Вычислить ряд частичных сумм для ряда. Вычисление суммы ряда онлайн
Вычислить сумму ряда можно только в случае, когда ряд сходится. Если ряд расходится то сумма ряда бесконечна и нет смысла что-то вычислять. Ниже приведены примеры из практики нахождения суммы ряда, которые задавали в Львовском национальном университете имени Ивана Франка. Задания на ряды подобраны так, что условие сходимости выполняется всегда, однако проверку на сходимость мы выполнять будем. Эта и следующие за ней статьи составляют решение контрольной работы по анализе рядов.
Пример 1.4
Вычислить сумму рядов:
а)
Вычисления:
Поскольку граница общего члена ряда при номере следующему до бесконечности равна 0 
то данный ряд сходится. Вычислим сумму ряда. Для этого преобразуем общий член, разложив его на простейшие дроби I и II типа. Методика разложения на простые дроби здесь приводиться не будет (хорошо расписана при интегрировании дробей), а лишь запишем конечный вид разложения 
В соответствии с этим можем сумму расписать через сумму ряда образованного из простейших дробей, а дальше из разницы сумм рядов
Далее расписываем каждый ряд в явную сумму и выделяем слагаемые (подчеркивание), которые превратятся 0 после сложения. Таким образом сумма ряда упростится к сумме 3 слагаемых (обозначены черным), что в результате даст 33/40.
На этом базируется вся практическая часть нахождения суммы для простых рядов.
Примеры на сложные ряды сводятся к сумме бесконечно убывающих прогрессий и рядов, которые находят через соответствующие формулы, но здесь такие примеры рассматривать не будем.
б) 
Вычисления:
Находим границу n-го
члена суммы
Она равна нулю, следовательно заданный ряд сходится и имеет смысл искать его сумму. Если граница отличная от нуля, то сумма ряда равна бесконечности со знаком "плюс" или "минус".
Найдем сумму ряда. Для этого общий член ряда который является дробью превратим методом неопределенных коэффициентов к сумме простых дробей I типа 
Далее по инструкции которая приводилась ранее записываем сумму ряда через соответствующие суммы простейших дробей
Расписываем суммы и выделяем слагаемые, которые станут равными 0 при суммировании.
В результате получим сумму нескольких слагаемых (выделенные черным) которая равна 17/6
.
Пример 1.9
Найти сумму ряда:
а)
Вычисления:
Вычислениям границы
убеждаемся что данный ряд сходится и можно находить сумму. Далее знаменатель функции от номера n
раскладываем на простые множители, а весь дробь превращаем к сумме простых дробей I типа 
Далее сумму ряда в соответствии с расписанием записываем через два простые
Ряды записываем в явном виде и выделяем слагаемые, которые после добавления дадут в сумме ноль. Остальные слагаемые (выделенные черным) и представляет собой конечную сумму ряда 
Таким образом, чтобы найти сумму ряда надо на практике свести под общий знаменатель 3 простых дроби.
б) 
Вычисления:
Граница члена ряда при больших значениях номера стремится к нулю
Из этого следует что ряд сходится, а его сумма конечна. Найдем сумму ряда, для этого сначала методом неопределенных коэффициентов разложим общий член ряда на три простейшего типа 
Соответственно и сумму ряда можно превратить в сумму трех простых рядов
Далее ищем слагаемые во всех трех суммах, которые после суммирования превратятся в ноль. В рядах, содержащих три простых дроби один из них при суммировании становится равным нулю (выделен красным). Это служит своеобразной подсказкой в вычислениях 
Сумма ряда равна сумме 3 слагаемых и равна единице.
Пример 1.15
Вычислить сумму ряда:
а) 
Вычисления:
При общем член ряда стремящемся к нулю
данный ряд сходится. Преобразуем общий член таким образом, чтобы иметь сумму простейших дробей 
Далее заданный ряд, согласно формулам расписания, записываем через сумму двух рядов 
После записи в явном виде большинство членов ряда в результате суммирования станут равны нулю. Останется вычислить сумму трех слагаемых. 
Сумма числового ряда равна -1/30
.
б) 
Вычисления:
Поскольку граница общего члена ряда равна нулю,
то ряд сходится. Для нахождения суммы ряда разложим общий член на дроби простейшего типа. 
При разложении использовали метод неопределенных коэффициентов. Записываем сумму ряда из найденного расписание 
Следующим шагом выделяем слагаемые, не вносящие никакого вклада в конечную сумму и остальные оставшиеся 
Сумма ряда равна 4,5
.
Пример 1.25
Вычислить сумму рядов:
а) 
Поскольку она равна нулю то ряд сходится. Можем найти сумму ряда. Для этого по схеме предыдущих примеров раскладываем общий член ряда через простейшие дроби 
Это позволяет записать ряд через сумму простых рядов и, выделив в нем слагаемые, упростив при этом суммирование. 
В этом случае останется одно слагаемое которое равен единице.
б)
Вычисления:
Находим границу общего члена ряда
и убеждаемся что ряд сходится. Далее общий член числового ряда методом неопределенных коэффициентов раскладываем на дроби простейшего типа. 
Через такие же дроби расписываем сумму ряда
Записываем ряды в явном виде и упрощаем к сумме 3 слагаемых
Сумма ряда равна 1/4.
На этом ознакомление со схемами суммирования рядов завершено. Здесь еще не рассмотрены ряды, которые сводятся к сумме бесконечно убывающей геометрической прогрессии, содержащие факториалы, степенные зависимости и подобные. Однако и приведенный материал будет полезен для студентов на контрольных и тестах.
Поскольку точное значение суммы ряда удается вычислить далеко не всегда (такие задачи были нами рассмотрены), возникает проблема приближенного вычисления суммы ряда с заданной точностью.
Напомним, что
-ый
остаток ряда
получается из исходного ряда
отбрасыванием первых
слагаемых:
Тогда, поскольку для сходящегося ряда
,
остаток сходящегося ряда равен разности
между суммой ряда и
-ой
частичной суммой:
,
и для достаточно больших
имеем
приближенное равенство
.
Из определения остатка ряда следует,
что абсолютная погрешность при замене
точного неизвестного значения суммы
его частичной суммой
равна модулю остатка ряда:
.
Таким образом, если требуется вычислить
сумму ряда с заданной точностью
,
то нужно оставить сумму такого числа
слагаемых, чтобы для отброшенного
остатка ряда выполнялось неравенство:
.
Метод приближенного вычисления суммы выбирается в зависимости от вида ряда:
если ряд положительный и может быть исследован на сходимость по интегральному признаку (удовлетворяет условиям соответствующей теоремы), то для оценки суммы используем формулу
;
если это ряд Лейбница, то применяем оценку:
.
В других задачах можно использовать формулу суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии.
Задача №1.
Сколько нужно взять
слагаемых ряда
,
чтобы получить его сумму с точностью
0,01.
Решение.
Прежде всего отметим, что
данный ряд сходится. Рассмотрим
-ый
остаток ряда, который и является
погрешностью вычислений суммы ряда:
Оценим этот ряд с помощью бесконечно
убывающей геометрической прогрессии.
Для этого заменим в каждом слагаемом
множитель
на
,
при этом каждое слагаемое увеличится:
После вынесения общего множителя за скобку, в скобке остался ряд, составленный из членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии, сумму которого мы и вычислили по формуле
.
Заданная точность будет достигнута,
если
будет удовлетворять условию
.
Решим неравенство, учитывая, что
-
целое.
При
имеем
.
При
имеем
.
В силу монотонности функции
,
неравенство
будет выполняться для всех
.
Следовательно, если вместо точного значения суммы мы возьмем первые пять (или более) слагаемых, то погрешность вычислений не превысит 0,01.
Ответ:
.
Задача №2.
Оценить ошибку, получаемую
при замене суммы ряда
суммой
первых 100 слагаемых.
Решение.
Заметим, что данный ряд
является сходящимся и знакопеременным.
Оценивать будем ряд
,
состоящий из модулей исходного ряда,
что сразу увеличивает погрешность
вычислений. Кроме того, нам придется
перейти (используя признак сравнения)
к большему, более простому сходящемуся
ряду:
.
Рассмотрим ряд
.
Поскольку этот ряд удовлетворяет
условиям теоремы – интегрального
признака сходимости, то для оценки
погрешности вычисления суммы используем
соответствующую формулу:
.
Вычислим несобственный интеграл:
погрешность вычислений можно оценить по формуле
,
по условию
,
тогда.
Ответ:
.
Задача №3.
Оценить ошибку,
получаемую при замене суммы ряда
суммой
первых 10 слагаемых.
Решение. Подчеркнем еще раз, что задача о приближенном вычислении суммы имеет смысл только для сходящегося ряда, поэтому, прежде всего отметим, что данный ряд сходится. Поскольку исследуемый ряд является знакопеременным со сложным правилом изменения знака, то оценивать придется, как и в предыдущем примере, ряд из модулей данного ряда:
.
Используя тот факт, что
при любом значении аргумента, имеем:
.
Оценим остаток ряда:
.
Мы получили ряд, составленный из членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии, в которой
,
его сумма равна:
,
.
Ответ:
.
Задача №4.
Вычислить сумму ряда
с
точностью 0,01.
Решение. Данный ряд является рядом Лейбница. Для оценки погрешности верна формула:
,
другими словами, погрешность вычислений
меньше модуля первого отброшенного
слагаемого. Подберем номер
так, чтобы
.
При
имеем
.
При
имеем
.
Погрешность
,
если в качестве значения суммы возьмем
сумму первых четырех слагаемых:
Ответ:
.
Последовательность - высокоупорядоченный числовой набор, образованный по заданному закону. Термин «ряд» обозначает результат сложения членов соответствующей ему последовательности. Для различных числовых последовательностей мы можем найти сумму всех ее членов или общее число элементов до заданного предела.
Последовательность
Под этим термином понимается заданный набор элементов числового пространства. Каждый математический объект задается определенной формулой для определения общего элемента последовательности, а для большинства конечных числовых наборов существуют простые формулы определения их суммы. Наша программа представляет собой сборник из 8 онлайн-калькуляторов, созданных для вычисления сумм наиболее популярных числовых наборов. Начнем с самого простого - натурального ряда, которым мы пользуемся в повседневной жизни для пересчета предметов.
Натуральная последовательность
Когда школьники изучают числа, они первым делом учатся считать предметы, например, яблоки. Натуральные числа естественным образом возникают при счете предметов, и каждый ребенок знает, что 2 яблока - это всегда 2 яблока, не больше и не меньше. Натуральный ряд задается простым законом, который выглядит как n. Формула гласит, что n-ный член числового набора равен n: первый - 1, второй - 2, четыреста пятьдесят первый - 451 и так далее. Результат суммирования n первых натуральных чисел, то есть начинающихся от 1, определяется по простой формуле:
∑ = 0,5 n × (n+1).
Расчет суммы натурального ряда
Для вычислений вам потребуется выбрать в меню калькулятора формулу натурального ряда n и ввести количество членов последовательности. Давайте вычислим сумму натурального ряда от 1 до 15. Указав n = 15, вы получите результат в виде самой последовательности:
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15
и суммы натурального ряда, равной 120.
Легко проверить корректность вычислений при помощи выше приведенной формулы. Для нашего примера результат сложения будет равен 0,5 × 15 × 16 = 0,5 × 240 = 120. Все верно.
Последовательность квадратов
Квадратичная последовательность образуется из натуральной, путем возведения каждого члена в квадрат. Ряд квадратов формируется по закону n 2 , следовательно, n-ный член последовательности будет равняться n 2: первый - 1, второй - 2 2 = 4, третий - 3 2 = 9 и так далее. Результат суммирования начальных n элементов квадратичной последовательности вычисляется по закону:
∑ = (n × (n+1) × (2n+1)) / 6.
При помощи этой формулы вы легко можете высчитать сумму квадратов от 1 до n для сколько угодно большого n. Очевидно, что эта последовательность также бесконечна и с ростом n будет расти и общее значение числового набора.
Расчет суммы квадратного ряда
В этом случае вам потребуется выбрать в меню программы закон квадратной последовательности n 2 , после чего выбрать значение n. Давайте рассчитаем сумму первых десяти членов последовательности (n= 10). Программа выдаст саму последовательность:
1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100
а также сумму, равную 385.
Кубический ряд
Ряд кубов представляет собой последовательность натуральных чисел, возведенных в куб. Закон образования общего элемента последовательности записывается как n 3 . Таким образом, первый член ряда равен 1 3 = 1, второй - 2 3 = 8, третий - 3 3 = 27 и так далее. Сумма первых n элементов кубического ряда определяется по формуле:
∑ = (0,5 n × (n+1)) 2
Как и в предыдущих случаях, элементы числового пространства стремятся в бесконечность, и чем больше количество слагаемых, тем больше результат суммирования.
Расчет суммы кубического ряда
Для начала выберите в меню калькулятора закон кубического ряда n 3 и задайте любое значение n. Давайте определим сумму ряда из 13 членов. Калькулятор выдаст нам результат в виде последовательности:
1, 8, 27, 64, 125, 216, 343, 512, 729, 1000, 1331, 1728, 2197
и суммы соответствующего ей ряда, равного 8281.
Последовательность нечетных чисел
Множество натуральных чисел содержит подмножество нечетных элементов, то есть тех, которые не делятся на 2 без остатка. Последовательность нечетных чисел определяется выражением 2n - 1. Согласно закону, первый член последовательности будет равен 2×1 − 1 = 1, второй - 2×2 − 1 = 3, третий - 2×3 − 1 = 5 и так далее. Сумма начальных n элементов нечетного ряда вычисляется по простой формуле:
Рассмотрим пример.
Вычисление суммы нечетных чисел
Сначала выберете в меню программы закон образования нечетного ряда 2n−1, после чего введите n. Давайте узнаем первые 12 членов нечетной ряда и его сумму. Калькулятор мгновенно выдаст результат в виде набора чисел:
1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23,
а также суммы нечетного ряда, который равен 144. И действительно, 12 2 = 144. Все верно.
Прямоугольные числа
Прямоугольные числа относятся к классу фигурных чисел, которые представляют собой класс числовых элементов, необходимых для построения геометрических фигур и тел. К примеру, чтобы построить треугольник необходимо 3, 6 или 10 точек, квадрат - 4, 9 или 16 точек, а для выкладывания тетраэдра потребуется 4, 10 или 20 шаров или кубов. Прямоугольники легко построить при помощи двух последовательных чисел, например, 1 и 2, 7 и 8, 56 и 57. Прямоугольные же числа выражаются в виде произведения двух последовательных натуральных чисел. Формула для общего члена ряда выглядит какn × (n+1). Первые десять элементов такого числового набора выглядят как:
2, 6, 12, 20, 30, 42, 56, 72, 90, 110…
С увеличением n растет и значение прямоугольных чисел, следовательно, сумма такого ряда также будет расти.
Обратная последовательность
Для прямоугольных чисел существует обратная последовательность, определяемая формулой 1 / (n × (n+1)). Числовой набор трансформируется в набор дробей и выглядит как:
1/2 , 1/6, 1/12, 1/20, 1/30, 1/42, 1/56, 1/72, 1/90, 1/110…
Сумма ряда дробей определяется по формуле:
∑ = 1 - 1/(n+1).
Очевидно, что при увеличении количества элементов ряда значение дроби 1/(n+1) стремится к нулю, а результат сложения приближается к единице. Рассмотрим примеры.
Сумма прямоугольного и обратного ему ряда
Давайте рассчитаем значение прямоугольной последовательности для n = 20. Для этого выберете в меню онлайн-калькулятора закон задания общего члена числового набора n × (n+1) и укажите n. Программа выдаст мгновенный результат в виде 3080. Для вычислений обратного ряда измените закон на 1 / (n × (n+1)). Сумма обратных числовых элементов будет равна 0,952.
Ряд произведений трех последовательных чисел
Прямоугольный числовой набор можно изменить, добавив к нему еще один последовательный множитель. Следовательно, формула для вычисления n-ного члена набора преобразится в n × (n+1) × (n+2). Согласно этой формуле элементы ряда образуются в виде произведения трех последовательных чисел, например, 1 × 2 × 3 или 10 × 11 × 12. Первые десять элементов такого ряда выглядят как:
6, 24, 60, 120, 210, 336, 504, 720, 990, 1320
Это быстрорастущий числовой набор, а сумма соответствующего ряда при росте n уходит в бесконечность.
Обратная последовательность
Как и в предыдущем случае, мы можем обратить формулу n-ного члена и получить выражение 1 / (n × (n+1) × (n+2)). Тогда набор целых значений преобразится в ряд дробей, в знаменателе которых будут стоять произведения трех последовательных чисел. Начало такого набора имеет следующий вид:
1/6, 1/24, 1/60, 1/120, 1/210, 1/336…
Сумма соответствующего ряда определяется по формуле:
∑ = 0,5 × (0,5 - 1 / (n+1) × (n+2)).
Очевидно, что при росте количества элементов дробь 1 / ((n+1) × (n+2)) стремится к нулю, а сумма ряда приближается к значению 0,5 × 0,5 = 0,25. Рассмотрим примеры.
Ряд произведений трех последовательных чисел и обратный ему
Для работы с этим набором требуется выбрать закон определения общего элемента n × (n+1) × (n+2) и задать n, к примеру, 100. Калькулятор выдаст вам саму последовательность, а также значение результата сложения сотни чисел, равный 26 527 650. Если выбрать обратный закон 1 / (n × (n+1) × (n+2)), сумма ряда из 100 членов будет равна 0,250.
