesloten vorm
Elke berekening met genererende functies hierboven eindigt met een beroep op de eenduidigheid van de coëfficiënten, en die stelling woont binnen een schijf met positieve straal: voordat men Fn of Cn “afleest”, moet men weten dat R>0. Een grove schatting vooraf volstaat — Fn≤2n (onmiddellijke inductie) geeft R≥21 voor Fibonacci; Cn≤4n (elk Catalangetal telt deelverzamelingen van paden) geeft R≥41. Pas op voor het ontaarde uiteinde van de schaal: ∑n!xn heeft straal 0, en haar als functie behandelen is betekenisloos — identiteiten met zulke reeksen horen bij de formele calculus van coëfficiënten, een zuiver algebraïsch spel met eigen (andere) regels. Op dit niveau: verzeker eerst een positieve straal, en reken daarna vrijelijk binnenin.
Opmerking 11.23(Vooruitblik binnen dit volume)
Machtreeksen zijn een van de twee grote ontwikkelingsmachines van het boek; de andere is de fourierreeks van de harmonische hoofdstukken, en de twee vergelijken is leerzaam. Een machtreeks is star: haar coëfficiënten liggen vast (an=f(n)(0)/n!), haar convergentie is meedogenloos (normaal binnenin, hopeloos daarbuiten), en haar som is analytisch — oneindig star (Definitie 11.13). Een fourierreeks is soepel: zij stelt slechts stuksgewijs gladde signalen voor, tegen de prijs van delicate convergentievragen aan de rand van de gladheid. De twee theorieën ontmoeten elkaar in de weekendopgave van dit hoofdstuk: de sommatie volgens Cesàro en Abel, hier voor de randcirkel ontwikkeld, keert in het fourierhoofdstuk terug als de kernen van Fejér en Poisson. Ondertussen verbruikt het hoofdstuk over differentiaalvergelijkingen de machtreeksen rechtstreeks (etA, oplossingen als reeks), en maakt het hoofdstuk over genererende functies van de truc uit Voorbeeld 11.19 een systematische calculus voor kansen.
11.4 Oefeningen
Oefening 11.1★
Bepaal de convergentiestralen van ∑2nn2zn, ∑(n2n)zn, ∑zn! en ∑(2+(−1)n)nzn.
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.1.
∑2nn2zn: het quotiënt 2n+1(n+1)2⋅n22n→21: dus R=2.
∑(n2n)zn: er geldt (n2n)∼πn4n (Voorbeeld 6.14), dus is ∣an∣−1≈4n op polynomiale factoren na: R=4 (quotiënttest: (n+12n+2)(n2n)=(2n+1)(2n+2)(n+1)2→41).
∑zn!: de coëfficiënten zijn ak=1 als k=n!, en anders 0. Voor ∣z∣<1 convergeert ∑∣z∣n! (gedomineerd door een meetkundige reeks); voor ∣z∣≥1 gaan de termen niet naar 0: dus R=1.
∑(2+(−1)n)nzn: de coëfficiënten zijn 3n (even n) en 1 (oneven n). Begrensdheid van anrn vereist 3r≤1; en elke r<31 voldoet: dus R=31.
Oefening 11.2★
Toon aan dat ∑zn, ∑nzn en ∑n2zn alle straal 1 hebben maar zich in z=1 en z=−1 verschillend gedragen: divergentie/divergentie, divergentie/convergentie, convergentie/convergentie.
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.2.
Alle drie hebben straal 1 (quotiënttest). In z=1: ∑1 divergeert, ∑n1 divergeert, en ∑n21 convergeert. In z=−1: ∑(−1)n divergeert, ∑n(−1)n convergeert (alternerend), en ∑n2(−1)n convergeert (absoluut). Het randgedrag is voor de straal onzichtbaar.
Oefening 11.3★
Bereken de sommen voor ∣x∣<1:
n≥0∑nxn,n≥0∑n2xn,n≥0∑2n+1x2n+1.
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.3.
Uit 1−x1=∑xn: differentiëren en met x vermenigvuldigen (Stelling 11.7) geeft
∑nxn=(1−x)2x.
Nog een keer differentiëren en opnieuw met x vermenigvuldigen:
Ontwikkel in 0 in een machtreeks, met straal: (1−x)(2−x)1 (breuksplitsing); ln(1+x+x2)(schrijf 1+x+x2=1−x1−x3).
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.4.
Breuksplitsing: (1−x)(2−x)1=1−x1−2−x1=∑xn−21∑(2x)n, dus
(1−x)(2−x)1=n≥0∑(1−2n+11)xn,R=1.
ln(1+x+x2)=ln1−x1−x3=ln(1−x3)−ln(1−x)=∑n≥1nxn−∑m≥1mx3m: de coëfficiënt van xn is n1 als 3∤n, en n1−n3=−n2 als 3∣n. Straal 1 (de dichtstbijzijnde hindernis: de reeks voor ln(1−x3)).
Oefening 11.5★★
Bewijs dat f(x)=∑n≥1Hnxn=−1−xln(1−x) voor ∣x∣<1, waarbij Hn het harmonische getal is (Cauchy-product van ∑xn en ∑nxn).
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.5.
Het Cauchy-product van ∑m≥0xm (coëfficiënten 1) en ∑k≥1kxk (coëfficiënten k1 voor k≥1), beide absoluut convergent voor ∣x∣<1: de coëfficiënt van xn in het product is ∑k=1nk1⋅1=Hn. Bijgevolg
(∑xm)(∑kxk)=1−x1⋅(−ln(1−x))=n≥1∑Hnxn.
Oefening 11.6★★
Los de recurrentie u0=1, un+1=2un+n op met een genererende functie: bereken U(x)=∑unxn in gesloten vorm, splits die, en lees un=2n+1−n−1 af.
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.6.
Vermenigvuldig de recurrentie met xn+1 en sommeer (∣x∣<21):
Breuksplitsing (afdekken in x=21 geeft coëfficiënt 2; in de dubbele pool x=1 coëfficiënt −1; de middelste coëfficiënt verdwijnt na evaluatie in x=0):
U(x)=1−2x2−(1−x)21.
Beide ontwikkelen geeft
un=2⋅2n−(n+1)=2n+1−n−1.
(Controle: u0=1 en u1=2u0+0=2=4−2.)
Oefening 11.7★★
Zij f(x)=e−1/x2 voor x=0 en f(0)=0. Bewijs dat f van klasse C∞ is op R met f(n)(0)=0 voor alle n(toon met inductie aan dat f(n)(x)=Pn(x1)e−1/x2 voor veeltermen Pn, en gebruik de groeivergelijking). Besluit dat f in 0 niet analytisch is: haar taylorreeks in 0 convergeert — naar de verkeerde functie.
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.7.
Inductie: f′(x)=x32e−1/x2, en geldt f(n)(x)=Pn(x1)e−1/x2, dan
f(n+1)(x)=(−x21Pn′(x1)+x32Pn(x1))e−1/x2:
opnieuw van de genoemde vorm. In 0: de differentiequotiënten hf(n)(h)=h1Pn(h1)e−1/h2→0 als h→0, omdat Q(u)e−u2→0 als u→±∞ voor elke veelterm Q (de exponentiële verslaat machten): met inductie bestaan dus alle f(n)(0) en zijn zij nul, en is elke f(n) met dezelfde limiet continu in 0. Dus f∈C∞ met taylorreeks nul in 0; die reeks heeft som 0=f: niet analytisch in 0.
Oefening 11.8★★★
Maak Voorbeeld 11.21 af: ontwikkel 1−4x met de binomiale reeks en toon aan dat
(n+11/2)(−4)n+1=−n+12(n2n),
en leid af dat Cn=n+11(n2n); bepaal de convergentiestraal van C(x) en de asymptotiek van Cn met Stirling.
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.8.
Binomiale reeks: 1−4x=∑k≥0(k1/2)(−4x)k. Voor k=n+1≥1:
dus Cn=n+11(n2n). Straal: 41 (de binomiale reeks in 4x). Asymptotiek via Voorbeeld 6.14:
Cn∼πn3/24n.
Oefening 11.9★★★
(Stelling van Abel over de radiale limiet, bijzonder geval) Neem aan dat ∑an convergeert. Bewijs dat limx→1−∑nanxn=∑nan. (Abelsommatie: schrijf met An de partiële sommen en A=limAn de gelijkheid ∑anxn=(1−x)∑Anxn; dan is ∑anxn−A=(1−x)∑(An−A)xn, en splits de som bij een grote N.) Toepassing: ∑n(−1)n−1=ln2 en ∑2n+1(−1)n=4π, opnieuw bewezen uit de machtreeks.
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.9.
Met An=∑k≤nak→A geeft Abelsommatie voor 0≤x<1
n=0∑∞anxn=(1−x)n=0∑∞Anxn
(beide leden convergeren omdat (An) begrensd is, en de identiteit volgt uit an=An−An−1 met herindexering). Omdat (1−x)∑xn=1, is
n∑anxn−A=(1−x)n∑(An−A)xn.
Kies bij gegeven ε een N met ∣An−A∣≤ε voor n>N; dan is
en met x→1− is de limsup ≤ε voor elke ε. De radiale limiet is dus A.
Toepassingen: ∑n(−1)n−1 convergeert (alternerend), en voor x<1 heeft haar machtreeks som ln(1+x): volgens Abel is de som dus ln2. Evenzo geeft ∑2n+1(−1)nx2n+1=arctanx in x=1 de waarde 4π — de bewijzen met integralen uit bachelorjaar 1, nu structureel.
Oefening 11.10★
Toon aan dat n≥1∑n(n+1)xn=1+x1−xln(1−x) voor 0<∣x∣<1, bepaal de straal, en ga na dat de convergentie normaal is op [−1,1]; controleer dat de waarde in x=1 die de continuïteit voorspelt overeenkomt met de telescopische som ∑n(n+1)1=1.
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.10.
Zowel ∑nxn als ∑n+1xn heeft straal 1, en n(n+1)1=n1−n+11, dus voor 0<∣x∣<1:
Straal 1; en ∥xn/(n(n+1))∥∞,[−1,1]=n(n+1)1 is sommeerbaar: normale convergentie op [−1,1], dus is de som daar continu. Als x→1− gaat (1−x)ln(1−x)→0 en gaat de gesloten vorm naar 1 — in overeenstemming met de telescopische waarde ∑n(n+1)1=limN(1−N+11)=1 in x=1.
Oefening 11.11★★
(Derangementen) Zij Dn het aantal permutaties van n objecten zonder vast punt (D0=1). Sorteren we de permutaties van {1,…,n} naar hun verzameling vaste punten, dan is n!=∑k=0n(kn)Dn−k. Vermenigvuldig met n!xn, sommeer, en herken een Cauchy-product om de exponentiële genererende functie
n≥0∑Dnn!xn=1−xe−x(∣x∣<1)
te verkrijgen; lees daarna de gesloten vorm n!Dn=∑k=0nk!(−1)k en de limiet n!Dn→e−1 af.
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.11.
De n! permutaties sorteren naar hun verzameling vaste punten: de k vaste punten kiezen ((kn) manieren) en de overige n−k objecten derangeren geeft n!=∑k=0n(kn)Dn−k. Deling door n! geeft
1=k=0∑nk!1⋅(n−k)!Dn−k,
en dat zegt precies dat het Cauchy-product van ex=∑k!xk en D(x)=∑Dnn!xn gelijk is aan ∑xn=1−x1. Beide factoren convergeren absoluut voor ∣x∣<1 (want Dn≤n!, zodat D door de meetkundige reeks wordt gedomineerd): de productidentiteit is dus legitiem (Propositie 11.4), en
D(x)=1−xe−x.
Cauchy-product van e−x=∑k!(−1)kxk en ∑xm: de coëfficiënt van xn is ∑k=0nk!(−1)k, en de eenduidigheid van de coëfficiënten van een machtreeks (Stelling 11.7) geeft
n!Dn=k=0∑nk!(−1)kn→∞e−1:
ongeveer 37% van alle permutaties zijn derangementen, wat n ook is.
met 1⋅3⋯(2n−1)=2nn!(2n)!. Bijgevolg is (1−4x)−1/2=∑(n2n)xn voor ∣4x∣<1. Kwadrateren (Cauchy-product, legitiem wegens de absolute convergentie) en vergelijken met 1−4x1=∑4nxn: de coëfficiënt van xn in het kwadraat is ∑k=0n(k2k)(n−k2n−2k), en de eenduidigheid van de coëfficiënten geeft
k=0∑n(k2k)(n−k2n−2k)=4n.
11.5 Probleem: Abel, Tauber en de rand van de convergentie
Probleem 11.1
Binnen de convergentieschijf is alles eenvoudig; alle drama van de machtreeksen speelt zich op de rand af. Deze opgave bouwt de randtheorie in de reële veranderlijke op: de stelling van Abel in haar uniforme vorm, haar omkering onder de voorwaarde van Tauber, de hiërarchie van sommatiemethoden van Cesàro en Abel (met de stelling van Frobenius), termsgewijs integreren tot aan de rand met klassieke constanten als opbrengst, en ten slotte de starheid van de analytische functies — de identiteitsstelling. Overal is (an) een reële rij, f(x)=∑n≥0anxn en An=a0+⋯+an.
Deel I — De stelling van Abel, uniform. Neem in dit deel aan dat ∑an convergeert, en zet rn=∑k≥nak (zodat rn→0 en an=rn−rn+1).
Bewijs met partiële sommatie dat voor alle 0≤x≤1 en N≤M
n=N∑Manxn≤2n≥Nsup∣rn∣.
Leid af dat ∑anxnuniform convergeert op [0,1], dat haar som daar continu is, en vind de radiale limiet van Oefening 11.9 terug: f(x)→∑an als x→1−.
(Stelling van Abel voor Cauchy-producten) Zij ∑an=A en ∑bn=B, en neem aan dat het Cauchy-product∑cn met cn=∑kakbn−kconvergeert, met som C. Bewijs dat C=AB(binnen de schijf geldt de productidentiteit volgens Propositie 11.4; laat x→1−).
Toon aan dat de hypothese ertoe doet: voor an=bn=n+1(−1)n convergeren beide reeksen, en toch is ∣cn∣≥n+22(n+1)≥1(begrens elke factor (k+1)(n−k+1) met de ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde): het Cauchy-product van twee convergente reeksen kan dus divergeren.
(Een opbrengst van Oefening 11.5) Toon aan dat (ln(1−x))2=2∑n≥1n+1Hnxn+1 op (−1,1), ga na dat (n+1Hn)n≥1 dalend naar 0 gaat, en besluit met Abel:
n≥1∑(−1)n+1n+1Hn=2(ln2)2.
Deel II — De omkering van Tauber. Noem ∑anAbel-sommeerbaar tot L wanneer f(x)→L als x→1−.
Toon aan dat ∑(−1)nAbel-sommeerbaar is tot 21 en toch divergent: de stelling van Abel heeft geen onvoorwaardelijke omkering.
(Lemma van Cesàro) Geldt un→0, dan Nu1+⋯+uN→0(splits de som bij een vaste m).
Neem nu aan dat nan→0 en f(x)→L. Bewijs met xN=1−N1 de twee schattingen
(voor de eerste: 1−xn≤n(1−x); voor de tweede: ∣an∣≤N1supm>Nm∣am∣ en ∑xNn≤N).
Besluit tot de stelling van Tauber: geldt nan→0 en is ∑anAbel-sommeerbaar tot L, dan convergeert ∑an naar L.
(De eenvoudige tauberstelling voor positieve coëfficiënten) Is an≥0 en is f begrensd op [0,1), toon dan aan dat ∑an convergeert en ∑an=limx→1−f(x)(begrens ∑n≤Nanxn≤f(x) en laat x→1− gaan, en gebruik daarna Abel).
Deel III — Gemiddelden van Cesàro en de stelling van Frobenius. Noem ∑anCesàro-sommeerbaar tot L wanneer σN=NA0+⋯+AN−1→L.
Toon aan dat een convergente reeks Cesàro-sommeerbaar is tot haar som (vraag 7 toegepast op An−L).
Bereken de waarde volgens Cesàro van ∑(−1)n en ga na dat zij overeenkomt met de waarde 21 volgens Abel uit vraag 6.
Bewijs met Sn=A0+⋯+An=(n+1)σn+1 de twee identiteiten, voor 0≤x<1:
(Frobenius) Leid af: geldt σN→L, dan f(x)→L als x→1− — Cesàro-sommeerbaar impliceert dus Abel-sommeerbaar, met dezelfde waarde (trek de twee identiteiten van elkaar af en splits de som bij een grote N, als in Oefening 11.9).
Toon aan dat de hiërarchie
convergent⟹Cesaˋro-sommeerbaar⟹Abel-sommeerbaar
bij beide pijlen strikt is: vraag 6 voor de eerste; toon voor de tweede aan dat ∑(−1)n(n+1)Abel-sommeerbaar is tot 41 (bereken f) maar niet Cesàro-sommeerbaar (bereken σN afzonderlijk voor even en oneven N).
Deel IV — Integreren tot aan de rand.
Neem aan dat ∑anxn op [0,1) convergeert en dat ∑n+1an convergeert. Bewijs dat de oneigenlijke integraal∫01f bestaat en dat
∫01(n≥0∑anxn)dx=n≥0∑n+1an
(de primitieve F(x)=∑n+1anxn+1 is volgens Deel I continu in 1).
Zij η=∑n≥1n2(−1)n−1. Toon aan dat ∫01xln(1+x)dx=η, en dat η=21∑n≥1n21 door de even en de oneven indices in de absoluut convergente ∑n21 te splitsen. (De weekendopgave van het fourierhoofdstuk berekent ∑n21=6π2.)
Bewijs dat
n≥0∑3n+1(−1)n=∫011+x3dx=31(ln2+3π)
(de reeks convergeert volgens Leibniz; integreer de meetkundige reeks ∑(−1)nx3n met vraag 16; en daarna breuksplitsing: 1+x31=1+x1/3+x2−x+1(2−x)/3).
Leid uit de binomiale reeks voor (1−t)−1/2 (Oefening 11.12) af dat
waarbij de randwaarde met normale convergentie op [−1,1] wordt verantwoord (gebruik (n2n)4−n∼πn1, Voorbeeld 6.14) — hier is zelfs Abel niet nodig.
(Catalan op de rand) Toon aan dat ∑Cn4−n=2: de catalanreeks van Voorbeeld 11.21 convergeert in haar straal 41 (asymptotiek van Oefening 11.8), haar som is continu op [0,41], en de gesloten vorm heeft daar limiet 2.
Deel V — Starheid: de identiteitsstelling.
(Geïsoleerde nulpunten) Zij f=∑anxn met straal R>0 en niet alle an=0; zij m de kleinste index met am=0. Toon aan dat f(x)=xmg(x) met g een machtreeks van straal R en g(0)=am=0, en leid af dat f op een zekere geperforeerde omgeving van 0 geen nulpunt heeft.
(Identiteitsstelling) Zijn f,h sommen van machtreeksen bij 0 en is (xk) een rij punten ongelijk aan nul met xk→0 en f(xk)=h(xk). Bewijs dat f en h dezelfde coëfficiënten hebben en dus bij 0 samenvallen.
Bepaal alle functies f die bij 0analytisch zijn met
f(k1)=k2+1k2voor alle grote gehele k.
Toon aan dat een functie die analytisch is op een open interval I en op een deelinterval verdwijnt, op heel I identiek nul is (de verzameling punten waaromheen f identiek verdwijnt is open en, via de identiteitsstelling in de verdichtingspunten, gesloten in I). Besluit dat geen enkele analytische functie op R ongelijk aan nul een compacte drager heeft — terwijl er wel C∞-bultfuncties bestaan (Oefening 11.7 levert de bouwsteen): analyticiteit is star, gladheid is slap.
Synthese. In telkens één zin: (i) wat de stelling van Abel toevoegt aan het pakket normale convergentie van Lemma 11.1; (ii) de precieze hypothesen waaronder de omkering geldt (Tauber) en de tussenliggende sport (Frobenius); (iii) één randconstante uit Deel IV die je nu in twee regels voor een vriend zou kunnen afleiden; (iv) waar de gemiddelden van Cesàro in dit boek opnieuw zullen opduiken, voor reeksen van heel andere aard.
Oplossing
Oplossing van Probleem 11.1.
1. Met an=rn−rn+1 geeft partiële sommatie
n=N∑Manxn=rNxN+n=N+1∑Mrn(xn−xn−1)−rM+1xM.
Voor 0≤x≤1 zijn de toenamen xn−1−xn niet-negatief en telescoperen zij tot xN−xM; met s=supn≥N∣rn∣:
n=N∑Manxn≤s(xN+(xN−xM)+xM)=2sxN≤2s.
2. Omdat rn→0, gaat supn≥N∣rn∣→0: vraag 1 is precies het uniforme cauchycriterium op [0,1], dus convergeert ∑anxn daar uniform en is haar som continu (Stelling 10.11). Omdat de waarde in 1 gelijk is aan ∑an, is de continuïteit in 1 de radiale limiet van Oefening 11.9.
3. Voor ∣x∣<1 convergeren alle drie de machtreeksen absoluut en is (∑anxn)(∑bnxn)=∑cnxn (Propositie 11.4). Volgens vraag 2 zijn elke factor en de productkant continu op [0,1] (hun coëfficiëntreeksen convergeren per hypothese); met x→1− in de identiteit volgt AB=C.
wegens de ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde: (k+1)(n−k+1)≤2(k+1)+(n−k+1)=2n+2. De algemene term van ∑cn gaat dus niet naar 0: het Cauchy-product divergeert, hoewel beide factoren convergeren (alternerende reeksen).
5.Oefening 11.5 geeft 1−x−ln(1−x)=∑Hnxn (∣x∣<1). Termsgewijze primitieven (Stelling 11.7 (2)), waarbij beide leden in 0 verdwijnen:
2(ln(1−x))2=n≥1∑n+1Hnxn+1.
Dalend: (n+2)Hn≥(n+1)Hn+1 komt neer op Hn≥1, waar voor n≥1; en n+1Hn∼nlnn→0: in x=−1 convergeert de reeks volgens de alternerende test. Substitueren van x↦−x en vraag 2 toepassen in x=1 geeft
2(ln2)2=n≥1∑n+1Hn(−1)n+1,
de aangekondigde waarde.
6.f(x)=∑(−1)nxn=1+x1→21 als x→1−: dus Abel-sommeerbaar tot 21. Maar de partiële sommen zijn 1,0,1,0,…: divergent.
7. Kies bij gegeven ε>0 een m met ∣un∣≤ε voor n>m; voor N≥m is
Nu1+⋯+uN≤N∣u1∣+⋯+∣um∣+εNN−m≤NCm+ε,
dus is de limsup ≤ε voor elke ε: de gemiddelden gaan naar 0.
8. Voor 0≤x≤1 is 1−xn=(1−x)(1+x+⋯+xn−1)≤n(1−x), dus
Voor n>N is ∣an∣=nn∣an∣≤N1supm>Nm∣am∣, en ∑n>NxNn≤1−xN1=N:
n>N∑anxNn≤Nsupm>Nm∣am∣⋅N=m>Nsupm∣am∣.
9. Ontbind
AN−L=n=0∑Nan(1−xNn)−n>N∑anxNn+(f(xN)−L).
De eerste term gaat naar 0 volgens vraag 7 (de gemiddelden van n∣an∣→0), de tweede volgens vraag 8 (het supremum gaat naar 0), en de derde omdat xN→1− en f(x)→L. Bijgevolg AN→L: de stelling van Tauber.
10. Voor x∈[0,1) en elke N is ∑n≤Nanxn≤f(x)≤M (niet-negatieve termen). Laat x→1− in de eindige som gaan: ∑n≤Nan≤M. De partiële sommen zijn stijgend en begrensd: ∑an convergeert dus, en vraag 2 geeft daarna limx→1−f(x)=∑an.
11.σN−L is het gemiddelde van de N getallen An−L (0≤n<N), die naar 0 gaan: vraag 7.
12.An=1 voor even n en 0 voor oneven n: dus A0+⋯+AN−1=⌈N/2⌉, en σN=N⌈N/2⌉→21, de waarde volgens Abel uit vraag 6.
13. Onder σN→L is Sn=O(n), dus An=Sn−Sn−1=O(n) en an=O(n): alle onderstaande reeksen hebben dus straal ≥1. Voor ∣x∣<1 geeft an=An−An−1 met Anxn→0
(1−x)n∑Anxn=n∑Anxn−n∑Anxn+1=n∑anxn=f(x),
en identiek is (1−x)∑Snxn=∑Anxn, dus f(x)=(1−x)2∑nSnxn=(1−x)2∑n(n+1)σn+1xn. Ten slotte is ∑(n+1)xn=(1−x)21 (Oefening 11.3), en dat is de tweede identiteit.
14. Trek L maal de tweede identiteit van de eerste af:
f(x)−L=(1−x)2n≥0∑(n+1)(σn+1−L)xn.
Kies bij gegeven ε een N met ∣σn+1−L∣≤ε voor n≥N; dan is
∣f(x)−L∣≤(1−x)2CN+ε(1−x)2n∑(n+1)xn=(1−x)2CN+ε,
en met x→1− is de limsup ≤ε. Bijgevolg f(x)→L: de stelling van Frobenius.
15.f(x)=∑(−1)n(n+1)xn=(1+x)21 (differentieer de meetkundige reeks in −x): waarde volgens Abel 41. Partiële sommen: A2k=k+1 en A2k+1=−(k+1) (onmiddellijke inductie). Dan is S2m−1=0 (opeenvolgende paren heffen elkaar op) en S2m=m+1, dus
σ2m=2mS2m−1=0,σ2m+1=2m+1m+1→21:
(σN) heeft twee verschillende verdichtingswaarden: dus niet Cesàro-sommeerbaar. Met de vragen 6 en 11–14 is de hiërarchie convergent ⇒ Cesàro ⇒ Abel bij beide pijlen strikt.
16. De primitieve reeks F(x)=∑n+1anxn+1 heeft dezelfde straal en F′=f op [0,1) (Stelling 11.7); omdat ∑n+1an convergeert, maakt Deel I (vraag 2) Fcontinu op [0,1]. Omdat ∫0xf=F(x) (gelijke afgeleiden, gelijke waarde 0 in 0), is
17. Er geldt xln(1+x)=∑n≥1n(−1)n−1xn−1 (straal 1; continu in 0). De reeks van de m+1am is ∑n≥1n2(−1)n−1, absoluut convergent: vraag 16 geeft ∫01xln(1+x)dx=η. Hergroepeer in de absoluut convergente ∑n21 de even en de oneven indices:
18. Leibniz: 3n+11↓0, dus convergeert de reeks. Op [0,1) is ∑(−1)nx3n=1+x31, en ∑3n+1(−1)n convergeert: vraag 16 geeft ∑3n+1(−1)n=∫011+x3dx. Breuksplitsing (controle: 31(x2−x+1)+32−x(1+x)=1):
∫011+x3dx=31ln2+31∫01x2−x+12−xdx.
Met 2−x=−21(2x−1)+23 verdwijnt het deel met ln(x2−x+1) aan beide uiteinden, en is
19. Substitutie t=x2 in de reeks van Oefening 11.12 en termsgewijs integreren (de primitieve van (1−x2)−1/2 die in 0 verdwijnt is arcsin) geeft
arcsinx=n≥0∑4n(2n+1)(n2n)x2n+1(∣x∣<1).
De coëfficiënten zijn ∼2πn3/21 (Voorbeeld 6.14), sommeerbaar: de reeks convergeert dus normaal op [−1,1], haar som is daar continu, en zij valt op (−1,1) samen met de continuearcsin, dus ook in x=1:
n≥0∑4n(2n+1)(n2n)=arcsin1=2π.
20. Er geldt Cn4−n∼πn3/21 (Oefening 11.8): normale convergentie van ∑Cnxn op [0,41], dus is haar som daar continu; op (0,41) is zij gelijk aan 2x1−1−4x (Voorbeeld 11.21), waarvan de limiet in 41− gelijk is aan 1/21−0=2. Bijgevolg is ∑n≥0Cn4−n=2.
21. Er geldt f(x)=∑n≥manxn=xmg(x) met g(x)=∑k≥0am+kxk; is (anrn) begrensd, dan (am+krk) ook (deel door rm): g heeft dus straal ≥R. En g is continu met g(0)=am=0, dus g=0 op een zekere [−δ,δ], en f(x)=xmg(x)=0 voor 0<∣x∣≤δ.
22.d=f−h is de som van een machtreeks bij 0 die in de punten xk→0 ongelijk aan nul verdwijnt. Was een coëfficiënt van d ongelijk aan nul, dan zou vraag 21 een geperforeerde omgeving van 0 zonder nulpunten van d geven — in strijd met d(xk)=0. Alle coëfficiënten van d verdwijnen dus: f en h hebben gelijke coëfficiënten en vallen bij 0 samen.
23. De functie h(x)=1+x21=∑(−1)nx2n (straal 1) voldoet aan h(k1)=1+1/k21=k2+1k2. Elke analytische f met dezelfde waarden stemt met h overeen in de punten k1→0: volgens de identiteitsstelling (vraag 22) is dus f=1+x21 bij 0 — de unieke oplossing.
24. Zij Z de verzameling punten van I die een omgeving hebben waarop f identiek verdwijnt: per definitie open, en niet leeg (het deelinterval). Gesloten in I: is y∈I een limiet van punten van Z, dan is y een verdichtingspunt van nulpunten van f; ontwikkelt men f in een machtreeks in y (analyticiteit) en past men de vragen 21–22 rond y toe, dan verdwijnen alle coëfficiënten in y, dus f≡0 bij y: dus y∈Z. Een interval is samenhangend, dus Z=I: f≡0 op I. In het bijzonder verdwijnt een analytische functie op R die buiten een compacte verzameling nul is, op een interval en dus overal: er bestaat geen analytische bult ongelijk aan nul. De C∞-wereld is anders: het aan elkaar plakken van de vlakke functie uit Oefening 11.7 (bijvoorbeeld x↦e−1/x21x>0 en haar spiegelbeeld) levert gladde bulten met compacte drager op.
25. (i) De normale convergentie woont op compacte deelschijven strikt binnen de schijf; de stelling van Abel breidt de continuïteit uit tot een randpunt, onder de enkele hypothese dat de coëfficiëntreeks daar convergeert. (ii) De omkering geldt onder de voorwaarde van Tauber nan→0 (vraag 9), en de sommeerbaarheid volgens Cesàro ligt strikt tussen convergentie en sommeerbaarheid volgens Abel in (Frobenius, vragen 14–15). (iii) Voor een vriend: ∑3n+1(−1)n=∫011+x3dx door de meetkundige reeks tot aan de rand te integreren, en daarna breuksplitsing. (iv) De gemiddelden van Cesàro keren in het fourierhoofdstuk terug als de stelling van Fejér, waar het middelen van de partiële sommen het falen van de puntsgewijze convergentie repareert — hetzelfde medicijn, een nieuwe patiënt.