# Nekonečné řady Mějme dánu posloupnost $(a_{n})$ reálných čísel. **Nekonečná řada** je symbol $\displaystyle\quad\sum_{n=1}^{+\infty} a_{n},\quad$ kterým označujeme výraz $a_{1} + a_{2} + a_{3} + \dots$. ### Posloupnost částečných součtů **Posloupnost částečných součtů** řady $\displaystyle\quad\sum_{n=1}^{+\infty} a_{n}\quad$ je posloupnost $(s_n)$, kde $$ \begin{matrix} s_{1} = a_{1} \\ s_{2} = a_{1} + a_{2} \\ s_{3} = a_{1} + a_{2} + a_{3} \\ \vdots \\ s_{n} = a_{1} + a_{2} + a_{3} + \dots + a_{n} \end{matrix} $$ Čísla $a_{n}$ jsou **členy řady**, čísla $s_{n}$ jsou **částečné součty řady**. Pokud existuje limita $\lim_{ n \to \infty }{s_{n} = s \in \mathbb{R}^*}$, potom řada $\displaystyle \quad\sum_{n=1}^{+\infty} a_{n}\quad$ má **součet** $s$ a tuto skutečnost zapisujeme jako $\displaystyle \quad\sum_{n=1}^{+\infty} a_{n} = s$. ### Konvergence a divergence Mějme dánu řadu $\displaystyle \quad\sum_{n=1}^{+\infty} a_{n}\quad$ a nechť $(s_{n})$ je její posloupnost částečných součtů. Řada $\displaystyle \sum_{n=1}^{+\infty} a_{n}$ je | značka | typ | podmínka | | ------ | ------------------------- | --------------------------------- | | **K** | konvergentní | $(s_n)$ konverguje | | **D** | divergentní | $(s_{n})$ diverguje | | | divergentní k $\pm\infty$ | $(s_{n})$ diverguje k $\pm\infty$ | Pro **geometrickou řadu** $\displaystyle \quad\sum_{n=1}^{+\infty} q^{n-1} = 1 + q + q^2 + q^3 + \dots\quad$ platí $$ \displaystyle \sum_{k=1}^{n} q^{k-1} = \begin{cases} & \displaystyle\frac{1-q^n}{1-q} & \text{pro } q \neq 1, \\ & n & \text{pro } q = 1, \end{cases} $$ $$ \displaystyle \sum_{n=1}^{+\infty} q^{n-1} \begin{cases} & = \displaystyle\frac{1}{1-q} & \text{pro } \vert q\vert < 1, \\ & = +\infty & \text{pro } q \geq 1, \\ & \text{diverguje} & \text{pro } q \leq -1. \end{cases} $$ Je-li $\displaystyle \quad\sum_{n=1}^{+\infty} a_{n}, \quad\sum_{n=1}^{+\infty} b_{n}, \quad a,b \in \mathbb{R}^*, \quad c,d \in \mathbb{R}, \quad$ potom platí $$ \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty} (c \cdot a_{n} + d \cdot b_{n}) = c \cdot a + d \cdot b $$ pokud je výraz $(c \cdot a + d \cdot b)$ definován v $\mathbb{R}^*$ (tj. pokud není neurčitým výrazem). ### Nutná podmínka konvergence řady Je-li řada $\displaystyle \quad\sum_{n=1}^{+\infty} a_{n}\quad$ konvergentní, potom $\displaystyle\lim_{ n \to \infty }{a_{n}} = 0$. **Poznámka**: Řada $\displaystyle \quad\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^\alpha}\quad$ konverguje pro $\alpha > 1$ a diverguje pro $\alpha \leq 1$. ## Kritéria #### Srovnávací kritérium Mějme dvě řady $\sum a_{n}, \sum b_{n}$ takové, že $\forall \, n \in \mathbb{N} : 0 \leq a_{n} \leq b_{n}$. 1) Jestliže řada $\sum b_{n}$ konverguje, potom konverguje také řada $\sum a_{n}$. 2) Jestliže řada $\sum a_{n}$ diverguje, potom diverguje také řada $\sum b_{n}$. #### Limitní srovnávací kritérium Mějme dánu řadu $\sum a_{n}$ s **nezápornými** členy a řadu $\sum b_{n}$ s **kladnými** členy. Pokud existuje vlastní limita $\displaystyle\quad\lim_{ n \to \infty }{\frac{a_{n}}{b_{n}}} > 0,\quad$ potom platí: 1) Řada $\sum a_{n}$ konverguje právě tehdy, když řada $\sum b_{n}$ konverguje. 2) Řada $\sum a_{n}$ diverguje právě tehdy, když řada $\sum b_{n}$ diverguje. #### d’Alembertovo kritérium Mějme dánu řadu $\sum a_{n}$ s **kladnými** členy. 1) Jestliže existuje $q \in (0, 1)$ takové, že $\displaystyle\quad\forall \, n \in \mathbb{N} : \frac{a_{n+1}}{a_{n}} \leq q \leq 1, \quad$ potom řada $\sum a_{n}$ konverguje. 2) Jestliže $\displaystyle\quad\forall \, n \in \mathbb{N} : \frac{a_{n+1}}{a_{n}} \geq 1, \quad$ potom řada $\sum a_{n}$ diverguje. #### Limitní d’Alembertovo kritérium Mějme dánu řadu $\sum a_{n}$ s **kladnými** členy a nechť existuje limita $\displaystyle\lim_{ n \to \infty }{\frac{a_{n+1}}{a_{n}}}$. 1) Jestliže $\displaystyle\lim_{ n \to \infty }{\frac{a_{n+1}}{a_{n}}} < 1$, potom řada $\sum a_{n}$ konverguje. 2) Jestliže $\displaystyle\lim_{ n \to \infty }{\frac{a_{n+1}}{a_{n}}} > 1$, potom řada $\sum a_{n}$ diverguje. #### Cauchyovo kritérium Mějme dánu řadu $\sum a_{n}$ s **nezápornými** členy. 1) Jestliže existuje $q \in (0,1)$ takové, že $\forall \, n \in \mathbb{N} : \sqrt[n]{a_{n}} \leq q < 1$, potom řada $\sum a_{n}$ konverguje. 2) Jestliže $\forall \, n \in \mathbb{N} : \sqrt[n]{ a_{n} } \geq 1$, potom řada $\sum a_{n}$ diverguje. #### Limitní Cauchyho kritérium Mějme dánu řadu $\sum a_{n}$ s **nezápornými** členy a nechť existuje limita $\lim_{ n \to \infty }{\sqrt[n]{ a_{n} }}$. 1) Jestliže $\displaystyle\lim_{ n \to \infty } \sqrt[n]{ a_{n} } < 1$, potom řada $\sum a_{n}$ konverguje. 2) Jestliže $\displaystyle\lim_{ n \to \infty } \sqrt[n]{ a_{n} } > 1$, potom řada $\sum a_{n}$ diverguje. ## Absolutní a relativní konvergence Jestliže řada $\displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty} \vert a_{n}\vert$ konverguje, potom konverguje také řada $\displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty} a_{n}$. Řekneme, že řada $\displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty} a_{n}$ je | typ | podmínka | | -------------------------- | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ | | **absolutně konvergentní** | řada $\displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty} \vert a_{n}\vert$ konverguje | | **relativně konvergentní** | řada $\displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty} a_{n}$ konverguje, řada $\displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty} \vert a_{n}\vert$ diverguje | ## Alternující řada Mějme dánu posloupnost $(a_{n})$ **kladných** čísel. Řada $\displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty} (-1)^{n+1} \cdot a_{n} = a_{1} - a_{2} + a_{3} - \dots$ se nazývá **alternující řada**. #### Leibnizovo kritérium Nechť $\forall \, n \in \mathbb{N} : 0 < a_{n+1} \leq a_{n}$ a $\displaystyle\lim_{ n \to \infty } a_{n} = 0$. Potom alternující řada $\displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty} (-1)^{n+1} \cdot a_{n}$ konverguje.