EssayAI
Блог
Блог
Математика и алгоритмы

Признак Дирихле для рядов: формулировка и применение

31 января 2026Время чтения: 8 минут
#ряды#признак сходимости#признак Дирихле#тригонометрические ряды#признак Абеля
Признак Дирихле для рядов: формулировка и применение

Признак Дирихле - один из ключевых критериев сходимости для рядов вида ∑anbn\sum a_n b_n, где сомножители ведут себя по-разному: один даёт колебания с ограниченными частичными суммами, второй монотонно затухает к нулю. Этот инструмент закрывает почти весь класс задач с тригонометрическими множителями (cos⁡nx\cos nx, sin⁡nx\sin nx) и знакочередующимися последовательностями - там, где признак Лейбница не работает, а абсолютная сходимость отсутствует.

Формулировка признака Дирихле

Пусть ∑n=1∞anbn\sum_{n=1}^{\infty} a_n b_n - числовой ряд, где последовательности {an}\{a_n\} и {bn}\{b_n\} удовлетворяют двум условиям:

  1. Частичные суммы SN=∑n=1NanS_N = \sum_{n=1}^{N} a_n равномерно ограничены: существует постоянная MM такая, что ∣SN∣≤M|S_N| \le M для всех NN.
  2. Последовательность {bn}\{b_n\} монотонна и стремится к нулю: bn≥bn+1b_n \ge b_{n+1} (или bn≤bn+1b_n \le b_{n+1}) для всех nn, и lim⁡n→∞bn=0\lim_{n \to \infty} b_n = 0.

Тогда ряд ∑n=1∞anbn\sum_{n=1}^{\infty} a_n b_n сходится. Доказательство опирается на преобразование Абеля (суммирование по частям) и сводит исходный ряд к ряду из произведений ограниченных SnS_n на разности bn−bn+1b_n - b_{n+1}, сумма модулей которых конечна.

Когда признак реально нужен

Признак Дирихле выручает там, где другие критерии беспомощны. Классический пример - ряд ∑n=1∞sin⁡nn\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\sin n}{n}. Здесь an=sin⁡na_n = \sin n, bn=1/nb_n = 1/n. Абсолютной сходимости нет: ∑∣sin⁡nn∣\sum \left|\frac{\sin n}{n}\right| расходится по тем же причинам, что и гармонический ряд. Признак Лейбница не применим - слагаемые не знакочередуются. А вот частичные суммы ∑k=1Nsin⁡k\sum_{k=1}^{N} \sin k ограничены: по формуле суммы синусов

∑k=1Nsin⁡k=sin⁡N2⋅sin⁡N+12sin⁡12,\sum_{k=1}^{N} \sin k = \frac{\sin\frac{N}{2} \cdot \sin\frac{N+1}{2}}{\sin\frac{1}{2}},

и модуль этого выражения не превосходит 1/sin⁡(1/2)≈2,0861/\sin(1/2) \approx 2{,}086. Множитель bn=1/nb_n = 1/n монотонно убывает к нулю, поэтому ряд сходится. Аналогично разбираются ∑cos⁡nxn\sum \frac{\cos nx}{n}, ∑sin⁡nxnp\sum \frac{\sin nx}{n^p} при p>0p > 0 и почти любая комбинация тригонометрического сомножителя с монотонным затуханием.

Условия применимости: что проверять и в каком порядке

Чтобы не запутаться в типовой задаче, проверяй условия в фиксированном порядке.

Шаг 1. Разделить множители. Запиши anbna_n b_n так, чтобы {an}\{a_n\} отвечала за «колебания» (знаки, тригонометрия), а {bn}\{b_n\} - за «затухание». Если ряд изначально имеет вид ∑cn\sum c_n, иногда множители не разделяются - тогда признак Дирихле не подходит, нужен другой критерий.

Шаг 2. Оценить частичные суммы ana_n. Для an=sin⁡nxa_n = \sin nx и cos⁡nx\cos nx используй формулы суммирования геометрической прогрессии в комплексной форме или тождества Лагранжа. Для an=(−1)na_n = (-1)^n суммы вообще колеблются между 00 и −1-1 - ограниченность тривиальна. Важно: для sin⁡nx\sin nx и cos⁡nx\cos nx ограниченность нарушается, если x=2πkx = 2\pi k (тогда cos⁡nx≡1\cos nx \equiv 1 и суммы растут как NN), - этот случай разбирается отдельно.

Шаг 3. Проверить монотонность bnb_n. Иногда монотонности нет с первого члена, но появляется начиная с некоторого N0N_0 - это нормально, поведение конечного числа слагаемых на сходимость не влияет. Если функция f(x)f(x), такая что bn=f(n)b_n = f(n), гладкая, удобно проверять знак производной f′(x)f'(x).

Шаг 4. Убедиться, что bn→0b_n \to 0. Для bn=1/npb_n = 1/n^p это p>0p > 0, для bn=1/ln⁡(n+1)b_n = 1/\ln(n+1) - выполняется, для bn=arctan⁡nb_n = \arctan n - НЕ выполняется (предел π/2\pi/2, а не ноль). Если предел не нулевой, признак Дирихле не применяется.

Признак Дирихле и признак Абеля: в чём разница

Эти два признака часто путают, хотя различие принципиальное.

УсловиеДирихлеАбеля
Частичные суммы ∑an\sum a_nограниченысходятся
Последовательность {bn}\{b_n\}монотонна, bn→0b_n \to 0монотонна и ограничена
Что нужно от bnb_nстремление к нулюпросто конечный предел

В признаке Абеля жёстче требование к ana_n (полная сходимость), но мягче к bnb_n (не обязательно стремление к нулю). В признаке Дирихле - наоборот. Поэтому ряд ∑sin⁡nn\sum \frac{\sin n}{n} разбирается только признаком Дирихле: ∑sin⁡n\sum \sin n ограничен, но не сходится. А ряд ∑(−1)nn⋅arctan⁡n\sum \frac{(-1)^n}{n} \cdot \arctan n - признаком Абеля: ∑(−1)nn\sum \frac{(-1)^n}{n} сходится по Лейбницу, arctan⁡n\arctan n монотонна и ограничена.

Доказательство через преобразование Абеля

Краткий набросок доказательства, который полезно держать в голове на экзамене. Обозначим Sn=∑k=1nakS_n = \sum_{k=1}^{n} a_k. Тогда an=Sn−Sn−1a_n = S_n - S_{n-1}, и сумма ∑n=1Nanbn\sum_{n=1}^{N} a_n b_n преобразуется так:

∑n=1Nanbn=SNbN+∑n=1N−1Sn(bn−bn+1).\sum_{n=1}^{N} a_n b_n = S_N b_N + \sum_{n=1}^{N-1} S_n (b_n - b_{n+1}).

Это и есть формула суммирования по частям (преобразование Абеля). Теперь применяем условия:

  • SNbN→0S_N b_N \to 0, потому что ∣SN∣≤M|S_N| \le M, а bN→0b_N \to 0.
  • Ряд ∑n=1∞Sn(bn−bn+1)\sum_{n=1}^{\infty} S_n (b_n - b_{n+1}) абсолютно сходится, потому что ∣Sn(bn−bn+1)∣≤M∣bn−bn+1∣|S_n (b_n - b_{n+1})| \le M |b_n - b_{n+1}|, а ряд ∑∣bn−bn+1∣\sum |b_n - b_{n+1}| телескопически сворачивается в ∣b1−lim⁡bn∣=b1|b_1 - \lim b_n| = b_1 (для монотонно убывающих неотрицательных bnb_n).

Сходимость обоих слагаемых даёт сходимость исходной частичной суммы.

Применение к тригонометрическим рядам Фурье

Признак Дирихле - главный инструмент при анализе тригонометрических рядов

∑n=1∞ansin⁡nx,∑n=1∞ancos⁡nx.\sum_{n=1}^{\infty} a_n \sin nx, \quad \sum_{n=1}^{\infty} a_n \cos nx.

Если коэффициенты ana_n монотонно убывают к нулю, ряд сходится поточечно для всех xx, не кратных 2π2\pi (для синусов - для всех xx). Это лежит в основе разложений вида ∑sin⁡nxn\sum \frac{\sin nx}{n}, ∑cos⁡nxn2\sum \frac{\cos nx}{n^2} и многих стандартных рядов Фурье периодических функций. Иногда требуется усиление - равномерная сходимость; тогда нужны более сильные условия (например, абсолютная сходимость или признак Дирихле в форме для равномерной сходимости с равномерной ограниченностью частичных сумм по параметру).

Типовые задачи и приёмы

Перечень шаблонов, которые встречаются на коллоквиумах и в учебниках Фихтенгольца, Демидовича, Кудрявцева.

  • Ряды вида ∑sin⁡nxnp\sum \frac{\sin nx}{n^p}, ∑cos⁡nxnp\sum \frac{\cos nx}{n^p}, p>0p > 0. Сходятся по Дирихле при любом xx, не кратном 2π2\pi (для косинусов). При p>1p > 1 сходятся абсолютно, при 0<p≤10 < p \le 1 - условно.
  • Ряды с логарифмом в знаменателе: ∑sin⁡nln⁡(n+1)\sum \frac{\sin n}{\ln(n+1)}. Сходятся по Дирихле, но не абсолютно: ∑1ln⁡n\sum \frac{1}{\ln n} расходится сравнением с гармоническим.
  • Ряды с дополнительным монотонным множителем: ∑cos⁡nxn⋅arctan⁡n\sum \frac{\cos nx}{n} \cdot \arctan n. Здесь сначала примените признак Дирихле к ∑cos⁡nxn\sum \frac{\cos nx}{n}, потом признак Абеля с монотонным ограниченным arctan⁡n\arctan n.
  • Ряды с разрывной структурой ana_n. Если ana_n - не тригонометрия, а, например, an=1a_n = 1 при nn простом и an=−1a_n = -1 иначе - ограниченность частичных сумм надо доказывать отдельно, она не всегда есть.

Частые ошибки

  • Применяют признак Дирихле там, где частичные суммы не ограничены - например, к ∑1n2\sum \frac{1}{n^2}, пытаясь разделить an=1a_n = 1, bn=1/n2b_n = 1/n^2. Сумма ∑n=1N1=N\sum_{n=1}^{N} 1 = N растёт, признак не работает (ряд сходится, но по другим причинам - абсолютно).
  • Забывают про условие x≠2πkx \ne 2\pi k в тригонометрических рядах. При x=2πx = 2\pi ряд ∑cos⁡nx=∑1\sum \cos nx = \sum 1, и признак Дирихле сразу теряет силу.
  • Пишут «bnb_n убывает», не проверяя строго: для bn=ln⁡nnb_n = \frac{\ln n}{n}, например, монотонное убывание начинается только с n=3n = 3 - формально условие выполнено, но в работе обязательно нужна оговорка про конечное число «выпадающих» членов.
  • Путают признак Дирихле с признаком Лейбница. Лейбниц - частный случай для an=(−1)na_n = (-1)^n; если последовательность не строго знакочередующаяся (как sin⁡n\sin n), нужен именно Дирихле.
  • Делают вывод об абсолютной сходимости. Признак Дирихле даёт только сходимость (как правило, условную). Для абсолютной - проверяй ∑∣anbn∣\sum |a_n b_n| отдельно.

FAQ

Признак Дирихле - это про ряды или интегралы? Обе формулировки существуют. Для рядов условия - ограниченность частичных сумм ∑an\sum a_n и монотонное стремление bn→0b_n \to 0. Для несобственных интегралов ∫a∞f(x)g(x) dx\int_a^{\infty} f(x) g(x)\, dx - ограниченность первообразной F(x)=∫axf(t) dtF(x) = \int_a^x f(t)\, dt и монотонное стремление g(x)→0g(x) \to 0. Логика та же, рассуждения параллельны - подробнее об интегральной версии и парном признаке Абеля для несобственных интегралов.

Чем отличается признак Дирихле от признака Лейбница? Лейбниц - частный случай Дирихле для an=(−1)na_n = (-1)^n: тогда частичные суммы ∑(−1)n\sum (-1)^n ограничены (00 или −1-1), и достаточно монотонного убывания ∣bn∣→0|b_n| \to 0. Дирихле обобщает это на любой множитель с ограниченными суммами - например, sin⁡n\sin n, cos⁡nx\cos nx, einxe^{inx}.

Можно ли применять признак Дирихле к рядам с комплексными членами? Да, признак переносится на комплексные ряды без изменений: ana_n может быть комплексным, требование - ограниченность ∣SN∣|S_N|. Это базовый инструмент при изучении рядов вида ∑einxnp\sum \frac{e^{inx}}{n^p}, ∑znn\sum \frac{z^n}{n} на границе круга сходимости.

Коротко

Признак Дирихле - критерий сходимости для рядов ∑anbn\sum a_n b_n, где у {an}\{a_n\} ограничены частичные суммы, а {bn}\{b_n\} монотонно стремится к нулю. Он замыкает разрыв между признаком Лейбница (знакочередующиеся ряды) и признаком Абеля (сходящиеся ∑an\sum a_n), и работает на всём классе тригонометрических рядов ∑sin⁡nxnp\sum \frac{\sin nx}{n^p}, ∑cos⁡nxnp\sum \frac{\cos nx}{n^p}. Условия проверяются в фиксированном порядке: оценка частичных сумм →\to монотонность bnb_n →\to предел bn=0b_n = 0 →\to вывод о сходимости (как правило, условной).

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Признак Дирихле: ряды и пошаговый разбор задач

Признак Дирихле: ряды и пошаговый разбор задач

Признак Дирихле для рядов на практике: алгоритм проверки сходимости, оценка частичных сумм, монотонность, разбор примеров с синусами и косинусами, типовые ошибки и FAQ.

20 мая 20267 минут
Признак Абеля для несобственных интегралов: применение

Признак Абеля для несобственных интегралов: применение

Признак Абеля для несобственных интегралов и близкий признак Дирихле: условия, доказательство через формулу Абеля, примеры на коллоквиум и сравнение с абсолютной сходимостью.

30 января 20269 минут
Признак Лейбница: знакочередующиеся ряды

Признак Лейбница: знакочередующиеся ряды

Признак Лейбница сходимости знакочередующегося ряда : условия, набросок доказательства, оценка остатка , абсолютная и условная сходимость, примеры.

8 февраля 20268 минут
Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Как работают агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG, MIN и MAX, группировка GROUP BY, порядок выполнения запроса, разница HAVING и WHERE и поведение NULL внутри агрегата.

24 сентября 20269 минут
Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): почему интеграл sin t / t не берётся в элементарных функциях, разложение в ряд, предел π/2, максимум Si(π) и выброс Гиббса. С калькулятором.

24 сентября 202610 минут
Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: свойство кучи, хранение в обычном массиве и индексы 2i+1 и 2i+2, просеивание sift-up и sift-down, построение за O(n) и приоритетная очередь.

24 сентября 202610 минут