Mathematics · Boek 4 · Bachelor Year 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2

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 functiesvolledig 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)(a_n z_0^n) begrensd voor zekere z00z_0 \neq 0, dan convergeert anzn\sum a_n z^n absoluut voor elke z<z0\abs z < \abs {z_0}, en normaal op elke schijf zr<z0\abs z \leq r < \abs{z_0}.

Bewijs. Met anz0nM\abs{a_n z_0^n} \leq M en zr\abs z \leq r is

anzn=anz0nzz0nM(rz0) ⁣n,\abs{a_n z^n} = \abs{a_n z_0^n}\,\Bigl|\frac{z}{z_0}\Bigr|^n \leq M\Bigl(\frac{r}{\abs{z_0}}\Bigr)^{\!n},

een convergente meetkundige grens, uniform op de schijf.

Definitie 11.2 (Convergentiestraal)

De convergentiestraal van anzn\sum a_n z^n is

R=sup{r0:(anrn) begrensd}[0,+].R = \sup\{r \geq 0 : (a_n r^n) \text{ begrensd}\} \in \intcc{0}{+\infty} .

Volgens Lemma 11.1: absolute convergentie voor z<R\abs z < R (normaal op compacte deelschijven), en divergentie — zelfs onbegrensde termen — voor z>R\abs z > R. Op de randcirkel kan alles gebeuren (Oefening 11.2). In de praktijk wordt RR berekend met de quotiënttest van d’Alembert op anzn\abs{a_n}\abs z^n of met een vergelijking.

Voorbeeld 11.3 (Een straal zonder quotiënttest)

Wat is de straal van sin(n)zn\sum \sin(n)\,z^n? Het quotiënt sin(n+1)/sinn\abs{\sin(n+1)/\sin n} heeft geen limiet, maar de definitie werkt rechtstreeks. R1R \geq 1: sinn1\abs{\sin n} \leq 1, dus is (sinnrn)(\sin n\cdot r^n) begrensd voor elke r<1r < 1 — zelfs voor r=1r = 1. R1R \leq 1: het volstaat dat sinn↛0\sin n \not\to 0. Stel dat sinn0\sin n \to 0; dan zou de somformule

sin(n+1)=sinncos1+cosnsin1\sin(n+1) = \sin n\cos 1 + \cos n\sin 1

afdwingen dat cosn0\cos n \to 0 (los op naar cosn\cos n: sin10\sin 1 \neq 0), in strijd met sin2n+cos2n=1\sin^2 n + \cos^2 n = 1. De termen sin(n)1n\sin(n)\,1^n gaan dus niet naar 00: de reeks divergeert in z=1z = 1, en R1R \leq 1. Besluit: R=1R = 1. Het inzicht om te onthouden: de straal is een uitspraak over de begrensdheid van anrn\abs{a_n}r^n — 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\sum a_nz^n en bnzn\sum b_nz^n met stralen Ra,RbR_a, R_b. Dan geldt voor z<min(Ra,Rb)\abs z < \min(R_a, R_b)

(an+bn)zn=anzn+bnzn,(anzn)(bnzn)=cnzn,cn=k=0nakbnk,\sum (a_n + b_n)z^n = \sum a_nz^n + \sum b_nz^n, \qquad \Bigl(\sum a_nz^n\Bigr)\Bigl(\sum b_nz^n\Bigr) = \sum c_n z^n, \quad c_n = \sum_{k=0}^{n} a_kb_{n-k},

en hebben beide reeksen straal min(Ra,Rb)\geq \min(R_a, R_b). (Het product is het Cauchy-product, legitiem wegens de absolute convergentie en Stelling 7.14.)

Bewijs. De somformule is de lineariteit van convergente reeksen, en (an+bn)rn(a_n + b_n)r^n is begrensd zodra zowel anrna_nr^n als bnrnb_nr^n dat is: straal min(Ra,Rb)\geq \min(R_a, R_b). Leg voor het product z<min(Ra,Rb)\abs z < \min(R_a, R_b) vast: beide reeksen convergeren daar absoluut (Lemma 11.1), dus is de dubbel geïndexeerde familie (akzkblzl)k,l(a_kz^k\,b_lz^l)_{k,l} sommeerbaar en staat Stelling 7.14 elke groepering toe. Groeperen naar k+l=nk + l = n:

(kakzk)(lblzl)=n0(k+l=nakbl)zn=n0cnzn,\Bigl(\sum_k a_kz^k\Bigr)\Bigl(\sum_l b_lz^l\Bigr) = \sum_{n\geq0}\Bigl(\sum_{k+l=n}a_kb_l\Bigr)z^n = \sum_{n\geq0}c_nz^n ,

absoluut convergent voor elke zulke zz: de productreeks heeft dus eveneens straal min(Ra,Rb)\geq \min(R_a, R_b).

Voorbeeld 11.5 (Een kwadraat volgens Cauchy, dubbel gecontroleerd)

Kwadrateer de meetkundige reeks: voor x<1\abs x < 1 is de coëfficiënt van xnx^n in (xk)2\bigl(\sum x^k\bigr)^2 gelijk aan cn=k+l=n11=n+1c_n = \sum_{k+l=n} 1\cdot1 = n + 1, dus

1(1x)2=n0(n+1)xn.\frac{1}{(1-x)^2} = \sum_{n\geq0}(n+1)\,x^n .

Tegencontrole met termsgewijze differentiatie (Stelling 11.7 hieronder): 11x=xn\frac{1}{1-x} = \sum x^n differentiëren geeft 1(1x)2=nxn1=(n+1)xn\frac{1}{(1-x)^2} = \sum nx^{n-1} = \sum(n+1)x^n — 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 (2kk)(2n2knk)=4n\sum\binom{2k}k\binom{2n-2k}{n-k} = 4^n laat de convolutiemotor op volle kracht draaien.

Voorbeeld 11.6 (Vermenigvuldigen met 11x\frac{1}{1-x} sommeert de coëfficiënten)

Een Cauchy-product tegen de meetkundige reeks heeft een gedenkwaardige betekenis: voor elke anxn\sum a_nx^n met straal R>0R > 0 en x<min(R,1)\abs x < \min(R, 1) is

11xn0anxn=n0(k=0nak)xn:\frac{1}{1-x}\sum_{n\geq0}a_nx^n = \sum_{n\geq0}\Bigl(\sum_{k=0}^{n}a_k\Bigr)x^n :

vermenigvuldigen met 11x\frac{1}{1-x} vervangt de coëfficiënten door hun partiële sommen (convolueer met de rij vol enen). Voorbeeld: ex1x=nsnxn\dfrac{\eu^x}{1-x} = \sum_n s_n x^n met sn=kn1k!s_n = \sum_{k\leq n}\frac{1}{k!}, de partiële sommen van e\eu — vergelijk Oefening 11.11, waar hetzelfde product met ex\eu^{-x} de aantallen derangementen codeert. Het inzicht om te onthouden: bewerkingen op machtreeksen zijn vermomde bewerkingen op rijen van coëfficiënten (vermenigvuldigen met 11x\frac1{1-x}: sommeren; vermenigvuldigen met xx: verschuiven; differentiëren: met nn 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)=n0anxnf(x) = \sum_{n\geq0} a_n x^n met straal R>0R > 0 (reële veranderlijke x(R,R)x \in \intoo{-R}{R}).

  1. De afgeleide reeks nanxn1\sum n\,a_n x^{n-1} heeft dezelfde straal RR, en ff is van klasse C1C^1 met f(x)=n1nanxn1f'(x) = \sum_{n \geq 1} n a_n x^{n-1}. Itereren maakt ff van klasse CC^\infty met

    an=f(n)(0)n!:a_n = \frac{f^{(n)}(0)}{n!} :

    de coëfficiënten van een machtreeks liggen dus vast (twee reeksen met dezelfde som bij 00 hebben gelijke coëfficiënten).

  2. Termsgewijze primitieve: ann+1xn+1\sum \frac{a_n}{n+1}x^{n+1} heeft straal RR en afgeleide ff.

Bewijs. Dezelfde straal: is (anrn)(a_nr^n) begrensd en r<rr' < r, dan is nanrn1=nranrn(rr)nn\abs{a_n} r'^{\,n-1} = \frac{n}{r'}\abs{a_nr^n} \bigl(\frac{r'}{r}\bigr)^n begrensd (zelfs 0\to 0: meetkundig wint van nn), dus RRR' \geq R; omgekeerd geeft anxnxnanxn1\abs{a_n x^n} \leq \abs x \cdot n\abs{a_n}\abs x^{n-1} dat RRR \geq R'.

Differentiatie: op [r,r]\intcc{-r}{r} met r<Rr < R convergeert de afgeleide reeks normaal (nanrn1n\abs{a_n}r^{n-1} is sommeerbaar volgens de straalberekening); de oorspronkelijke convergeert in x=0x = 0: de differentiatiestelling voor reeksen (Stelling 10.11) is dus op elk zulk segment van toepassing, en daarmee op (R,R)\intoo{-R}{R}. Na kk keer itereren en in 00 evalueren: expliciet is de kk-de afgeleide reeks

f(k)(x)=nkn(n1)(nk+1)anxnk,f^{(k)}(x) = \sum_{n\geq k} n(n-1)\cdots(n-k+1)\,a_n\,x^{n-k},

en in x=0x = 0 verdwijnt elke term met n>kn > k, zodat alleen de constante term k(k1)1akk(k-1)\cdots1\cdot a_k overblijft: f(k)(0)=k!akf^{(k)}(0) = k!\,a_k. De eenduidigheid van de coëfficiënten volgt: twee machtreeksen met dezelfde som bij 00 hebben dezelfde afgeleiden in 00 en dus dezelfde aka_k. Primitieven: dezelfde straal met dezelfde berekening, en termsgewijs terugdifferentiëren.

Voorbeeld 11.8 (Een reeks in een punt evalueren)

Wat is n1n22n\sum_{n\geq1}\dfrac{n^2}{2^n}? Het is de som n2xn\sum n^2x^n uit Oefening 11.3, binnen de schijf geëvalueerd, in x=12<1=Rx = \frac12 < 1 = R, waar elke bewerking die tot de gesloten vorm leidde legitiem was:

n1n2xn=x(1+x)(1x)3n1n22n=1232(12)3=3/41/8=6.\sum_{n\geq1} n^2x^n = \frac{x(1+x)}{(1-x)^3} \quad\Longrightarrow\quad \sum_{n\geq1}\frac{n^2}{2^n} = \frac{\frac12\cdot\frac32}{(\frac12)^3} = \frac{3/4}{1/8} = 6 .

Dezelfde motor, andere knoppen: x=13x = \frac13 geeft n23n=1343(2/3)3=32\sum\frac{n^2}{3^n} = \frac{\frac13\cdot\frac43}{(2/3)^3} = \frac32. Het inzicht om te onthouden: een identiteit tussen machtreeksen is een machine, geen enkele formule — één afleiding beprijst tegelijk elke getallenreeks n2qn\sum n^2q^n voor alle q<1\abs q < 1; zo zal het hoofdstuk over genererende functies verwachtingswaarden en varianties in bulk berekenen.

Voorbeeld 11.9 (De klassiekers, deze keer eerlijk)

11x=xn\displaystyle\frac{1}{1 - x} = \sum x^n (R=1R = 1); termsgewijs integreren (Stelling 11.7 (2)) geeft

ln(1x)=n1xnn,arctanx=n0(1)nx2n+12n+1(x<1),-\ln(1 - x) = \sum_{n\geq1} \frac{x^n}{n}, \qquad \arctan x = \sum_{n \geq 0} \frac{(-1)^n x^{2n+1}}{2n+1} \quad (\abs x < 1),

de tweede in twee stappen: substitueer x2-x^2 in de meetkundige reeks om 11+x2=(1)nx2n\frac{1}{1+x^2} = \sum(-1)^nx^{2n} te krijgen (straal 11, want x2<1    x<1\abs{x^2} < 1 \iff \abs x < 1), en neem daarna de termsgewijze primitieve die in 00 verdwijnt; beide leden zijn primitieven van dezelfde functie met dezelfde waarde in 00 en dus gelijk op (1,1)\intoo{-1}{1}. En voor exp\exp: de reeks E(x)=xnn!E(x) = \sum \frac{x^n}{n!} (R=R = \infty) voldoet dankzij termsgewijs differentiëren aan E=EE' = E met E(0)=1E(0) = 1, dus is E=expE = \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(1x)=xnn-\ln(1-x) = \sum\frac{x^n}{n} in het inwendige punt x=12x = \frac12 geeft

n11n2n=ln2,\sum_{n\geq1}\frac{1}{n\,2^n} = \ln 2 ,

een snel convergerende voorstelling van ln2\ln 2 (tien termen geven al 0.693060.69306\ldots tegenover ln2=0.69314\ln 2 = 0.69314\ldots), veel beter dan de alternerende reeks 112+131 - \frac12 + \frac13 - \dots 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 n1xnn2\sum_{n\geq1}\frac{x^n}{n^2} heeft straal 11 en convergeert in beide eindpunten (1n2\sum\frac1{n^2} en haar alternerende tweeling). Haar afgeleide reeks

n1xn1n\sum_{n\geq1}\frac{x^{n-1}}{n}

heeft dezelfde straal 11 — zoals Stelling 11.7 garandeert — maar divergeert nu in x=1x = 1 (harmonische reeks), terwijl zij in x=1x = -1 nog steeds convergeert (alternerend). Nog een differentiatie levert n2n1nxn2\sum_{n\geq2}\frac{n-1}{n}x^{n-2} op, divergent aan beide uiteinden (de termen gaan niet naar 00). Het inzicht om te onthouden: elke differentiatie vermenigvuldigt de coëfficiënten met nn, 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)=n0x4n(4n)!f(x) = \sum_{n\geq0} \dfrac{x^{4n}}{(4n)!} in gesloten vorm. Zowel coshx=x2m(2m)!\cosh x = \sum \frac{x^{2m}}{(2m)!} als cosx=(1)mx2m(2m)!\cos x = \sum \frac{(-1)^m x^{2m}}{(2m)!} heeft straal \infty, dus mag hun gemiddelde term voor term worden berekend:

coshx+cosx2=m01+(1)m2x2m(2m)!=m evenx2m(2m)!=n0x4n(4n)!=f(x).\frac{\cosh x + \cos x}{2} = \sum_{m\geq0}\frac{1 + (-1)^m}{2}\,\frac{x^{2m}}{(2m)!} = \sum_{m \text{ even}}\frac{x^{2m}}{(2m)!} = \sum_{n\geq0}\frac{x^{4n}}{(4n)!} = f(x) .

Het filter 1+(1)m2\frac{1+(-1)^m}{2} houdt precies de even mm over: dit is de reële gedaante van het filter met eenheidswortels (de complexe versie, met in\iu^n, licht in één klap de restklassen modulo 44 eruit). Slotcontrole: ff lost f=ff'''' = f op met f(0)=1f(0) = 1 en f(0)=f(0)=f(0)=0f'(0) = f''(0) = f'''(0) = 0 — differentieer de reeks vier keer (Stelling 11.7) en zie haar zichzelf reproduceren; cosh+cos2\frac{\cosh + \cos}{2} voldoet aan dezelfde gegevens.

Definitie 11.13 (Analytische functies)

ff heet analytisch in x0x_0 wanneer zij op een omgeving de som is van een machtreeks in (xx0)(x - x_0); 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=0x_0 = 0 is Stelling 11.7). Analytisch impliceert CC^\infty; het omgekeerde faalt: de vlakke functie e1/x2\eu^{-1/x^2} (Oefening 11.7).

Voorbeeld 11.14 (Het middelpunt verleggen, en de straal als afstand)

Ontwikkel f(x)=11xf(x) = \frac{1}{1-x} rond x0=12x_0 = \frac12: met x=12+hx = \frac12 + h is

11x=112h=212h=n02n+1hn=n02n+1(x12) ⁣n,\frac{1}{1 - x} = \frac{1}{\frac12 - h} = \frac{2}{1 - 2h} = \sum_{n\geq0} 2^{n+1}\,h^n = \sum_{n\geq0} 2^{n+1}\Bigl(x - \frac12\Bigr)^{\!n},

geldig voor 2h<1\abs{2h} < 1, dat wil zeggen x12<12\abs{x - \frac12} < \frac12. De nieuwe straal is precies de afstand van het nieuwe middelpunt tot de singulariteit x=1x = 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\abs{a_{n+1}/a_n} geen limiet (Voorbeeld 11.3, Oefening 11.1), ga dan terug naar de definitie: R=sup{r:(anrn)R = \sup\{r : (a_nr^n) begrensd}\}. (ii) Niets steekt de rand gratis over: termsgewijs differentiëren en integreren zijn stellingen binnen de open schijf; op x=R\abs x = R moet elke reeks opnieuw worden onderzocht (en daar gaat de hele weekendopgave over). (iii) De straal van een som: min(Ra,Rb)\min(R_a, R_b) is slechts een ondergrens — door wegvallen kan zij groter worden (an=1a_n = 1, bn=1b_n = -1: som identiek 00, straal \infty). (iv) CC^\infty is niet analytisch: een convergente taylorreeks kan naar de verkeerde functie convergeren (Oefening 11.7); voordat men f(x)=f(n)(0)n!xnf(x) = \sum \frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n 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\sum a_nx^n 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\abs x = R zelf.

Methode 11.17 (Ontwikkelen via een differentiaalvergelijking)

Om een functie ff in een machtreeks te ontwikkelen: zoek een lineaire differentiaalvergelijking met veeltermcoëfficiënten waaraan ff voldoet; vul anxn\sum a_nx^n in; identificeer de coëfficiënten om een recurrentie voor (an)(a_n) te krijgen; los die op, en controleer de straal en de beginvoorwaarden. Voorbeeld — de binomiale reeks: f(x)=(1+x)αf(x) = (1+x)^\alpha voldoet aan (1+x)f=αf(1+x)f' = \alpha f met f(0)=1f(0) = 1; invullen geeft (n+1)an+1=(αn)an(n+1)a_{n+1} = (\alpha - n)a_n, dus an=(αn)a_n = \binom{\alpha}{n}, straal 11 (quotiënttest), en de som, die aan dezelfde vergelijking met dezelfde beginwaarde voldoet, is gelijk aan (1+x)α(1 + x)^\alpha wegens de eenduidigheidsstelling voor lineaire differentiaalvergelijkingen (volume van bachelorjaar 1).

Voorbeeld 11.18 (De methode op een aangedreven vergelijking)

Los y=y+xy' = y + x met y(0)=0y(0) = 0 op met machtreeksen. Invullen van y=anxny = \sum a_nx^n geeft

n0(n+1)an+1xn=n0anxn+x,\sum_{n\geq0}(n+1)a_{n+1}x^n = \sum_{n\geq0}a_nx^n + x ,

en identificeren van de coëfficiënten: a1=a0=0a_1 = a_0 = 0, 2a2=a1+1=12a_2 = a_1 + 1 = 1, en (n+1)an+1=an(n+1)a_{n+1} = a_n voor n2n \geq 2. Dus a2=12!a_2 = \frac{1}{2!} en met inductie an=1n!a_n = \frac{1}{n!} voor elke n2n \geq 2: straal \infty, en

y(x)=n2xnn!=ex1x.y(x) = \sum_{n\geq2}\frac{x^n}{n!} = \eu^x - 1 - x .

Controle: y=ex1=y+xy' = \eu^x - 1 = y + x en y(0)=0y(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)=n0FnxnF(x) = \sum_{n\geq0} F_n x^n (de getallen van Fibonacci, met F0=0F_0 = 0 en F1=1F_1 = 1). De recurrentie Fn+2=Fn+1+FnF_{n+2} = F_{n+1} + F_n vertaalt zich, na vermenigvuldiging met xn+2x^{n+2} en sommatie, tot

F(x)x=xF(x)+x2F(x)F(x)=x1xx2,F(x) - x = x\,F(x) + x^2 F(x) \quad\Longrightarrow\quad F(x) = \frac{x}{1 - x - x^2} ,

geldig waar de reeks convergeert. De straal is 1φ\frac{1}{\varphi}: uit Fnφn5F_n \sim \frac{\varphi^n}{\sqrt5} (Binet, het volgende voorbeeld — of de grove inductie Fn2nF_n \leq 2^n plus de recurrentie) geeft de quotiënttest

Fn+1xn+1Fnxnφx,convergentie dan en slechts dan als x<1φ0.618.\frac{F_{n+1}\abs x^{n+1}}{F_n\abs x^n} \longrightarrow \varphi\abs x , \qquad\text{convergentie dan en slechts dan als } \abs x < \frac1\varphi \approx 0.618 .

Breuksplitsing op x1xx2\frac{x}{1 - x - x^2} 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=1+52\varphi = \frac{1+\sqrt5}{2} en ψ=152\psi = \frac{1-\sqrt5}{2}, de nulpunten van X2=X+1X^2 = X + 1; omdat φ+ψ=1\varphi + \psi = 1 en φψ=1\varphi\psi = -1, is

1xx2=(1φx)(1ψx).1 - x - x^2 = (1 - \varphi x)(1 - \psi x) .

Breuksplitsing: zoeken we x(1φx)(1ψx)=A1φx+B1ψx\frac{x}{(1-\varphi x)(1-\psi x)} = \frac{A}{1 - \varphi x} + \frac{B}{1 - \psi x}, dan geeft de constante term A+B=0A + B = 0 en de coëfficiënt van xx dat AψBφ=1-A\psi - B\varphi = 1, dus A(φψ)=1A(\varphi - \psi) = 1: A=15=BA = \frac{1}{\sqrt5} = -B. Twee meetkundige reeksen later is

F(x)=15n0(φnψn)xnFn=φnψn5F(x) = \frac{1}{\sqrt5}\sum_{n\geq0} \bigl(\varphi^n - \psi^n\bigr)x^n \quad\Longrightarrow\quad F_n = \frac{\varphi^n - \psi^n}{\sqrt5}

wegens de eenduidigheid van de coëfficiënten (Stelling 11.7). Omdat ψ<1\abs\psi < 1, heeft de term ψn5\frac{\psi^n}{\sqrt5} absolute waarde <12< \frac12: FnF_n is dus het dichtstbijzijnde gehele getal bij φn5\frac{\varphi^n}{\sqrt5}. Het inzicht om te onthouden: de straal 1φ\frac1\varphi van FF 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 Catalangetallen CnC_n (het aantal driehoekingen, van haakplaatsingen, van dyckpaden, …) voldoen aan C0=1C_0 = 1 en Cn+1=k=0nCkCnkC_{n+1} = \sum_{k=0}^n C_kC_{n-k}. De genererende functie C(x)=CnxnC(x) = \sum C_nx^n voldoet dan (Cauchy-product!) aan

C(x)=1+xC(x)2C(x)=114x2x,C(x) = 1 + x\,C(x)^2 \quad\Longrightarrow\quad C(x) = \frac{1 - \sqrt{1 - 4x}}{2x} ,

waarbij het nulpunt met C(0)=1C(0) = 1 wordt gekozen: de vierkantsvergelijking xC2C+1=0xC^2 - C + 1 = 0 oplossen geeft de twee kandidaten 1±14x2x\frac{1 \pm \sqrt{1-4x}}{2x}, en als x0x \to 0 explodeert het nulpunt met “++” als 1x\frac1x terwijl dat met “-” naar 11 gaat (ontwikkel 14x=12x+O(x2)\sqrt{1-4x} = 1 - 2x + O(x^2)) — alleen het minteken kan een machtreeks met C0=1C_0 = 1 dragen. Het ontwikkelen van 14x\sqrt{1 - 4x} met de binomiale reeks geeft de gesloten vorm

Cn=1n+1(2nn),C_n = \frac{1}{n+1}\binom{2n}{n} ,

uitgevoerd in Oefening 11.8.

Opmerking 11.22 (Formele reeksen tegenover convergente reeksen)

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 FnF_n of CnC_n “afleest”, moet men weten dat R>0R > 0. Een grove schatting vooraf volstaat — Fn2nF_n \leq 2^n (onmiddellijke inductie) geeft R12R \geq \frac12 voor Fibonacci; Cn4nC_n \leq 4^n (elk Catalangetal telt deelverzamelingen van paden) geeft R14R \geq \frac14. Pas op voor het ontaarde uiteinde van de schaal: n!xn\sum n!\,x^n heeft straal 00, 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!a_n = 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\eu^{tA}, 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 n22nzn\sum \dfrac{n^2}{2^n}z^n,   zn(2nn)\;\sum \dfrac{z^n}{\binom{2n}{n}},   zn!\;\sum z^{n!} en   (2+(1)n)nzn\;\sum \bigl(2 + (-1)^n\bigr)^n z^n.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.1.

n22nzn\sum \frac{n^2}{2^n}z^n: het quotiënt (n+1)22n+12nn212\frac{(n+1)^2}{2^{n+1}}\cdot \frac{2^n}{n^2} \to \frac12: dus R=2R = 2.

zn(2nn)\sum \frac{z^n}{\binom{2n}{n}}: er geldt (2nn)4nπn\binom{2n}{n} \sim \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}} (Voorbeeld 6.14), dus is an14n\abs{a_n}^{-1} \approx 4^n op polynomiale factoren na: R=4R = 4 (quotiënttest: (2nn)(2n+2n+1)=(n+1)2(2n+1)(2n+2)14\frac{\binom{2n}{n}}{\binom{2n+2}{n+1}} = \frac{(n+1)^2}{(2n+1)(2n+2)} \to \frac14).

zn!\sum z^{n!}: de coëfficiënten zijn ak=1a_k = 1 als k=n!k = n!, en anders 00. Voor z<1\abs z < 1 convergeert zn!\sum \abs z^{n!} (gedomineerd door een meetkundige reeks); voor z1\abs z \geq 1 gaan de termen niet naar 00: dus R=1R = 1.

(2+(1)n)nzn\sum (2 + (-1)^n)^n z^n: de coëfficiënten zijn 3n3^n (even nn) en 11 (oneven nn). Begrensdheid van anrna_nr^n vereist 3r13r \leq 1; en elke r<13r < \frac13 voldoet: dus R=13R = \frac13.

Oefening 11.2

Toon aan dat zn\sum z^n, znn\sum \frac{z^n}{n} en znn2\sum \frac{z^n}{n^2} alle straal 11 hebben maar zich in z=1z = 1 en z=1z = -1 verschillend gedragen: divergentie/divergentie, divergentie/convergentie, convergentie/convergentie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.2.

Alle drie hebben straal 11 (quotiënttest). In z=1z = 1: 1\sum 1 divergeert, 1n\sum\frac1n divergeert, en 1n2\sum\frac{1}{n^2} convergeert. In z=1z = -1: (1)n\sum(-1)^n divergeert, (1)nn\sum\frac{(-1)^n}{n} convergeert (alternerend), en (1)nn2\sum\frac{(-1)^n}{n^2} convergeert (absoluut). Het randgedrag is voor de straal onzichtbaar.

Oefening 11.3

Bereken de sommen voor x<1\abs x < 1:

n0nxn,n0n2xn,n0x2n+12n+1.\sum_{n\geq0} n x^n, \qquad \sum_{n\geq0} n^2 x^n, \qquad \sum_{n\geq0} \frac{x^{2n+1}}{2n+1} .
Oplossing

Oplossing van Oefening 11.3.

Uit 11x=xn\frac{1}{1-x} = \sum x^n: differentiëren en met xx vermenigvuldigen (Stelling 11.7) geeft

nxn=x(1x)2.\sum n x^n = \frac{x}{(1-x)^2} .

Nog een keer differentiëren en opnieuw met xx vermenigvuldigen:

n2xn=x ⁣d ⁣dx(x(1x)2)=x(1+x)(1x)3.\sum n^2 x^n = x\,\frac{\dd}{\dd x}\Bigl(\frac{x}{(1-x)^2}\Bigr) = \frac{x(1 + x)}{(1-x)^3} .

Derde som: dit is het oneven deel van ln(1x)-\ln(1 - x):

n0x2n+12n+1=ln(1x)+ln(1+x)2=12ln1+x1x=artanhx.\sum_{n\geq0} \frac{x^{2n+1}}{2n+1} = \frac{-\ln(1-x) + \ln(1+x)}{2} = \frac12 \ln\frac{1+x}{1-x} = \operatorname{artanh} x .

Oefening 11.4 ★★

Ontwikkel in 00 in een machtreeks, met straal: 1(1x)(2x)\dfrac{1}{(1-x)(2-x)} (breuksplitsing);   ln(1+x+x2)\;\ln(1 + x + x^2) (schrijf 1+x+x2=1x31x1 + x + x^2 = \frac{1 - x^3}{1 - x}).

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.4.

Breuksplitsing: 1(1x)(2x)=11x12x=xn12(x2)n\frac{1}{(1-x)(2-x)} = \frac{1}{1-x} - \frac{1}{2 - x} = \sum x^n - \frac12\sum \bigl(\frac x2\bigr)^n, dus

1(1x)(2x)=n0(112n+1)xn,R=1.\frac{1}{(1-x)(2-x)} = \sum_{n\geq0} \Bigl(1 - \frac{1}{2^{n+1}}\Bigr)x^n, \qquad R = 1 .

ln(1+x+x2)=ln1x31x=ln(1x3)ln(1x)=n1xnnm1x3mm\ln(1 + x + x^2) = \ln\frac{1 - x^3}{1 - x} = \ln(1 - x^3) - \ln(1 - x) = \sum_{n\geq1}\frac{x^n}{n} - \sum_{m\geq1}\frac{x^{3m}}{m}: de coëfficiënt van xnx^n is 1n\frac1n als 3n3 \nmid n, en 1n3n=2n\frac1n - \frac{3}{n} = -\frac2n als 3n3 \mid n. Straal 11 (de dichtstbijzijnde hindernis: de reeks voor ln(1x3)\ln(1-x^3)).

Oefening 11.5 ★★

Bewijs dat f(x)=n1Hnxn=ln(1x)1xf(x) = \sum_{n\geq1} H_n x^n = -\dfrac{\ln(1 - x)}{1 - x} voor x<1\abs x < 1, waarbij HnH_n het harmonische getal is (Cauchy-product van xn\sum x^n en xnn\sum \frac{x^n}{n}).

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.5.

Het Cauchy-product van m0xm\sum_{m \geq 0} x^m (coëfficiënten 11) en k1xkk\sum_{k\geq1} \frac{x^k}{k} (coëfficiënten 1k\frac1k voor k1k \geq 1), beide absoluut convergent voor x<1\abs x < 1: de coëfficiënt van xnx^n in het product is k=1n1k1=Hn\sum_{k=1}^{n} \frac1k \cdot 1 = H_n. Bijgevolg

(xm)(xkk)=11x(ln(1x))=n1Hnxn.\Bigl(\sum x^m\Bigr)\Bigl(\sum \frac{x^k}{k}\Bigr) = \frac{1}{1-x}\cdot\bigl(-\ln(1-x)\bigr) = \sum_{n\geq1} H_n x^n .

Oefening 11.6 ★★

Los de recurrentie u0=1u_0 = 1, un+1=2un+nu_{n+1} = 2u_n + n op met een genererende functie: bereken U(x)=unxnU(x) = \sum u_nx^n in gesloten vorm, splits die, en lees un=2n+1n1u_n = 2^{n+1} - n - 1 af.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.6.

Vermenigvuldig de recurrentie met xn+1x^{n+1} en sommeer (x<12\abs x < \frac12):

U(x)1=2xU(x)+n0nxn+1=2xU(x)+x2(1x)2,U(x) - 1 = 2x\,U(x) + \sum_{n\geq0} n\,x^{n+1} = 2x\,U(x) + \frac{x^2}{(1-x)^2} ,

met Oefening 11.3. Bijgevolg is

U(x)=112x(1+x2(1x)2)=12x+2x2(12x)(1x)2.U(x) = \frac{1}{1 - 2x}\Bigl(1 + \frac{x^2}{(1-x)^2}\Bigr) = \frac{1 - 2x + 2x^2}{(1-2x)(1-x)^2} .

Breuksplitsing (afdekken in x=12x = \frac12 geeft coëfficiënt 22; in de dubbele pool x=1x = 1 coëfficiënt 1-1; de middelste coëfficiënt verdwijnt na evaluatie in x=0x = 0):

U(x)=212x1(1x)2.U(x) = \frac{2}{1-2x} - \frac{1}{(1 - x)^2} .

Beide ontwikkelen geeft

un=22n(n+1)=2n+1n1.u_n = 2\cdot 2^n - (n + 1) = 2^{n+1} - n - 1 .

(Controle: u0=1u_0 = 1 en u1=2u0+0=2=42u_1 = 2u_0 + 0 = 2 = 4 - 2.)

Oefening 11.7 ★★

Zij f(x)=e1/x2f(x) = \eu^{-1/x^2} voor x0x \neq 0 en f(0)=0f(0) = 0. Bewijs dat ff van klasse CC^\infty is op R\R met f(n)(0)=0f^{(n)}(0) = 0 voor alle nn (toon met inductie aan dat f(n)(x)=Pn(1x)e1/x2f^{(n)}(x) = P_n\bigl(\frac1x\bigr) \eu^{-1/x^2} voor veeltermen PnP_n, en gebruik de groeivergelijking). Besluit dat ff in 00 niet analytisch is: haar taylorreeks in 00 convergeert — naar de verkeerde functie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.7.

Inductie: f(x)=2x3e1/x2f'(x) = \frac{2}{x^3}\eu^{-1/x^2}, en geldt f(n)(x)=Pn(1x)e1/x2f^{(n)}(x) = P_n(\tfrac1x)\eu^{-1/x^2}, dan

f(n+1)(x)=(1x2Pn(1x)+2x3Pn(1x))e1/x2:f^{(n+1)}(x) = \Bigl(-\frac{1}{x^2}\,P_n'\Bigl(\frac1x\Bigr) + \frac{2}{x^3}\,P_n\Bigl(\frac1x\Bigr)\Bigr)\eu^{-1/x^2} :

opnieuw van de genoemde vorm. In 00: de differentiequotiënten f(n)(h)h=1hPn(1h)e1/h20\frac{f^{(n)}(h)}{h} = \frac1h P_n(\frac1h)\eu^{-1/h^2} \to 0 als h0h \to 0, omdat Q(u)eu20Q(u)\,\eu^{-u^2} \to 0 als u±u \to \pm\infty voor elke veelterm QQ (de exponentiële verslaat machten): met inductie bestaan dus alle f(n)(0)f^{(n)}(0) en zijn zij nul, en is elke f(n)f^{(n)} met dezelfde limiet continu in 00. Dus fCf \in C^\infty met taylorreeks nul in 00; die reeks heeft som 0f0 \neq f: niet analytisch in 00.

Oefening 11.8 ★★★

Maak Voorbeeld 11.21 af: ontwikkel 14x\sqrt{1 - 4x} met de binomiale reeks en toon aan dat

(1/2n+1)(4)n+1=2n+1(2nn),\binom{1/2}{n+1}(-4)^{n+1} = -\frac{2}{n+1}\binom{2n}{n},

en leid af dat Cn=1n+1(2nn)C_n = \frac{1}{n+1}\binom{2n}{n}; bepaal de convergentiestraal van C(x)C(x) en de asymptotiek van CnC_n met Stirling.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.8.

Binomiale reeks: 14x=k0(1/2k)(4x)k\sqrt{1-4x} = \sum_{k\geq0} \binom{1/2}{k}(-4x)^k. Voor k=n+11k = n + 1 \geq 1:

(1/2n+1)(4)n+1=12(121)(12n)(n+1)!(4)n+1=(1)n13(2n1)2n+1(n+1)!(4)n+1=2n+1(2n)!n!n!,\begin{align*} \binom{1/2}{n+1}(-4)^{n+1} &= \frac{\frac12\bigl(\frac12 - 1\bigr)\cdots\bigl(\frac12 - n\bigr)}{(n+1)!}\,(-4)^{n+1}\\ &= \frac{(-1)^n\,1\cdot3\cdots(2n-1)}{2^{n+1}(n+1)!}\,(-4)^{n+1} = -\frac{2}{n+1}\cdot\frac{(2n)!}{n!\,n!} , \end{align*}

met 13(2n1)=(2n)!2nn!1\cdot3\cdots(2n-1) = \frac{(2n)!}{2^n n!}. Bijgevolg

C(x)=114x2x=12xn02n+1(2nn)xn+1=n01n+1(2nn)xn:C(x) = \frac{1 - \sqrt{1-4x}}{2x} = \frac{1}{2x}\sum_{n\geq0}\frac{2}{n+1}\binom{2n}{n}x^{n+1} = \sum_{n\geq0} \frac{1}{n+1}\binom{2n}{n}\,x^n :

dus Cn=1n+1(2nn)C_n = \frac{1}{n+1}\binom{2n}{n}. Straal: 14\frac14 (de binomiale reeks in 4x4x). Asymptotiek via Voorbeeld 6.14:

Cn4nπ  n3/2.C_n \sim \frac{4^n}{\sqrt{\pi}\; n^{3/2}} .

Oefening 11.9 ★★★

(Stelling van Abel over de radiale limiet, bijzonder geval) Neem aan dat an\sum a_n convergeert. Bewijs dat limx1nanxn=nan\lim_{x \to 1^-} \sum_{n} a_n x^n = \sum_n a_n. (Abelsommatie: schrijf met AnA_n de partiële sommen en A=limAnA = \lim A_n de gelijkheid anxn=(1x)Anxn\sum a_nx^n = (1 - x)\sum A_n x^n; dan is anxnA=(1x)(AnA)xn\sum a_nx^n - A = (1-x)\sum (A_n - A)x^n, en splits de som bij een grote NN.) Toepassing: (1)n1n=ln2\sum \frac{(-1)^{n-1}}{n} = \ln 2 en (1)n2n+1=π4\sum \frac{(-1)^n}{2n+1} = \frac\pi4, opnieuw bewezen uit de machtreeks.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.9.

Met An=knakAA_n = \sum_{k \leq n} a_k \to A geeft Abelsommatie voor 0x<10 \leq x < 1

n=0anxn=(1x)n=0Anxn\sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n = (1 - x)\sum_{n=0}^{\infty} A_n x^n

(beide leden convergeren omdat (An)(A_n) begrensd is, en de identiteit volgt uit an=AnAn1a_n = A_n - A_{n-1} met herindexering). Omdat (1x)xn=1(1 - x)\sum x^n = 1, is

nanxnA=(1x)n(AnA)xn.\sum_n a_nx^n - A = (1-x)\sum_{n} (A_n - A)x^n .

Kies bij gegeven ε\varepsilon een NN met AnAε\abs{A_n - A} \leq \varepsilon voor n>Nn > N; dan is

anxnA(1x)nNAnA+ε(1x)n>Nxn(1x)CN+ε,\Bigl|\sum a_nx^n - A\Bigr| \leq (1-x)\sum_{n \leq N}\abs{A_n - A} + \varepsilon(1 - x)\sum_{n > N}x^n \leq (1-x)\,C_N + \varepsilon ,

en met x1x \to 1^- is de limsup ε\leq \varepsilon voor elke ε\varepsilon. De radiale limiet is dus AA.

Toepassingen: (1)n1n\sum \frac{(-1)^{n-1}}{n} convergeert (alternerend), en voor x<1x < 1 heeft haar machtreeks som ln(1+x)\ln(1 + x): volgens Abel is de som dus ln2\ln 2. Evenzo geeft (1)n2n+1x2n+1=arctanx\sum\frac{(-1)^n}{2n+1}x^{2n+1} = \arctan x in x=1x = 1 de waarde π4\frac\pi4 — de bewijzen met integralen uit bachelorjaar 1, nu structureel.

Oefening 11.10

Toon aan dat n1xnn(n+1)=1+1xxln(1x)\displaystyle\sum_{n\geq1}\frac{x^n}{n(n+1)} = 1 + \frac{1-x}{x}\,\ln(1-x) voor 0<x<10 < \abs x < 1, bepaal de straal, en ga na dat de convergentie normaal is op [1,1]\intcc{-1}{1}; controleer dat de waarde in x=1x = 1 die de continuïteit voorspelt overeenkomt met de telescopische som 1n(n+1)=1\sum \frac{1}{n(n+1)} = 1.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.10.

Zowel xnn\sum\frac{x^n}{n} als xnn+1\sum\frac{x^n}{n+1} heeft straal 11, en 1n(n+1)=1n1n+1\frac{1}{n(n+1)} = \frac1n - \frac1{n+1}, dus voor 0<x<10 < \abs x < 1:

n1xnn(n+1)=ln(1x)1xn1xn+1n+1=ln(1x)ln(1x)xx=1+1xxln(1x).\sum_{n\geq1}\frac{x^n}{n(n+1)} = -\ln(1-x) - \frac1x\sum_{n\geq1}\frac{x^{n+1}}{n+1} = -\ln(1-x) - \frac{-\ln(1-x) - x}{x} = 1 + \frac{1-x}{x}\ln(1-x) .

Straal 11; en xn/(n(n+1)),[1,1]=1n(n+1)\norm{x^n/(n(n+1))}_{\infty,\intcc{-1}1} = \frac{1}{n(n+1)} is sommeerbaar: normale convergentie op [1,1]\intcc{-1}{1}, dus is de som daar continu. Als x1x \to 1^- gaat (1x)ln(1x)0(1-x)\ln(1-x) \to 0 en gaat de gesloten vorm naar 11 — in overeenstemming met de telescopische waarde 1n(n+1)=limN(11N+1)=1\sum\frac{1}{n(n+1)} = \lim_N\bigl(1 - \frac{1}{N+1}\bigr) = 1 in x=1x = 1.

Oefening 11.11 ★★

(Derangementen) Zij DnD_n het aantal permutaties van nn objecten zonder vast punt (D0=1D_0 = 1). Sorteren we de permutaties van {1,,n}\{1, \dots, n\} naar hun verzameling vaste punten, dan is n!=k=0n(nk)Dnkn! = \sum_{k=0}^{n}\binom nk D_{n-k}. Vermenigvuldig met xnn!\frac{x^n}{n!}, sommeer, en herken een Cauchy-product om de exponentiële genererende functie

n0Dnxnn!=ex1x(x<1)\sum_{n\geq0} D_n\,\frac{x^n}{n!} = \frac{\eu^{-x}}{1-x} \qquad (\abs x < 1)

te verkrijgen; lees daarna de gesloten vorm Dnn!=k=0n(1)kk!\dfrac{D_n}{n!} = \sum_{k=0}^{n}\dfrac{(-1)^k}{k!} en de limiet Dnn!e1\dfrac{D_n}{n!} \to \eu^{-1} af.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.11.

De n!n! permutaties sorteren naar hun verzameling vaste punten: de kk vaste punten kiezen ((nk)\binom nk manieren) en de overige nkn - k objecten derangeren geeft n!=k=0n(nk)Dnkn! = \sum_{k=0}^n\binom nk D_{n-k}. Deling door n!n! geeft

1=k=0n1k!Dnk(nk)!,1 = \sum_{k=0}^{n}\frac{1}{k!}\cdot\frac{D_{n-k}}{(n-k)!} ,

en dat zegt precies dat het Cauchy-product van ex=xkk!\eu^x = \sum\frac{x^k}{k!} en D(x)=Dnxnn!D(x) = \sum D_n\frac{x^n}{n!} gelijk is aan xn=11x\sum x^n = \frac{1}{1-x}. Beide factoren convergeren absoluut voor x<1\abs x < 1 (want Dnn!D_n \leq n!, zodat DD door de meetkundige reeks wordt gedomineerd): de productidentiteit is dus legitiem (Propositie 11.4), en

D(x)=ex1x.D(x) = \frac{\eu^{-x}}{1-x} .

Cauchy-product van ex=(1)kxkk!\eu^{-x} = \sum\frac{(-1)^kx^k}{k!} en xm\sum x^m: de coëfficiënt van xnx^n is k=0n(1)kk!\sum_{k=0}^{n}\frac{(-1)^k}{k!}, en de eenduidigheid van de coëfficiënten van een machtreeks (Stelling 11.7) geeft

Dnn!=k=0n(1)kk!ne1:\frac{D_n}{n!} = \sum_{k=0}^{n}\frac{(-1)^k}{k!} \xrightarrow[n\to\infty]{} \eu^{-1} :

ongeveer 37%37\% van alle permutaties zijn derangementen, wat nn ook is.

Oefening 11.12 ★★★

Bewijs met de binomiale reeks van Methode 11.17 dat

114x=n0(2nn)xn(x<14),\frac{1}{\sqrt{1 - 4x}} = \sum_{n\geq0}\binom{2n}{n}x^n \qquad \Bigl(\abs x < \frac14\Bigr),

en leid door te kwadrateren (Cauchy-product tegen 114x=4nxn\frac{1}{1-4x} = \sum 4^nx^n) de convolutie-identiteit

k=0n(2kk)(2n2knk)=4n\sum_{k=0}^{n}\binom{2k}{k}\binom{2n-2k}{n-k} = 4^n

af.

Oplossing

Oplossing van Oefening 11.12.

Binomiale reeks met α=12\alpha = -\frac12 in 4x-4x:

(1/2n)(4)n=(12)(32)(2n12)n!(4)n=13(2n1)2nn!4n=(2n)!2nn!2nn!=(2nn),\binom{-1/2}{n}(-4)^n = \frac{\bigl(-\frac12\bigr)\bigl(-\frac32\bigr)\cdots \bigl(-\frac{2n-1}2\bigr)}{n!}(-4)^n = \frac{1\cdot3\cdots(2n-1)}{2^n\,n!}\,4^n = \frac{(2n)!}{2^n n!}\cdot\frac{2^n}{n!} = \binom{2n}{n},

met 13(2n1)=(2n)!2nn!1\cdot3\cdots(2n-1) = \frac{(2n)!}{2^nn!}. Bijgevolg is (14x)1/2=(2nn)xn(1-4x)^{-1/2} = \sum\binom{2n}nx^n voor 4x<1\abs{4x} < 1. Kwadrateren (Cauchy-product, legitiem wegens de absolute convergentie) en vergelijken met 114x=4nxn\frac{1}{1-4x} = \sum 4^nx^n: de coëfficiënt van xnx^n in het kwadraat is k=0n(2kk)(2n2knk)\sum_{k=0}^n\binom{2k}k\binom{2n-2k}{n-k}, en de eenduidigheid van de coëfficiënten geeft

k=0n(2kk)(2n2knk)=4n.\sum_{k=0}^{n}\binom{2k}{k}\binom{2n-2k}{n-k} = 4^n .

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)(a_n) een reële rij, f(x)=n0anxnf(x) = \sum_{n\geq0} a_nx^n en An=a0++anA_n = a_0 + \dots + a_n.

Deel I — De stelling van Abel, uniform. Neem in dit deel aan dat an\sum a_n convergeert, en zet rn=knakr_n = \sum_{k\geq n} a_k (zodat rn0r_n \to 0 en an=rnrn+1a_n = r_n - r_{n+1}).

  1. Bewijs met partiële sommatie dat voor alle 0x10 \leq x \leq 1 en NMN \leq M

    n=NManxn2supnNrn.\Bigl|\sum_{n=N}^{M} a_n x^n\Bigr| \leq 2\sup_{n \geq N}\,\abs{r_n} .
  2. Leid af dat anxn\sum a_nx^n uniform convergeert op [0,1]\intcc{0}{1}, dat haar som daar continu is, en vind de radiale limiet van Oefening 11.9 terug: f(x)anf(x) \to \sum a_n als x1x \to 1^-.
  3. (Stelling van Abel voor Cauchy-producten) Zij an=A\sum a_n = A en bn=B\sum b_n = B, en neem aan dat het Cauchy-product cn\sum c_n met cn=kakbnkc_n = \sum_{k} a_kb_{n-k} convergeert, met som CC. Bewijs dat C=ABC = AB (binnen de schijf geldt de productidentiteit volgens Propositie 11.4; laat x1x \to 1^-).
  4. Toon aan dat de hypothese ertoe doet: voor an=bn=(1)nn+1a_n = b_n = \frac{(-1)^n}{\sqrt{n+1}} convergeren beide reeksen, en toch is cn2(n+1)n+21\abs{c_n} \geq \frac{2(n+1)}{n+2} \geq 1 (begrens elke factor (k+1)(nk+1)\sqrt{(k+1)(n-k+1)} met de ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde): het Cauchy-product van twee convergente reeksen kan dus divergeren.
  5. (Een opbrengst van Oefening 11.5) Toon aan dat (ln(1x))2=2n1Hnn+1xn+1\bigl(\ln(1-x)\bigr)^2 = 2\sum_{n\geq1} \frac{H_n}{n+1}x^{n+1} op (1,1)\intoo{-1}{1}, ga na dat (Hnn+1)n1\bigl(\frac{H_n}{n+1}\bigr)_{n\geq1} dalend naar 00 gaat, en besluit met Abel:

    n1(1)n+1Hnn+1=(ln2)22.\sum_{n\geq1} (-1)^{n+1}\,\frac{H_n}{n+1} = \frac{(\ln 2)^2}{2} .

Deel II — De omkering van Tauber. Noem an\sum a_n Abel-sommeerbaar tot LL wanneer f(x)Lf(x) \to L als x1x \to 1^-.

  1. Toon aan dat (1)n\sum (-1)^n Abel-sommeerbaar is tot 12\frac12 en toch divergent: de stelling van Abel heeft geen onvoorwaardelijke omkering.
  2. (Lemma van Cesàro) Geldt un0u_n \to 0, dan u1++uNN0\frac{u_1 + \dots + u_N}{N} \to 0 (splits de som bij een vaste mm).
  3. Neem nu aan dat nan0n\,a_n \to 0 en f(x)Lf(x) \to L. Bewijs met xN=11Nx_N = 1 - \frac1N de twee schattingen

    n=0Nan(1xNn)1Nn=1Nnan,n>NanxNnsupn>N(nan)\Bigl|\sum_{n=0}^{N} a_n\bigl(1 - x_N^n\bigr)\Bigr| \leq \frac{1}{N}\sum_{n=1}^{N} n\,\abs{a_n}, \qquad \Bigl|\sum_{n>N} a_n x_N^n\Bigr| \leq \sup_{n>N}\bigl(n\abs{a_n}\bigr)

    (voor de eerste: 1xnn(1x)1 - x^n \leq n(1-x); voor de tweede: an1Nsupm>Nmam\abs{a_n} \leq \frac{1}{N}\sup_{m>N} m\abs{a_m} en xNnN\sum x_N^n \leq N).

  4. Besluit tot de stelling van Tauber: geldt nan0n\,a_n \to 0 en is an\sum a_n Abel-sommeerbaar tot LL, dan convergeert an\sum a_n naar LL.
  5. (De eenvoudige tauberstelling voor positieve coëfficiënten) Is an0a_n \geq 0 en is ff begrensd op [0,1)\intco{0}{1}, toon dan aan dat an\sum a_n convergeert en an=limx1f(x)\sum a_n = \lim_{x\to1^-} f(x) (begrens nNanxnf(x)\sum_{n\leq N}a_nx^n \leq f(x) en laat x1x \to 1^- gaan, en gebruik daarna Abel).

Deel III — Gemiddelden van Cesàro en de stelling van Frobenius. Noem an\sum a_n Cesàro-sommeerbaar tot LL wanneer σN=A0++AN1NL\sigma_N = \frac{A_0 + \dots + A_{N-1}}{N} \to L.

  1. Toon aan dat een convergente reeks Cesàro-sommeerbaar is tot haar som (vraag 7 toegepast op AnLA_n - L).
  2. Bereken de waarde volgens Cesàro van (1)n\sum(-1)^n en ga na dat zij overeenkomt met de waarde 12\frac12 volgens Abel uit vraag 6.
  3. Bewijs met Sn=A0++An=(n+1)σn+1S_n = A_0 + \dots + A_n = (n+1)\,\sigma_{n+1} de twee identiteiten, voor 0x<10 \leq x < 1:

    f(x)=(1x)2n0(n+1)σn+1xn,(1x)2n0(n+1)xn=1.f(x) = (1-x)^2\sum_{n\geq0}(n+1)\,\sigma_{n+1}x^n, \qquad (1-x)^2\sum_{n\geq0}(n+1)x^n = 1 .
  4. (Frobenius) Leid af: geldt σNL\sigma_N \to L, dan f(x)Lf(x) \to L als x1x \to 1^-Cesàro-sommeerbaar impliceert dus Abel-sommeerbaar, met dezelfde waarde (trek de twee identiteiten van elkaar af en splits de som bij een grote NN, als in Oefening 11.9).
  5. Toon aan dat de hiërarchie

    convergent    Cesaˋro-sommeerbaar    Abel-sommeerbaar\text{convergent} \;\Longrightarrow\; \text{Cesàro-sommeerbaar} \;\Longrightarrow\; \text{Abel-sommeerbaar}

    bij beide pijlen strikt is: vraag 6 voor de eerste; toon voor de tweede aan dat (1)n(n+1)\sum(-1)^n(n+1) Abel-sommeerbaar is tot 14\frac14 (bereken ff) maar niet Cesàro-sommeerbaar (bereken σN\sigma_N afzonderlijk voor even en oneven NN).

Deel IV — Integreren tot aan de rand.

  1. Neem aan dat anxn\sum a_nx^n op [0,1)\intco{0}{1} convergeert en dat ann+1\sum \frac{a_n}{n+1} convergeert. Bewijs dat de oneigenlijke integraal 01f\int_0^1 f bestaat en dat

    01(n0anxn) ⁣dx=n0ann+1\int_0^1 \Bigl(\sum_{n\geq0} a_nx^n\Bigr)\dd x = \sum_{n\geq0}\frac{a_n}{n+1}

    (de primitieve F(x)=ann+1xn+1F(x) = \sum\frac{a_n}{n+1}x^{n+1} is volgens Deel I continu in 11).

  2. Zij η=n1(1)n1n2\eta = \sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n-1}}{n^2}. Toon aan dat 01ln(1+x)x ⁣dx=η\int_0^1 \frac{\ln(1+x)}{x}\dd x = \eta, en dat η=12n11n2\eta = \frac12\sum_{n\geq1}\frac{1}{n^2} door de even en de oneven indices in de absoluut convergente 1n2\sum \frac1{n^2} te splitsen. (De weekendopgave van het fourierhoofdstuk berekent 1n2=π26\sum\frac1{n^2} = \frac{\pi^2}{6}.)
  3. Bewijs dat

    n0(1)n3n+1=01 ⁣dx1+x3=13(ln2+π3)\sum_{n\geq0}\frac{(-1)^n}{3n+1} = \int_0^1\frac{\dd x}{1+x^3} = \frac13\Bigl(\ln 2 + \frac{\pi}{\sqrt3}\Bigr)

    (de reeks convergeert volgens Leibniz; integreer de meetkundige reeks (1)nx3n\sum(-1)^nx^{3n} met vraag 16; en daarna breuksplitsing: 11+x3=1/31+x+(2x)/3x2x+1\frac{1}{1+x^3} = \frac{1/3}{1+x} + \frac{(2-x)/3}{x^2-x+1}).

  4. Leid uit de binomiale reeks voor (1t)1/2(1-t)^{-1/2} (Oefening 11.12) af dat

    arcsinx=n0(2nn)4n(2n+1)x2n+1(x<1),en daarnan0(2nn)4n(2n+1)=π2,\arcsin x = \sum_{n\geq0} \frac{\binom{2n}{n}}{4^n(2n+1)}\,x^{2n+1} \quad(\abs x < 1), \qquad\text{en daarna}\qquad \sum_{n\geq0}\frac{\binom{2n}{n}}{4^n(2n+1)} = \frac\pi2 ,

    waarbij de randwaarde met normale convergentie op [1,1]\intcc{-1}{1} wordt verantwoord (gebruik (2nn)4n1πn\binom{2n}n4^{-n} \sim \frac{1}{\sqrt{\pi n}}, Voorbeeld 6.14) — hier is zelfs Abel niet nodig.

  5. (Catalan op de rand) Toon aan dat Cn4n=2\sum C_n 4^{-n} = 2: de catalanreeks van Voorbeeld 11.21 convergeert in haar straal 14\frac14 (asymptotiek van Oefening 11.8), haar som is continu op [0,14]\intcc{0}{\frac14}, en de gesloten vorm heeft daar limiet 22.

Deel V — Starheid: de identiteitsstelling.

  1. (Geïsoleerde nulpunten) Zij f=anxnf = \sum a_nx^n met straal R>0R > 0 en niet alle an=0a_n = 0; zij mm de kleinste index met am0a_m \neq 0. Toon aan dat f(x)=xmg(x)f(x) = x^m g(x) met gg een machtreeks van straal RR en g(0)=am0g(0) = a_m \neq 0, en leid af dat ff op een zekere geperforeerde omgeving van 00 geen nulpunt heeft.
  2. (Identiteitsstelling) Zijn f,hf, h sommen van machtreeksen bij 00 en is (xk)(x_k) een rij punten ongelijk aan nul met xk0x_k \to 0 en f(xk)=h(xk)f(x_k) = h(x_k). Bewijs dat ff en hh dezelfde coëfficiënten hebben en dus bij 00 samenvallen.
  3. Bepaal alle functies ff die bij 00 analytisch zijn met

    f(1k)=k2k2+1voor alle grote gehele k.f\Bigl(\frac1k\Bigr) = \frac{k^2}{k^2+1} \qquad\text{voor alle grote gehele } k .
  4. Toon aan dat een functie die analytisch is op een open interval II en op een deelinterval verdwijnt, op heel II identiek nul is (de verzameling punten waaromheen ff identiek verdwijnt is open en, via de identiteitsstelling in de verdichtingspunten, gesloten in II). Besluit dat geen enkele analytische functie op R\R ongelijk aan nul een compacte drager heeft — terwijl er wel CC^\infty-bultfuncties bestaan (Oefening 11.7 levert de bouwsteen): analyticiteit is star, gladheid is slap.
  5. 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=rnrn+1a_n = r_n - r_{n+1} geeft partiële sommatie

n=NManxn=rNxN+n=N+1Mrn(xnxn1)rM+1xM.\sum_{n=N}^{M} a_nx^n = r_Nx^N + \sum_{n=N+1}^{M} r_n\bigl(x^n - x^{n-1}\bigr) - r_{M+1}x^M .

Voor 0x10 \leq x \leq 1 zijn de toenamen xn1xnx^{n-1} - x^n niet-negatief en telescoperen zij tot xNxMx^N - x^M; met s=supnNrns = \sup_{n\geq N}\abs{r_n}:

n=NManxns(xN+(xNxM)+xM)=2sxN2s.\Bigl|\sum_{n=N}^{M}a_nx^n\Bigr| \leq s\bigl(x^N + (x^N - x^M) + x^M\bigr) = 2s\,x^N \leq 2s .

2. Omdat rn0r_n \to 0, gaat supnNrn0\sup_{n\geq N}\abs{r_n} \to 0: vraag 1 is precies het uniforme cauchycriterium op [0,1]\intcc{0}{1}, dus convergeert anxn\sum a_nx^n daar uniform en is haar som continu (Stelling 10.11). Omdat de waarde in 11 gelijk is aan an\sum a_n, is de continuïteit in 11 de radiale limiet van Oefening 11.9.

3. Voor x<1\abs x < 1 convergeren alle drie de machtreeksen absoluut en is (anxn)(bnxn)=cnxn\bigl(\sum a_nx^n\bigr)\bigl(\sum b_nx^n\bigr) = \sum c_nx^n (Propositie 11.4). Volgens vraag 2 zijn elke factor en de productkant continu op [0,1]\intcc{0}{1} (hun coëfficiëntreeksen convergeren per hypothese); met x1x \to 1^- in de identiteit volgt AB=CAB = C.

4. Hier is

cn=k=0n1(k+1)(nk+1)k=0n2n+2=2(n+1)n+21,\abs{c_n} = \sum_{k=0}^{n} \frac{1}{\sqrt{(k+1)(n-k+1)}} \geq \sum_{k=0}^{n}\frac{2}{n+2} = \frac{2(n+1)}{n+2} \geq 1,

wegens de ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde: (k+1)(nk+1)(k+1)+(nk+1)2=n+22\sqrt{(k+1)(n-k+1)} \leq \frac{(k+1) + (n-k+1)}{2} = \frac{n+2}{2}. De algemene term van cn\sum c_n gaat dus niet naar 00: het Cauchy-product divergeert, hoewel beide factoren convergeren (alternerende reeksen).

5. Oefening 11.5 geeft ln(1x)1x=Hnxn\frac{-\ln(1-x)}{1-x} = \sum H_nx^n (x<1\abs x < 1). Termsgewijze primitieven (Stelling 11.7 (2)), waarbij beide leden in 00 verdwijnen:

(ln(1x))22=n1Hnn+1xn+1.\frac{\bigl(\ln(1-x)\bigr)^2}{2} = \sum_{n\geq1}\frac{H_n}{n+1}\,x^{n+1} .

Dalend: (n+2)Hn(n+1)Hn+1(n+2)H_n \geq (n+1)H_{n+1} komt neer op Hn1H_n \geq 1, waar voor n1n \geq 1; en Hnn+1lnnn0\frac{H_n}{n+1} \sim \frac{\ln n}{n} \to 0: in x=1x = -1 convergeert de reeks volgens de alternerende test. Substitueren van xxx \mapsto -x en vraag 2 toepassen in x=1x = 1 geeft

(ln2)22=n1Hnn+1(1)n+1,\frac{(\ln 2)^2}{2} = \sum_{n\geq1}\frac{H_n}{n+1}(-1)^{n+1},

de aangekondigde waarde.

6. f(x)=(1)nxn=11+x12f(x) = \sum(-1)^nx^n = \frac{1}{1+x} \to \frac12 als x1x \to 1^-: dus Abel-sommeerbaar tot 12\frac12. Maar de partiële sommen zijn 1,0,1,0,1, 0, 1, 0, \dots: divergent.

7. Kies bij gegeven ε>0\varepsilon > 0 een mm met unε\abs{u_n} \leq \varepsilon voor n>mn > m; voor NmN \geq m is

u1++uNNu1++umN+εNmNCmN+ε,\Bigl|\frac{u_1 + \dots + u_N}{N}\Bigr| \leq \frac{\abs{u_1} + \dots + \abs{u_m}}{N} + \varepsilon\,\frac{N - m}{N} \leq \frac{C_m}{N} + \varepsilon,

dus is de limsup ε\leq \varepsilon voor elke ε\varepsilon: de gemiddelden gaan naar 00.

8. Voor 0x10 \leq x \leq 1 is 1xn=(1x)(1+x++xn1)n(1x)1 - x^n = (1-x)(1 + x + \dots + x^{n-1}) \leq n(1-x), dus

n=0Nan(1xNn)(1xN)n=1Nnan=1Nn=1Nnan.\Bigl|\sum_{n=0}^N a_n(1 - x_N^n)\Bigr| \leq (1 - x_N)\sum_{n=1}^N n\abs{a_n} = \frac1N\sum_{n=1}^{N}n\abs{a_n} .

Voor n>Nn > N is an=nann1Nsupm>Nmam\abs{a_n} = \frac{n\abs{a_n}}{n} \leq \frac{1}{N}\sup_{m>N}m\abs{a_m}, en n>NxNn11xN=N\sum_{n>N}x_N^n \leq \frac{1}{1 - x_N} = N:

n>NanxNnsupm>NmamNN=supm>Nmam.\Bigl|\sum_{n>N}a_nx_N^n\Bigr| \leq \frac{\sup_{m>N}m\abs{a_m}}{N}\cdot N = \sup_{m>N}\,m\abs{a_m} .

9. Ontbind

ANL=n=0Nan(1xNn)n>NanxNn+(f(xN)L).A_N - L = \sum_{n=0}^{N}a_n\bigl(1 - x_N^n\bigr) - \sum_{n>N}a_nx_N^n + \bigl(f(x_N) - L\bigr) .

De eerste term gaat naar 00 volgens vraag 7 (de gemiddelden van nan0n\abs{a_n} \to 0), de tweede volgens vraag 8 (het supremum gaat naar 00), en de derde omdat xN1x_N \to 1^- en f(x)Lf(x) \to L. Bijgevolg ANLA_N \to L: de stelling van Tauber.

10. Voor x[0,1)x \in \intco{0}{1} en elke NN is nNanxnf(x)M\sum_{n\leq N}a_nx^n \leq f(x) \leq M (niet-negatieve termen). Laat x1x \to 1^- in de eindige som gaan: nNanM\sum_{n\leq N}a_n \leq M. De partiële sommen zijn stijgend en begrensd: an\sum a_n convergeert dus, en vraag 2 geeft daarna limx1f(x)=an\lim_{x\to1^-}f(x) = \sum a_n.

11. σNL\sigma_N - L is het gemiddelde van de NN getallen AnLA_n - L (0n<N0 \leq n < N), die naar 00 gaan: vraag 7.

12. An=1A_n = 1 voor even nn en 00 voor oneven nn: dus A0++AN1=N/2A_0 + \dots + A_{N-1} = \lceil N/2\rceil, en σN=N/2N12\sigma_N = \frac{\lceil N/2\rceil}{N} \to \frac12, de waarde volgens Abel uit vraag 6.

13. Onder σNL\sigma_N \to L is Sn=O(n)S_n = O(n), dus An=SnSn1=O(n)A_n = S_n - S_{n-1} = O(n) en an=O(n)a_n = O(n): alle onderstaande reeksen hebben dus straal 1\geq 1. Voor x<1\abs x < 1 geeft an=AnAn1a_n = A_n - A_{n-1} met Anxn0A_nx^n \to 0

(1x)nAnxn=nAnxnnAnxn+1=nanxn=f(x),(1-x)\sum_n A_nx^n = \sum_n A_nx^n - \sum_n A_nx^{n+1} = \sum_n a_nx^n = f(x),

en identiek is (1x)Snxn=Anxn(1-x)\sum S_nx^n = \sum A_nx^n, dus f(x)=(1x)2nSnxn=(1x)2n(n+1)σn+1xnf(x) = (1-x)^2\sum_n S_nx^n = (1-x)^2\sum_n(n+1)\sigma_{n+1}x^n. Ten slotte is (n+1)xn=1(1x)2\sum(n+1)x^n = \frac{1}{(1-x)^2} (Oefening 11.3), en dat is de tweede identiteit.

14. Trek LL maal de tweede identiteit van de eerste af:

f(x)L=(1x)2n0(n+1)(σn+1L)xn.f(x) - L = (1-x)^2\sum_{n\geq0}(n+1) \bigl(\sigma_{n+1} - L\bigr)x^n .

Kies bij gegeven ε\varepsilon een NN met σn+1Lε\abs{\sigma_{n+1} - L} \leq \varepsilon voor nNn \geq N; dan is

f(x)L(1x)2CN+ε(1x)2n(n+1)xn=(1x)2CN+ε,\abs{f(x) - L} \leq (1-x)^2 C_N + \varepsilon(1-x)^2\sum_{n}(n+1)x^n = (1-x)^2C_N + \varepsilon ,

en met x1x \to 1^- is de limsup ε\leq \varepsilon. Bijgevolg f(x)Lf(x) \to L: de stelling van Frobenius.

15. f(x)=(1)n(n+1)xn=1(1+x)2f(x) = \sum(-1)^n(n+1)x^n = \frac{1}{(1+x)^2} (differentieer de meetkundige reeks in x-x): waarde volgens Abel 14\frac14. Partiële sommen: A2k=k+1A_{2k} = k+1 en A2k+1=(k+1)A_{2k+1} = -(k+1) (onmiddellijke inductie). Dan is S2m1=0S_{2m-1} = 0 (opeenvolgende paren heffen elkaar op) en S2m=m+1S_{2m} = m + 1, dus

σ2m=S2m12m=0,σ2m+1=m+12m+112:\sigma_{2m} = \frac{S_{2m-1}}{2m} = 0, \qquad \sigma_{2m+1} = \frac{m+1}{2m+1} \to \frac12 :

(σN)(\sigma_N) heeft twee verschillende verdichtingswaarden: dus niet Cesàro-sommeerbaar. Met de vragen 6 en 11–14 is de hiërarchie convergent \Rightarrow Cesàro \Rightarrow Abel bij beide pijlen strikt.

16. De primitieve reeks F(x)=ann+1xn+1F(x) = \sum\frac{a_n}{n+1}x^{n+1} heeft dezelfde straal en F=fF' = f op [0,1)\intco{0}{1} (Stelling 11.7); omdat ann+1\sum\frac{a_n}{n+1} convergeert, maakt Deel I (vraag 2) FF continu op [0,1]\intcc{0}{1}. Omdat 0xf=F(x)\int_0^x f = F(x) (gelijke afgeleiden, gelijke waarde 00 in 00), is

0xfx1F(1)=n0ann+1:\int_0^x f \xrightarrow[x\to1^-]{} F(1) = \sum_{n\geq0}\frac{a_n}{n+1} :

de oneigenlijke integraal bestaat dus met de genoemde waarde.

17. Er geldt ln(1+x)x=n1(1)n1nxn1\frac{\ln(1+x)}{x} = \sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n-1}}{n}x^{n-1} (straal 11; continu in 00). De reeks van de amm+1\frac{a_m}{m+1} is n1(1)n1n2\sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n-1}}{n^2}, absoluut convergent: vraag 16 geeft 01ln(1+x)x ⁣dx=η\int_0^1\frac{\ln(1+x)}{x}\dd x = \eta. Hergroepeer in de absoluut convergente 1n2\sum\frac1{n^2} de even en de oneven indices:

η=oneven1n2even1n2=n1n22k1(2k)2=(112)n1n2=12n11n2.\eta = \sum_{\text{oneven}}\frac1{n^2} - \sum_{\text{even}}\frac1{n^2} = \sum_{n}\frac1{n^2} - 2\sum_{k}\frac1{(2k)^2} = \Bigl(1 - \frac12\Bigr)\sum_n\frac1{n^2} = \frac12\sum_{n\geq1}\frac1{n^2} .

18. Leibniz: 13n+10\frac{1}{3n+1}\downarrow0, dus convergeert de reeks. Op [0,1)\intco{0}{1} is (1)nx3n=11+x3\sum(-1)^nx^{3n} = \frac{1}{1+x^3}, en (1)n3n+1\sum\frac{(-1)^n}{3n+1} convergeert: vraag 16 geeft (1)n3n+1=01 ⁣dx1+x3\sum\frac{(-1)^n}{3n+1} = \int_0^1\frac{\dd x}{1+x^3}. Breuksplitsing (controle: 13(x2x+1)+2x3(1+x)=1\frac13(x^2-x+1) + \frac{2-x}{3}(1+x) = 1):

01 ⁣dx1+x3=13ln2+13012xx2x+1 ⁣dx.\int_0^1\frac{\dd x}{1+x^3} = \frac13\ln2 + \frac13\int_0^1\frac{2-x}{x^2-x+1}\dd x .

Met 2x=12(2x1)+322 - x = -\frac12(2x-1) + \frac32 verdwijnt het deel met ln(x2x+1)\ln(x^2-x+1) aan beide uiteinden, en is

3201 ⁣dx(x12)2+34=3223[arctan2x13]01=3π3=π3.\frac32\int_0^1\frac{\dd x}{(x-\frac12)^2 + \frac34} = \frac32\cdot\frac{2}{\sqrt3} \Bigl[\arctan\frac{2x-1}{\sqrt3}\Bigr]_0^1 = \sqrt3\cdot\frac{\pi}{3} = \frac{\pi}{\sqrt3} .

Totaal: 13(ln2+π3)\frac13\bigl(\ln2 + \frac{\pi}{\sqrt3}\bigr).

19. Substitutie t=x2t = x^2 in de reeks van Oefening 11.12 en termsgewijs integreren (de primitieve van (1x2)1/2(1-x^2)^{-1/2} die in 00 verdwijnt is arcsin\arcsin) geeft

arcsinx=n0(2nn)4n(2n+1)x2n+1(x<1).\arcsin x = \sum_{n\geq0} \frac{\binom{2n}n}{4^n(2n+1)}x^{2n+1} \qquad(\abs x < 1) .

De coëfficiënten zijn 12πn3/2\sim \frac{1}{2\sqrt\pi\,n^{3/2}} (Voorbeeld 6.14), sommeerbaar: de reeks convergeert dus normaal op [1,1]\intcc{-1}{1}, haar som is daar continu, en zij valt op (1,1)\intoo{-1}{1} samen met de continue arcsin\arcsin, dus ook in x=1x = 1:

n0(2nn)4n(2n+1)=arcsin1=π2.\sum_{n\geq0}\frac{\binom{2n}n}{4^n(2n+1)} = \arcsin 1 = \frac\pi2 .

20. Er geldt Cn4n1πn3/2C_n4^{-n} \sim \frac{1}{\sqrt\pi\,n^{3/2}} (Oefening 11.8): normale convergentie van Cnxn\sum C_nx^n op [0,14]\intcc{0}{\frac14}, dus is haar som daar continu; op (0,14)\intoo{0}{\frac14} is zij gelijk aan 114x2x\frac{1-\sqrt{1-4x}}{2x} (Voorbeeld 11.21), waarvan de limiet in 14\frac14^- gelijk is aan 101/2=2\frac{1-0}{1/2} = 2. Bijgevolg is n0Cn4n=2\sum_{n\geq0} C_n4^{-n} = 2.

21. Er geldt f(x)=nmanxn=xmg(x)f(x) = \sum_{n\geq m}a_nx^n = x^m g(x) met g(x)=k0am+kxkg(x) = \sum_{k\geq0}a_{m+k}x^k; is (anrn)(a_nr^n) begrensd, dan (am+krk)(a_{m+k}r^k) ook (deel door rmr^m): gg heeft dus straal R\geq R. En gg is continu met g(0)=am0g(0) = a_m \neq 0, dus g0g \neq 0 op een zekere [δ,δ]\intcc{-\delta}{\delta}, en f(x)=xmg(x)0f(x) = x^mg(x) \neq 0 voor 0<xδ0 < \abs x \leq \delta.

22. d=fhd = f - h is de som van een machtreeks bij 00 die in de punten xk0x_k \to 0 ongelijk aan nul verdwijnt. Was een coëfficiënt van dd ongelijk aan nul, dan zou vraag 21 een geperforeerde omgeving van 00 zonder nulpunten van dd geven — in strijd met d(xk)=0d(x_k) = 0. Alle coëfficiënten van dd verdwijnen dus: ff en hh hebben gelijke coëfficiënten en vallen bij 00 samen.

23. De functie h(x)=11+x2=(1)nx2nh(x) = \frac{1}{1+x^2} = \sum(-1)^nx^{2n} (straal 11) voldoet aan h(1k)=11+1/k2=k2k2+1h(\frac1k) = \frac{1}{1 + 1/k^2} = \frac{k^2}{k^2+1}. Elke analytische ff met dezelfde waarden stemt met hh overeen in de punten 1k0\frac1k \to 0: volgens de identiteitsstelling (vraag 22) is dus f=11+x2f = \frac{1}{1+x^2} bij 00 — de unieke oplossing.

24. Zij ZZ de verzameling punten van II die een omgeving hebben waarop ff identiek verdwijnt: per definitie open, en niet leeg (het deelinterval). Gesloten in II: is yIy \in I een limiet van punten van ZZ, dan is yy een verdichtingspunt van nulpunten van ff; ontwikkelt men ff in een machtreeks in yy (analyticiteit) en past men de vragen 21–22 rond yy toe, dan verdwijnen alle coëfficiënten in yy, dus f0f \equiv 0 bij yy: dus yZy \in Z. Een interval is samenhangend, dus Z=IZ = I: f0f \equiv 0 op II. In het bijzonder verdwijnt een analytische functie op R\R die buiten een compacte verzameling nul is, op een interval en dus overal: er bestaat geen analytische bult ongelijk aan nul. De CC^\infty-wereld is anders: het aan elkaar plakken van de vlakke functie uit Oefening 11.7 (bijvoorbeeld xe1/x21x>0x \mapsto \eu^{-1/x^2}\mathbf 1_{x>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 nan0na_n \to 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: (1)n3n+1=01 ⁣dx1+x3\sum\frac{(-1)^n}{3n+1} = \int_0^1\frac{\dd x}{1+x^3} 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.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst