Alternierende Reihe

Alternierende Reihen sind unendliche Reihen und gehören als solche in das mathematische Teilgebiet der Analysis.

Definition

Eine alternierende Reihe (englisch englisch alternating series) ist eine unendliche Reihe, deren Reihenglieder aus reellen Zahlen bestehen, die abwechselndes Vorzeichen haben.

Es handelt sich also um eine Reihe, die in der Form

$\sum _{k=0}^{\infty }(-1)^{k}a_{k}$   oder   $\sum _{k=1}^{\infty }(-1)^{k}a_{k}$

dargestellt werden kann, wobei die $a_{k}\geq 0$ sind. Oft wird zusätzlich gefordert, dass die Folge $(a_{k})_{k\in \mathbb {N} _{0}}$ bzw. $(a_{k})_{k\in \mathbb {N} }$monoton fallend sein soll.

Beispiele

I

Zu den immer wieder genannten Standardbeispielen für alternierende Reihen gehört die alternierende harmonische Reihe

$\sum _{k=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{k-1}}{k}}=1-{\frac {1}{2}}+{\frac {1}{3}}-{\frac {1}{4}}+-\ldots =\ln 2$,

die im Gegensatz zur (divergenten!) harmonische Reihe nach dem Leibniz-Kriterium konvergiert.

Dieses Beispiel lässt sich verallgemeinern unter Einbezug der Logarithmusfunktion. Hier ergibt sich nämlich für reelle Zahlen $x$ mit $-1<x\leq 1$ die Reihenentwicklung

$\ln(1+x)=\sum _{k=1}^{\infty }(-1)^{k-1}{\frac {x^{k}}{k}}=x-{\frac {x^{2}}{2}}+{\frac {x^{3}}{3}}-{\frac {x^{4}}{4}}+-\ldots$,

aus der für nichtnegative $x$ (offenbar) alternierende Reihen hervorgehen.

Ein anderes gängiges Beispiel ist hier die alternierende Reihe für den Kehrwert der eulerschen Zahl. Man hat nämlich:

$\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{k}}{k!}}=1-{\frac {1}{1!}}+{\frac {1}{2!}}-{\frac {1}{3!}}+{\frac {1}{4!}}+-\ldots ={\frac {1}{e}}$.

II

Ein weiteres Standardbeispiel ist auch die Leibnizsche Reihe, welche eine Reihenentwicklung der Kreiszahl beinhaltet:

$\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{k}}{2k+1}}=1-{\frac {1}{3}}+{\frac {1}{5}}-{\frac {1}{7}}+{\frac {1}{9}}+-\ldots ={\frac {\pi }{4}}$.

Auch dieses Beispiel lässt sich verallgemeinern vermöge der (alternierenden!) Arkustangensreihe für reelle Zahlen $x$ mit $-1\leq x\leq 1$. Hier gilt nämlich:

$\arctan x=\sum _{k=0}^{\infty }(-1)^{k}{\frac {x^{2k+1}}{2k+1}}=x-{\frac {1}{3}}x^{3}+{\frac {1}{5}}x^{5}-{\frac {1}{7}}x^{7}+\dotsb$.

Zur Kreiszahl gibt es eine ganze Anzahl weiterer alternierender Reihen wie etwa

$\sum _{k=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{k-1}}{k^{2}}}=1-{\frac {1}{2^{2}}}+{\frac {1}{3^{2}}}-{\frac {1}{4^{2}}}+{\frac {1}{5^{2}}}+-\ldots ={\frac {{\pi }^{2}}{12}}$

und

$\sum _{k=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{k-1}}{k^{4}}}=1-{\frac {1}{2^{4}}}+{\frac {1}{3^{4}}}-{\frac {1}{4^{4}}}+{\frac {1}{5^{4}}}+-\ldots ={\frac {{7\cdot \pi }^{4}}{720}}$.

III

Ein interessantes Beispiel liefert die für reelle $x$ mit $|x|<1$ gebildete geometrische Reihe

$\sum _{k=0}^{\infty }(-1)^{k}x^{k}=\sum _{k=0}^{\infty }(-x)^{k}=1-x+x^{2}-x^{3}+-\ldots ={\frac {1}{1+x}}$.

Diese bildet für den Fall $x\geq 0$ eine alternierende Reihe, die jedoch zusätzlich absolut konvergent ist. Hier ist dann die Situation gegeben, dass man die Reihensumme einfach als Summe der nur aus den positiven und der nur aus den negativen Gliedern gebildeten Teilreihen ermittelt, also als Differenz zweier Reihen aus lauter positiven Gliedern.

IV

Zu den bedeutenden alternierenden Reihen zählen ebenfalls die Taylorreihen für die reelle Sinus- und Kosinusfunktion:

$\sin(x)=\sum _{k=0}^{\infty }(-1)^{k}{\frac {x^{2k+1}}{(2k+1)!}}=x-{\frac {x^{3}}{3!}}+{\frac {x^{5}}{5!}}-{\frac {x^{7}}{7!}}+-\ldots \;(x\in \mathbb {R} )$

$\cos(x)=\sum _{k=0}^{\infty }(-1)^{k}{\frac {x^{2k}}{(2k)!}}=1-{\frac {x^{2}}{2!}}+{\frac {x^{4}}{4!}}-{\frac {x^{6}}{6!}}+-\ldots \;(x\in \mathbb {R} )$

Literatur

• Martin Barner, Friedrich Flohr: Analysis I (= de Gruyter Lehrbuch). 5., durchgesehene Auflage. Walter de Gruyter & Co., Berlin, New York 2000, ISBN 3-11-016778-6. 
• I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew, Gerhard Musiol, Heiner Mühlig (Hrsg.): Taschenbuch der Mathematik. 10., überarbeitete Auflage. Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2016, ISBN 978-3-8085-5790-7. 
• Claudio Canuto, Anita Tabacco: Mathematical Analysis I (= Unitext). 2. Auflage. Springer International Publishing Switzerland, Cham, Heidelberg, New York, Dordrecht, London 2015, ISBN 978-3-319-12771-2, doi:10.1007/978-3-319-12772-9. }
• Richard Courant: Vorlesungen über Differential- und Integralrechnung. Erster Band. Funktionen einer Veränderlichen. Neudruck 1948 (der 2. Auflage von 1930). 2. verbesserte Auflage. Springer Verlag, Berlin 1948. 
• Otto Forster: Analysis 1. Differential- und Integralrechnung einer Veränderlichen (= Vieweg Studium. Grundkurs Mathematik). 9., überarbeitete Auflage. Vieweg, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8348-0395-5. 
• Hans Grauert, Ingo Lieb: Differential- und Integralrechnung I. Funktionen einer reellen Veränderlichen (= Heidelberger Taschenbücher. Band 26). 4. verbesserte Auflage. Springer Verlag, Berlin, New York 1976, ISBN 0-387-07574-7 (MR0430171). }
• Konrad Knopp: Theorie und Anwendung der unendlichen Reihen (= Die Grundlehren der mathematischen Wissenschaften in Einzeldarstellungen mit besonderer Berücksichtigung der Anwendungsgebiete. Band 2). 5., berichtigte Auflage. Springer Verlag, Berlin, Göttingen, Heidelberg, New York 1964, ISBN 3-540-03138-3 (MR0183997). 
• Herbert Meschkowski: Unendliche Reihen. 2., verbesserte und erweiterte Auflage. BI Wissenschaftsverlag, Mannheim u. a. 1982, ISBN 3-411-01613-2 (MR0671586).