Majorantenkriterium

Wie man schwer fassbare Reihen durch bekannte, grössere Reihen bändigt.

In diesem Beitrag wenden wir das Majorantenkriterium auf eine konkrete Reihe an. Oft reicht es nicht aus, nur auf den dominierenden Term zu schauen. Wir müssen die Abschätzung präzise aufbauen.

Problemstellung

Untersuche die folgende Reihe auf Konvergenz: n=23n+sin(n)n3n2\sum\limits_{n=2}^\infty \frac{3n + \sin(n)}{n^3 - n^2}

Lösungsansatz

Um das Majorantenkriterium anzuwenden, suchen wir eine Folge bnb_n, sodass anbn|a_n| \le b_n ab einem bestimmten Index gilt und die Summe über bnb_n konvergiert. Der Bruch sieht kompliziert aus, aber für sehr grosse nn dominiert im Zähler der Term 3n3n und im Nenner der Term n3n^3. Wir erwarten ein Verhalten proportional zu nn3=1n2\frac{n}{n^3} = \frac{1}{n^2}. Da die p-Reihe für p=2p=2 konvergiert, versuchen wir, unseren Bruch nach oben durch ein Vielfaches von 1n2\frac{1}{n^2} abzuschätzen. Dafür müssen wir den Zähler vergrössern und den Nenner verkleinern.

Schritt-für-Schritt Lösung

Wir betrachten den Betrag des allgemeinen Gliedes der Reihe für n2n \ge 2.

Schritt 1: Zähler vergrössern. Da der Sinus beschränkt ist, gilt sin(n)1\sin(n) \le 1. Somit ist 3n+sin(n)3n+13n + \sin(n) \le 3n + 1. Da wir n2n \ge 2 betrachten, gilt 1n1 \le n und wir können weiter abschätzen zu 3n+14n3n + 1 \le 4n. Der Zähler ist für n2n \ge 2 immer positiv.

Schritt 2: Nenner verkleinern. Damit der gesamte Bruch grösser wird, müssen wir den Nenner nach unten abschätzen. Wir suchen eine Konstante cc, sodass n3n2cn3n^3 - n^2 \ge c \cdot n^3 gilt. Das ist äquivalent zu 11nc1 - \frac{1}{n} \ge c. Für alle n2n \ge 2 ist 1n12\frac{1}{n} \le \frac{1}{2}, woraus 11n121 - \frac{1}{n} \ge \frac{1}{2} folgt. Multiplizieren wir das mit n3n^3, erhalten wir n3n212n3n^3 - n^2 \ge \frac{1}{2}n^3. Auch der Nenner ist für n2n \ge 2 positiv.

Schritt 3: Abschätzung zusammensetzen. Nun setzen wir die beiden Abschätzungen zusammen. Da Zähler und Nenner positiv sind, können wir die Betragsstriche weglassen: 3n+sin(n)n3n2=3n+sin(n)n3n24n12n3=8n2\left| \frac{3n + \sin(n)}{n^3 - n^2} \right| = \frac{3n + \sin(n)}{n^3 - n^2} \le \frac{4n}{\frac{1}{2}n^3} = \frac{8}{n^2}

Schritt 4: Konvergenz der Majorante prüfen. Die Reihe über unsere gefundene Majorante lautet: n=28n2=8n=21n2\sum\limits_{n=2}^\infty \frac{8}{n^2} = 8 \sum\limits_{n=2}^\infty \frac{1}{n^2} Dies ist ein Vielfaches der bekannten p-Reihe mit p=2p = 2. Da p>1p > 1 ist, konvergiert diese Majorante. Nach dem Majorantenkriterium konvergiert somit auch unsere ursprüngliche Reihe absolut.

Fazit

Durch das gezielte Vergrössern des Zählers und das Verkleinern des Nenners konnten wir die unübersichtliche Reihe auf ein Vielfaches der bekannten p-Reihe zurückführen. Das beweist zweifelsfrei die absolute Konvergenz.

Weitere Übungen

  1. Untersuche die folgende Reihe auf Konvergenz: n=12n+33n1\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{2^n + 3}{3^n - 1}
Tipp anzeigenFinde eine geometrische Reihe als Majorante, indem du die Konstanten im Zähler und Nenner passend durch Potenzen abschätzt.
Lösung anzeigen Für den Zähler gilt 2n+32n+32n=42n2^n + 3 \le 2^n + 3 \cdot 2^n = 4 \cdot 2^n. Für den Nenner suchen wir eine Abschätzung nach unten. Für n1n \ge 1 gilt 3n1123n3^n - 1 \ge \frac{1}{2} 3^n, da dies äquivalent zu 112(31)n1 \ge \frac{1}{2} \cdot \left(\frac{3}{1}\right)^n für kleine nn ist beziehungsweise 1123n1 \le \frac{1}{2} 3^n ab n=1n=1 stets erfüllt ist. Setzen wir das zusammen, erhalten wir: 2n+33n142n123n=8(23)n\left| \frac{2^n + 3}{3^n - 1} \right| \le \frac{4 \cdot 2^n}{\frac{1}{2} 3^n} = 8 \left(\frac{2}{3}\right)^n Die Reihe n=18(23)n\sum\limits_{n=1}^\infty 8 \left(\frac{2}{3}\right)^n ist eine geometrische Reihe mit dem Faktor q=23q = \frac{2}{3}. Wegen q<1|q| < 1 konvergiert diese Majorante. Nach dem Majorantenkriterium konvergiert auch die ursprüngliche Reihe absolut.
  1. Untersuche die folgende Reihe auf Konvergenz: n=1ln(n)n3\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\ln(n)}{n^3}
Tipp anzeigenNutze aus, dass der natürliche Logarithmus viel langsamer wächst als jede Potenzfunktion und schätze ihn nach oben ab.
Lösung anzeigen Wir wissen, dass für alle n1n \ge 1 die strenge Ungleichung ln(n)<n\ln(n) < n gilt. Damit können wir den Bruch direkt nach oben abschätzen durch: ln(n)n3=ln(n)n3nn3=1n2\left| \frac{\ln(n)}{n^3} \right| = \frac{\ln(n)}{n^3} \le \frac{n}{n^3} = \frac{1}{n^2} Da alle Terme für n1n \ge 1 positiv oder null sind, reicht diese einfache Abschätzung aus. Die Reihe n=11n2\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} konvergiert als p-Reihe mit p=2>1p = 2 > 1. Nach dem Majorantenkriterium konvergiert folglich auch die Reihe mit dem Logarithmus.