Provoni që seria binomiale
(1 + x)ᵅ = 1 + αx + [α(α − 1) / 2!]x² + [α(α − 1)(α − 2) / 3!]x³ + ⋯ + [α(α − 1)⋯(α − n + 1) / n!]xⁿ + ⋯
është e barabartë me (1 + x)ᵅ për x ∈ (−1, 1).
Koeficienti binomial përcaktohet nga formula Cₙᵅ = α(α − 1)⋯(α − n + 1) / n!.
Seria binomiale mund të shkruhet në trajtën ∑ₙ₌₀^∞ [α(α − 1)⋯(α − n + 1) / n!]xⁿ = ∑ₙ₌₀^∞ Cₙᵅxⁿ.
Zgjidhja
Hapi 1. Gjejmë koeficientët e serisë së Maklorenit.
Marrim funksionin f(x) = (1 + x)ᵅ.
Llogarisim derivatet e njëpasnjëshme:
f(0) = 1.
f′(x) = α(1 + x)ᵅ⁻¹,
f′(0) = α.
f″(x) = α(α − 1)(1 + x)ᵅ⁻²,
f″(0) = α(α − 1).
f‴(x) = α(α − 1)(α − 2)(1 + x)ᵅ⁻³,
f‴(0) = α(α − 1)(α − 2).
Në përgjithësi f⁽ⁿ⁾(x) = α(α − 1)⋯(α − n + 1)(1 + x)ᵅ⁻ⁿ.
Prandaj f⁽ⁿ⁾(0) = α(α − 1)⋯(α − n + 1).
Hapi 2. Shkruajmë serinë e Maklorenit.
Formula e serisë së Maklorenit është f(x) = f(0) + [f′(0) / 1!]x + [f″(0) / 2!]x² + [f‴(0) / 3!]x³ + ⋯ + [f⁽ⁿ⁾(0) / n!]xⁿ + ⋯
Duke zëvendësuar derivatet e llogaritura, marrim:
f(x) = 1 + αx + [α(α − 1) / 2!]x² + [α(α − 1)(α − 2) / 3!]x³ + ⋯ + [α(α − 1)⋯(α − n + 1) / n!]xⁿ + ⋯
Pra, seria e Maklorenit të funksionit f(x) = (1 + x)ᵅ është seria binomiale.
Hapi 3. Gjejmë rrezen e konvergjencës.
Përdorim kriterin e Dalamberit për termin e përgjithshëm aₙ = [α(α − 1)⋯(α − n + 1) / n!]xⁿ.
Për α që nuk është numër i plotë jonegativ, llogarisim:
Dₙ = |aₙ₊₁ / aₙ|
Dₙ = |[(α − n)x / (n + 1)]|.
Duke kaluar në limit, marrim limₙ→∞ Dₙ = |x|.
Sipas kriterit të Dalamberit, seria konvergon kur |x| < 1.
Prandaj, rrezja e konvergjencës është R = 1 dhe intervali i konvergjencës së brendshme është (−1, 1).
Hapi 4. Vërtetojmë se shuma e serisë është (1 + x)ᵅ.
Shënojmë me φ(x) = ∑ₙ₌₀^∞ [α(α − 1)⋯(α − n + 1) / n!]xⁿ, për x ∈ (−1, 1).
Meqenëse seria konvergon brenda intervalit të saj të konvergjencës, mund ta derivojmë term më term:
φ′(x) = ∑ₙ₌₁^∞ [α(α − 1)⋯(α − n + 1) / (n − 1)!]xⁿ⁻¹.
Duke shumëzuar me x, marrim xφ′(x) = ∑ₙ₌₁^∞ [α(α − 1)⋯(α − n + 1) / (n − 1)!]xⁿ.
Duke mbledhur koeficientët e fuqive me të njëjtin eksponent, përfitojmë φ′(x) + xφ′(x) = αφ(x).
Prandaj (1 + x)φ′(x) = αφ(x).
Hapi 5. Përcaktojmë funksionin φ(x).
Shënojmë me g(x) = φ(x) / (1 + x)ᵅ, për x ∈ (−1, 1).
Derivojmë g′(x) = [(1 + x)φ′(x) − αφ(x)] / (1 + x)ᵅ⁺¹.
Nga barazimi i provuar në hapin e mëparshëm,(1 + x)φ′(x) = αφ(x),prandaj g′(x) = 0.
Kjo tregon se g(x) është funksion konstant në intervalin (−1, 1).
Përcaktojmë konstanten duke marrë x = 0:
g(0) = φ(0) / (1 + 0)ᵅ = 1.
Prandaj, g(x) = 1 dhe rrjedhimisht φ(x) / (1 + x)ᵅ = 1.Kështu φ(x) = (1 + x)ᵅ.
Për α që nuk është numër i plotë jonegativ, seria binomiale konvergon për x ∈ (−1, 1) dhe shuma e saj është (1 + x)ᵅ = ∑ₙ₌₀^∞ [α(α − 1)⋯(α − n + 1) / n!]xⁿ.
Kjo formulë quhet formula e serisë binomiale.