Potenzreihen: Aufgaben mit Lösungen
12 Aufgaben zu Potenzreihen mit Lösungen: Konvergenzradius und Konvergenzintervall, Randpunkte prüfen und neue Reihen aus 1/(1 − x) aufbauen.
Folgen und Reihen Aktualisiert 4 Min. Lesezeit
Auf einen Blick
- Aufgaben
- 12, mit Ergebnissen und vollständigen Lösungen
- Niveau
- Analysis 2 und AP Calculus BC, Einheit 10
- Du brauchst
- Das Quotientenkriterium und die anderen Konvergenzkriterien
- Grundidee
- Mit dem Quotientenkriterium den Radius bestimmen, dann jeden Randpunkt einzeln prüfen
- Mit neuen Zahlen üben
- Lektion zu Potenzreihen und Konvergenzradius
Auf dieser Seite
Diese Aufgaben zu Potenzreihen behandeln Konvergenzradius und Konvergenzintervall, das Prüfen der Randpunkte und das Aufbauen neuer Reihen aus der geometrischen Reihe. Versuche jede Aufgabe zuerst selbst. Zuerst kommen die Ergebnisse, dann die vollständigen Lösungen.
Die beiden Werkzeuge:
Weitere Beispiele findest du im Leitfaden zu Potenzreihen.
Aufgaben
Konvergenzradius und Konvergenzintervall
- \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{x^n}{n}
- \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}
- \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}n!\,x^n
- \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(x - 2)^n}{3^n}
- \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{x^n}{n^2}
- \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n x^{2n}}{4^n}
- \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}n(x + 1)^n
- \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(2x - 1)^n}{n}
Reihen aufbauen
- Bestimme eine Potenzreihe für \dfrac{1}{1 - 3x} und ihren Radius.
- Bestimme eine Potenzreihe für \dfrac{x}{1 + x^2} und ihren Radius.
- Leite \frac{1}{1 - x} ab, um eine Reihe für \frac{1}{(1 - x)^2} zu erhalten. Berechne damit \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n}{2^n}.
- Integriere eine Reihe für \frac{1}{1 + x}, um eine Reihe für \ln(1 + x) zu erhalten.
Ergebnisse
| Aufgabe | Radius | Intervall oder Ergebnis |
|---|---|---|
| 1 | 1 | [-1, 1) |
| 2 | \infty | (-\infty, \infty) |
| 3 | 0 | Nur x = 0 |
| 4 | 3 | (-1, 5) |
| 5 | 1 | [-1, 1] |
| 6 | 2 | (-2, 2) |
| 7 | 1 | (-2, 0) |
| 8 | \frac{1}{2} | [0, 1) |
| 9 | \frac{1}{3} | \sum 3^n x^n |
| 10 | 1 | \sum(-1)^n x^{2n+1} |
| 11 | 1 | \sum n x^{n-1}; die Summe ist 2 |
| 12 | 1 | \sum\frac{(-1)^{n+1}x^n}{n} |
Lösungen Schritt für Schritt
1. Quotient: \left|\frac{x^{n+1}}{n + 1}\cdot\frac{n}{x^n}\right| = \frac{n}{n + 1}|x| \to |x|. Also |x| < 1 und R = 1. Bei x = 1: \sum\frac{1}{n} divergiert. Bei x = -1: \sum\frac{(-1)^n}{n} konvergiert nach dem Leibniz-Kriterium. Intervall [-1, 1).
2. Quotient: \frac{|x|}{n + 1} \to 0 < 1 für jedes x. Also R = \infty. Das ist die Reihe für e^x.
3. Quotient: (n + 1)|x| \to \infty für jedes x \neq 0. Die Reihe konvergiert nur im Entwicklungspunkt.
4. Das ist eine geometrische Reihe mit dem Quotienten \frac{x - 2}{3}. Sie konvergiert für |x - 2| < 3, also -1 < x < 5. An beiden Randpunkten sind die Glieder (\pm 1)^n, die nicht gegen 0 gehen, also divergiert die Reihe dort.
5. Quotient: \frac{n^2}{(n + 1)^2}|x| \to |x|, also R = 1. Bei x = \pm 1 konvergiert \sum\frac{(\pm 1)^n}{n^2} absolut, da \sum\frac{1}{n^2} konvergiert. Beide Randpunkte gehören dazu.
6. Das ist eine geometrische Reihe mit dem Quotienten -\frac{x^2}{4}. Sie konvergiert für \frac{x^2}{4} < 1, also |x| < 2. Bei x = \pm 2 sind die Glieder (-1)^n, und die Reihe divergiert.
7. Quotient: \frac{n + 1}{n}|x + 1| \to |x + 1|, die Reihe konvergiert also für |x + 1| < 1, das heißt -2 < x < 0. An beiden Randpunkten wachsen die Glieder n(\pm 1)^n, also divergiert die Reihe dort.
8. Quotient: \frac{n}{n + 1}|2x - 1| \to |2x - 1|. Löse |2x - 1| < 1: 0 < x < 1, mit Entwicklungspunkt \frac{1}{2} und R = \frac{1}{2}. Bei x = 1: \sum\frac{1}{n} divergiert. Bei x = 0: \sum\frac{(-1)^n}{n} konvergiert. Intervall [0, 1).
9. Ersetze in der geometrischen Reihe x durch 3x:
10. Ersetze x durch -x^2 und multipliziere dann mit x:
11. Leite beide Seiten von \frac{1}{1 - x} = \sum x^n ab:
Multipliziere mit x: \sum n x^n = \frac{x}{(1 - x)^2}. Bei x = \frac{1}{2} ergibt das \frac{1/2}{1/4} = 2.
12. \frac{1}{1 + x} = \sum(-1)^n x^n. Integriere von 0 bis x:
Eine Indexverschiebung liefert die Form aus der Tabelle. Der Radius bleibt 1.
Typische Fehler bei diesen Aufgaben
- Die Randpunkte überspringen. Die Aufgaben 1, 5 und 8 haben alle R = 1 oder R = \frac{1}{2}, verhalten sich an den Rändern aber verschieden.
- Den Entwicklungspunkt vergessen. In Aufgabe 4 ist der Entwicklungspunkt 2, das Intervall ist also 2 \pm 3 und nicht \pm 3.
- Falscher Radius bei 2x. In Aufgabe 8 bedeutet |2x - 1| < 1 dasselbe wie |x - \frac{1}{2}| < \frac{1}{2}, also R = \frac{1}{2} und nicht 1.
- x im Grenzwert stehen lassen. Im Quotientenkriterium ist |x| eine Konstante. Bilde den Grenzwert für n und löse dann nach x auf.
Weiter üben
Für unbegrenzt viele Reihen mit sofortigem Feedback probiere die Lektion zu Potenzreihen und Konvergenzradius. Danach lernst du mit den Aufgaben zu Taylorreihen, für jede Funktion eine Reihe aufzustellen.
Jetzt üben
Potenzreihen und Konvergenzradius
Löse echte Aufgaben zu diesem Thema mit sofortigem Feedback, Tipps und einem Schritt-für-Schritt-Lösungsweg zu jeder Antwort. Kostenlos, ohne Registrierung.
Diese Lektion üben