Positive Reihen

Eine Reihe ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n heißt positiv, wenn für alle Glieder der Reihe gilt: an≥0a_n\geq 0. Die Konvergenzkriterien lassen sich für positive Reihen einfacher formulieren.

Satz 5409G (Monotoniekriterium)

Eine positive Reihe ist genau dann konvergent, wenn die Partialsummen nach oben beschränkt sind.
Für divergente Reihen bedeutet dies, dass die Folge der Partialsummen über alle Maßen wächst.
 
 

Beweis

Für positive Reihen gilt für die Folge der Partialsummen stets sn+1≥sns_{n+1}\geq s_n; sie bilden also eine monoton wachsende Folge. Diese Folge ist nach Satz 5225A konvergent, wenn sie beschränkt ist. □\qed

Satz 5409J (Vergleichskriterium für positive Reihen)

Seien
∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n(1)
und
∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^\infty b_n(2)
zwei positive Reihen und es gelte an≤bna_n\leq b_n ab einem festen n>Nn>N. Dann gilt:
Wenn (2) konvergent ist, so konvergiert auch (1).
Wenn (1) divergiert, so ist auch (2) divergent.

Beweis

Siehe Satz 12QB. □\qed

Satz 5410A (Wurzelkriterium)

Sei ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n eine positive Reihen und es gelte ann≤q<1\sqrtN n{a_n}\leq q<1 für ein konstantes q∈Rq\in\dom R ab einem festen n>Nn>N. Dann ist die Reihe konvergent.
Weiterhin gilt: wenn lim⁡ann=a\lim \sqrtN n{a_n} =a ist, dann konvergiert die Reihe für a<1a<1 und divergiert für a>1a>1.

Beweis

Folgt aus dem allgemeinen Wurzelkriterium (Satz 16JO). □\qed

Beispiele (Anwendung des Wurzelkriteriums)

∑n=2∞ 1(ln⁡n)n\sum\limits_{n=2}^\infty \, \dfrac 1 {(\ln n)^n} konvergiert, wegen lim⁡1(ln⁡n)nn\lim \sqrtN n{\dfrac 1 {(\ln n)^n}} =lim⁡ 1ln⁡n=0=\lim\, \dfrac 1 {\ln n}=0.
∑n=1∞ (xn)n\sum\limits_{n=1}^\infty \, {\braceNT{\dfrac x {n}}}^n mit x>0x>0 fest, konvergiert. Denn lim⁡(xn)nn=lim⁡xn=0\lim \sqrtN n {{\braceNT{\dfrac x {n}}}^n}=\lim \dfrac x n=0.

Satz 5410B (Quotientenkriterium, d'Alembertsches Kriterium)

Sei ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n eine positive Reihen und es gelte an+1an≤q<1\dfrac{a_{n+1}} {a_n}\leq q<1 für ein konstantes q∈Rq\in\dom R ab einem festen n>Nn>N. Dann ist die Reihe konvergent.
Weiterhin gilt: wenn lim⁡an+1an=a\lim \dfrac{a_{n+1}} {a_n} =a ist, dann konvergiert die Reihe für a<1a<1 und divergiert für a>1a>1.

Beweis

Spezialfall von Satz 16JQ.

Beispiel 5410D

Die Reihe 1+∑n=1∞xnn!1+\sum\limits_{n=1}^\infty\dfrac {x^n}{n!} mit x>0x>0 ist konvergent, denn lim⁡an+1an=lim⁡xn+1n!(n+1)!xn\lim \dfrac{a_{n+1}} {a_n}=\lim\dfrac {x^{n+1}n!}{(n+1)!x^n} =lim⁡xn+1=0=\lim\dfrac x{n+1}=0. Diese Reihe ist die Potenzreihe der Exponentialfunktion e⁡x\e^x.

Satz 16JN (Teleskopsummenkriterium/ Verdichtungskriterium)

Sei ∑an\sum\limits a_n eine positive Reihe mit monoton fallenden Gliedern a1≥a2≥…≥an≥0a_1\geq a_2\geq \ldots \geq a_n\geq 0. Dann ist ∑an\sum\limits a_n konvergent ⇔∑2na2n\Leftrightarrow \sum\limits 2^n a_{2^n} konvergiert.

Beweis

Es ist sn=a1+a2+⋯+ans_n=a_1+a_2+\cdots +a_n und sei tk:=a1+2a2+22a22+⋯+2ka2kt_k:=a_1+2a_2+2^2a_{2^2}+\cdots +2^ka_{2^k}. Für n≤2kn\leq 2^k gilt sn≤tks_n\leq t_k. Denn sn≤a1+(a2+a3)+⋯+(a2k+a2k+1+⋯+a2k+1−1)s_n\leq a_1+(a_2+a_3)+\cdots +(a_{2^k}+a_{2^k+1}+\cdots +a_{2^{k+1}-1})≤a1+2a2+⋯+2ka2k=tk \leq a_1+2a_2+\cdots +2^ka_{2^k}=t_k. Für n≥2kn\geq 2^k gilt sn≥12tks_n\geq \dfrac{1}{2}t_k. Denn sn≥a1+a2+(a3+a4)+⋯+(a2k−1+1+⋯+a2k)s_n\geq a_1 + a_2+(a_3+a_4)+\cdots +(a_{2^{k-1}+1}+\cdots +a_{2^k})≥a12+a2+2a4+⋯+2k−1a2k \geq \dfrac{a_1}{2}+a_2+2a_4+\cdots +2^{k-1} a_{2^k}=12(a1+2a2+22a22+⋯+2ka2k)=12tk =\dfrac{1}{2}(a_1+2a_2+2^2a_{2^2}+\cdots +2^ka_{2^k})=\dfrac{1}{2}t_k. Somit gilt nach Satz 5409G bzw. Satz 5409J: (sn)(s_n) ist konvergent, genau dann wenn (tk)(t_k) konvergent ist. □\qed

Die Mathematik muß man schon deswegen studieren, weil sie die Gedanken ordnet.

M. W. Lomonossow

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