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Folgen und Reihen

Aufgaben zu Konvergenzkriterien für Reihen mit Lösungen

12 Aufgaben zur Konvergenz von Reihen mit Lösungen: Nullfolgenkriterium, p-Reihe, geometrische Reihe, Vergleichs-, Integral-, Quotienten- und Wurzelkriterium.

Folgen und Reihen Aktualisiert 3 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

L = \lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|: \quad L < 1 \text{ konvergent},\ L > 1 \text{ divergent}
Aufgaben
12, mit Lösungen und ausführlichem Lösungsweg
Niveau
Calculus 2 und AP Calculus BC, Unit 10
Du brauchst
Grenzwerte im Unendlichen und die Summenformel der geometrischen Reihe
Grundidee
Ordne der Form der Reihenglieder das Kriterium zu, das genau diese Form behandelt
Mit neuen Zahlen üben
Lektion zur Wahl des Kriteriums
Auf dieser Seite
  1. Aufgaben
  2. Lösungen
  3. Lösungswege Schritt für Schritt
  4. Typische Fehler bei diesen Aufgaben
  5. Weiter üben

Diese Aufgaben zu Konvergenzkriterien bieten dir eine Mischung von Reihen, bei denen du entscheiden sollst, ob sie konvergieren oder divergieren, und warum. Die eigentliche Kunst ist die Wahl des richtigen Kriteriums, also versuch das Kriterium zu benennen, bevor du die Lösung liest. Zuerst kommen die Ergebnisse, danach die ausführlichen Lösungswege.

Eine kurze Übersicht über die Kriterien:

Form der Glieder Passendes Kriterium
Glieder gehen nicht gegen 0 Nullfolgenkriterium: divergiert
ar^n Geometrische Reihe: konvergiert für \lvert r\rvert < 1
\frac{1}{n^p} p-Reihe: konvergiert für p > 1
Gebrochenrationale Terme oder Wurzelterme Majoranten-/Minorantenkriterium oder Grenzwertkriterium
Fakultäten oder c^n Quotientenkriterium
(\dots)^n Wurzelkriterium
(-1)^n b_n Leibniz-Kriterium

Aufgaben

Entscheide, ob die Reihe konvergiert oder divergiert.

Vergleichsreihen

  1. \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^3}
  2. \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n}{n + 1}
  3. \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\left(\frac{2}{3}\right)^n (bestimme auch den Reihenwert)
  4. \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{n}}

Vergleichs- und Integralkriterium

  1. \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2 + 1}
  2. \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{2n - 1}
  3. \displaystyle\sum_{n=2}^{\infty}\frac{1}{n\ln n}

Quotienten- und Wurzelkriterium

  1. \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n}{2^n}
  2. \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n!}{10^n}
  3. \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{n}{2n + 1}\right)^n

Alternierende Reihen

  1. \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n+1}}{n}
  2. \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n}}{n^2}

Lösungen

Aufgabe Ergebnis Kriterium
1 Konvergiert p-Reihe, p = 3
2 Divergiert Nullfolgenkriterium, Glieder \to 1
3 Konvergiert gegen 3 Geometrische Reihe, r = \frac{2}{3}
4 Divergiert p-Reihe, p = \frac{1}{2}
5 Konvergiert Majorante \frac{1}{n^2}
6 Divergiert Grenzwertkriterium mit \frac{1}{n}
7 Divergiert Integralkriterium
8 Konvergiert Quotientenkriterium, L = \frac{1}{2}
9 Divergiert Quotientenkriterium, L = \infty
10 Konvergiert Wurzelkriterium, L = \frac{1}{2}
11 Konvergiert bedingt Leibniz-Kriterium
12 Konvergiert absolut \sum\frac{1}{n^2} konvergiert

Lösungswege Schritt für Schritt

1. Das ist eine p-Reihe mit p = 3 > 1, also konvergiert sie.

2. Die Glieder gehen gegen 1, nicht gegen 0:

\lim_{n\to\infty}\frac{n}{n + 1} = 1 \neq 0

Nach dem Nullfolgenkriterium divergiert die Reihe.

3. Geometrische Reihe mit Anfangsglied 1 und Quotient \frac{2}{3}. Da |r| < 1 gilt:

\sum_{n=0}^{\infty}\left(\frac{2}{3}\right)^n = \frac{1}{1 - \frac{2}{3}} = 3

4. \frac{1}{\sqrt{n}} = \frac{1}{n^{1/2}} ergibt eine p-Reihe mit p = \frac{1}{2} \le 1, also divergiert sie.

5. Für alle n gilt n^2 + 1 > n^2, also \frac{1}{n^2 + 1} < \frac{1}{n^2}. Die größere Reihe \sum\frac{1}{n^2} konvergiert, also konvergiert auch die kleinere (Majorantenkriterium).

6. Vergleiche mit \frac{1}{n}:

\lim_{n\to\infty}\frac{1/(2n - 1)}{1/n} = \lim_{n\to\infty}\frac{n}{2n - 1} = \frac{1}{2}

Der Grenzwert ist positiv und endlich, und \sum\frac{1}{n} divergiert, also divergiert auch diese Reihe.

7. Die Funktion \frac{1}{x\ln x} ist für x \ge 2 positiv und monoton fallend. Mit u = \ln x gilt:

\int_2^{\infty}\frac{1}{x\ln x}\,dx = \lim_{b\to\infty}\Big[\ln(\ln x)\Big]_2^{b} = \infty

Das Integral divergiert, also divergiert die Reihe.

8. Quotientenkriterium:

\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{n + 1}{2^{n+1}}\cdot\frac{2^n}{n} = \frac{n + 1}{2n} \to \frac{1}{2} < 1

Die Reihe konvergiert. Ihr Wert ist übrigens 2.

9. Quotientenkriterium:

\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{(n + 1)!}{10^{n+1}}\cdot\frac{10^n}{n!} = \frac{n + 1}{10} \to \infty

Die Reihe divergiert. Fakultäten wachsen schneller als jede Exponentialfunktion.

10. Wurzelkriterium:

\sqrt[n]{a_n} = \frac{n}{2n + 1} \to \frac{1}{2} < 1

Die Reihe konvergiert.

11. Die Glieder \frac{1}{n} sind positiv, monoton fallend und gehen gegen 0, also konvergiert die Reihe nach dem Leibniz-Kriterium. Da aber \sum\frac{1}{n} divergiert, ist die Konvergenz nur bedingt. Der Reihenwert ist \ln 2.

12. Die Beträge bilden \sum\frac{1}{n^2}, eine konvergente p-Reihe. Die Reihe konvergiert also absolut.

Typische Fehler bei diesen Aufgaben

  • Mit dem Nullfolgenkriterium Konvergenz beweisen wollen. Dass die Glieder gegen 0 gehen, zeigt keine Konvergenz. In Aufgabe 7 gehen die Glieder gegen 0, und die Reihe divergiert trotzdem.
  • In die falsche Richtung vergleichen. Kleiner als eine divergente Reihe oder größer als eine konvergente Reihe zu sein, beweist nichts.
  • Das Quotientenkriterium auf p-Reihen anwenden. Für \frac{1}{n^p} ist der Grenzwert des Quotienten immer 1, und damit liefert das Kriterium keine Aussage.
  • Die absolute Konvergenz nicht prüfen. Bei alternierenden Reihen gehört zur vollständigen Antwort, ob die Konvergenz absolut oder bedingt ist.

Weiter üben

Für unbegrenzt viele Reihen mit sofortigem Feedback probier die Lektion zur Wahl des Kriteriums, die Lektion zu Quotienten- und Wurzelkriterium und die gemischten Übungen zu Reihen. Die Überlegungen hinter jedem Kriterium erklärt der Leitfaden zu Konvergenzkriterien. Danach nutzt du diese Kriterien, um in den Aufgaben zu Potenzreihen Konvergenzintervalle zu bestimmen.

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Häufig gestellte Fragen

Welches Konvergenzkriterium sollte ich zuerst verwenden?

Prüfe zuerst das Nullfolgenkriterium, denn damit ist die Aufgabe manchmal in einer Zeile erledigt. Achte dann auf die Form: r^n ist geometrisch, \frac{1}{n^p} ist eine p-Reihe, Fakultäten sprechen für das Quotientenkriterium, (\dots)^n für das Wurzelkriterium und gebrochenrationale Terme für einen Vergleich.

Wenn die Glieder gegen null gehen, konvergiert dann die Reihe?

Nicht unbedingt. Bei der harmonischen Reihe \sum\frac{1}{n} gehen die Glieder gegen 0, trotzdem divergiert sie. Dass die Glieder gegen 0 gehen, ist für Konvergenz notwendig, aber nicht hinreichend.

Was ist der Unterschied zwischen absoluter und bedingter Konvergenz?

Eine Reihe konvergiert absolut, wenn \sum|a_n| konvergiert. Sie konvergiert bedingt, wenn \sum a_n konvergiert, \sum|a_n| aber nicht. Die alternierende harmonische Reihe in Aufgabe 11 ist das Standardbeispiel.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

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