42465

Ряды. Интегралы. Ряды и произведения

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Ряды и произведения Вычисление суммы ряда и произведений. Если требуется вычислить сумму бесконечного ряда то в качестве верхнего предела вводится infinity. Найти полную и Nчастичную суммы ряда общий член которого равен: n=. Найти сумму степенного ряда .

Русский

2013-10-29

149.5 KB

4 чел.

Лабораторная работа (3).

3. Ряды. Интегралы.

§1. Ряды и произведения

Вычисление суммы ряда и произведений.

Конечные и бесконечные суммы  вычисляются командой прямого исполнения sum и отложенного исполнения Sum. Аргументы этих команд одинаковые: sum(expr, n=a..b), где expr – выражение, зависящее от индекса суммирования, a..b – пределы индекса суммирования, указывающие, что суммировать следует от n=a до n=b.

Если требуется вычислить сумму бесконечного ряда, то в качестве верхнего предела вводится infinity.

Аналогичным образом вычисляются произведения  командами прямого product(P(n),n=a..b) и отложенного действий Product P(n),n=a..b).

Задание 1.1.

1. Найти полную и N-частичную суммы ряда, общий член которого равен: an=.

> restart: a[n]:=1/((3*n-2)*(3*n+1));

an:=

> S[N]:=Sum(a[n], n=1..N)=sum(a[n], n=1..N);

> S:=limit(rhs(S[N]), N=+infinity);

2. К какой функции сходится степенной ряд: ?

> Sum((-1)^(n+1)*n^2*x^n, n=1..infinity)=

sum((-1)^(n+1)*n^2*x^n, n=1..infinity);

.

3. Найти сумму степенного ряда .

> Sum((1+x)^n/((n+1)*n!), n=0..infinity)=

sum((1+x)^n/((n+1)*n!), n=0..infinity);

4. Вычислить бесконечное произведение:

> Product(2/n,n=1..infinity)=

product(2/n, n=1..infinity);

5.Вычислить произведение: 

> Product( k^2, k=1..4 )= product( k^2, k=1..4 );

Разложение функции в степенной ряд и ряд Тейлора.

Разложение функции f(x) в степенной ряд в окрестности точки а

осуществляется командой series(f(x), x=a, n), где а – точка, в окрестности которой производится разложение, n – число членов ряда.

Аналогичного действия команда taylor(f(x), x=a, n) раскладывает функции f(x) в окрестности точки x=a до порядка n-1 по формуле Тейлора.

Команды series и taylor выдают результат, имеющий тип series. Для того, чтобы иметь возможность дальнейшей работы с полученным разложением, его следует преобразовать в полином с помощью команды convert(%,polynom).

Функцию многих переменных f(x1,…,xn) можно разложить в ряд Тейлора по набору переменных (x1,…,xn) в окрестности точки (a1,…,an) до порядка n с помощью команды mtaylor(f(x), [x1,…,xn], n). Эта команда находится в стандартной библиотеке, поэтому перед использованием должна быть вызвана readlib(mtaylor).

Задание 1.2.

1. Разложить в степенной ряд  в окрестности х0=0, удерживая 5 первых членов.

> f(x)=series(exp(-x)*sqrt(x+1), x=0, 5);

2. Построить на одном рисунке графики интеграла ошибок  и его разложения в ряд Тейлора в окрестности нуля.

> taylor(erf(x),x,8): p:=convert(%,polynom);

> plot({erf(x),p},x=-2..2,thickness=[2,2],

linestyle=[1,3], color=[red,green]);

Пунктирной линей изображен график ряда Тейлора, а сплошной – самой функции.

3.Разложить  в ряд Тейлора в окрестности точки (0, 0) до 6-ого порядка.

> readlib(mtaylor):

> f=mtaylor(sin(x^2+y^2), [x=0,y=0], 7);

Создание собственных процедур. Разложение функции в ряд Фурье.

В Maple имеется возможность создавать собственные процедуры. Процедура начинается с заголовка. Заголовок состоит из имени процедуры (его пользователь определяет сам), далее следует обязательный оператор присваивания := и служебное слово proc, после которого в круглых скобках через запятую указываются формальные параметры процедуры.

Во избежании неполадок работы процедуры, рекомендуется в строке заголовка процедуры описывать переменные, которые будут использоваться только внутри тела процедуры (они называются локальными переменными). Для этого используется служебное слово local, после которого через запятую перечисляются локальные переменные.

После заголовка следует основное тело процедуры, состоящее из составленных пользователем команд, причем последняя команда будет выводить окончательный результат выполнения процедуры. Процедура должна обязательно оканчиваться служебным словом end.

Общий вид процедуры (стандартный синтаксис):

> name:=proc(var1, var2, …) local vloc1, vloc2,…;

> expr1;

> expr2;

……………

> exprn;

> end;

В Maple нет команды, позволяющей производить разложение функции в тригонометрический ряд Фурье. Однако можно создать собственную процедуру разложения ряд Фурье. Пусть требуется разложить на интервале [x1, x2] 2l-периодическую функцию f(x). Тогда ряд Фурье имеет вид:

,

где l=(x2x1)/2;

; ; .

Получить первые n членов ряда Фурье можно с помощью следующей процедуры:

> fourierseries:=proc(f,x,x1,x2,n) local k, l,

a, b, s;

> l:=(x2-x1)/2;

> a[0]:=int(f,x=x1..x2)/l;

> a[k]:=int(f*cos(k*Pi*x/l),x=x1..x2)/l;

> b[k]:=int(f*sin(k*Pi*x/l),x=x1..x2)/l;

> s:=a[0]/2+sum(a[k]*cos(k*Pi*x/l)+

b[k]*sin(k*Pi*x/l), k=1..n);

> end;

Порядок обращения к этой процедуре такой: fourierseries(f,x,x1,x2,n), где f – имя функции, разложение которой требуется найти, где х – имя независимой переменной, где х1, x2 – интервал разложения, где n – число членов ряда.

Задание 1.3.

  1.  Разложить в ряд Фурье функцию f(x)=x/2 с периодом 2 на интервале [0; 2], удерживая 6 членов ряда. Построить на одном рисунке графики функции и ее n-частичной суммы ряда Фурье.

Сначала полностью наберите процедуру fourierseries, предложенную выше в теоретической части.

> f:=x/2:x1:=0:x2:=2*Pi:

> fr:=fourierseries(f,x,x1,x2,6);

> plot({fr,f}, x=x1..x2, color=[blue,black],

thickness=2, linestyle=[3,1]);

Пунктирной линией изображен график n-частичной суммы ряда Фурье, а сплошной – самой функции. По виду n-частичной суммы ряда Фурье в данном примере легко установить общий вид этого ряда:

.

  1.  Разложить несколько раз в ряд Фурье функцию  с периодом 2 на интервале [;], удерживая 2, 4 и 8 членов ряда. Построить на одном рисунке графики функции и ее n-частичных сумм ряда Фурье.

> f:=exp(-x);x1:=-Pi;x2:=Pi:

> fr1:=fourierseries(f,x,x1,x2,2):

> fr2:=fourierseries(f,x,x1,x2,4):

> fr3:=fourierseries(f,x,x1,x2,8):

> plot({f,fr1,fr2,fr3},x=x1..x2,color=[black, blue, green, red], thickness=2, linestyle= [1,3,2,2]);

Сплошной линией изображен график функции, пунктирными – графики n-частичных сумм ряда Фурье. Видно, что чем больше слагаемых ряда удерживать, тем ближе расположен график суммы ряда к графику самой функции.

                        §2 Обучение основным методам интегрирования.

В Maple имеется пакет student, предназначенный для обучения математике. Он содержит набор подпрограмм, предназначенных для выполнения расчетов шаг за шагом, так, чтобы была понятна последовательность действий, приводящих к результату. К таким командам относятся интегрирование по частям inparts и замена переменной changevar.

Формула интегрирования по частям:

Если обозначить подынтегральную функцию f=u(x)v’(x), то параметры команды интегрирования по частям такие: intparts(Int(f, x), u), где u – именно та функция u(x), производную от которой предстоит вычислить по формуле интегрирования по частям.Если в интеграле требуется сделать замену переменных x=g(t) или t=h(x), то параметры команды замены переменных такие: changevar(h(x)=t, Int(f, x), t), где t новая переменная.

Обе команды intparts и changevar не вычисляют окончательно интеграл, а лишь производят промежуточную выкладку. Для того, чтобы получить окончательный ответ, следует, после выполнения этих команд ввести команду value(%); где % - обозначают предыдущую строку.

Не забудьте, перед использованием описанных здесь команд обязательно загрузить пакет student командой with(student). 

Задание 1.

  1.  Полностью проделать все этапы вычисления интеграла  по частям.

> restart; with(student): J=Int(x^3*sin(x),x);

> J=intparts(Int(x^3*sin(x),x),x^3);

> intparts(%,x^2);

> intparts(%,x);

> value(%);

  1.  Вычислить интеграл  с помощью универсальной подстановки .

> J=Int(1/(1+cos(x)), x=-Pi/2..Pi/2);

> J=changevar(tan(x/2)=t,Int(1/(1+cos(x)),

x=-Pi/2..Pi/2), t);

> value(%);

J=2

Контрольные задания.

При выполнении контрольных заданий студенту необходимо подставить вместо буквенных параметров индивидуальные анкетные характеристики:

- число букв в фамилии студента,

- число букв в имени студента,

- число букв в отчестве студента.

В отчете на титульном листе необходимо обязательно указать, какие анкетные данные использовались при выполнении контрольных заданий (имя, отчество, фамилия).

1. Найти сумму ряда  и сумму первых N членов.

а)    б)

2. К какой функции сходится степенной ряд: ?

3. Найти сумму степенного ряда .

4. Вычислить бесконечное произведение:

5. Вычислить произведение с точностью до 0,00001

6. Разложить в степенной ряд в окрестности x=0 до 11-ого порядка.

7. Разложить в ряд Тейлора функцию  до 6 – ого порядка в окрестности точки (0, 0).

8. Полностью проделать все этапы вычисления интеграла  по частям.

9. Вычислить интеграл  с помощью универсальной подстановки .

Контрольные вопросы.

  1.  Как вычислить сумму или произведение в Maple?
  2.  Какие команды осуществляют разложение функции в степенные ряды?
  3.  Для чего предназначен пакет student?
  4.  Опишите команду интегрирования по частям.
  5.  Опишите команду интегрирования методом замены переменных.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38854. Створення та редагування таблиць у текстовому редакторі Word 327.5 KB
  Поняття таблиць Word Таблиці дуже часто зустрічаються в діловій кореспонденції однак існує деяка думка що створювати і редагувати таблиці в текстових процесорах украй складно. Word дозволяє вставляти таблиці з текстовою і графічною інформацією будьякого. Приклад таблиці До того як у Word зявилася можливість створювати таблиці користувачі робили це за допомогою табуляції чи абзацних відступів. Звичайно таблиці можна створювати таким чином але це досить незручно.
38855. Забезпечення стабільного функціонування ОЕС України в умовах недостатності маневрових потужностей 4.98 MB
  Вибір засобів обмеження перенапруг та високочастотних загороджувачів Для захисту обладнання від атмосферних та комутаційних перенапруг встановлюємо розрядники та обмежувачі перенапруг: ЛЕП330 кВ сторона ВН БТ ОПН330У1 сторона НН БТ РВМ15У1 сторона НН АТВП РВРД10У1 Для забезпечення нормальної роботи зв’язку та приладів РЗА встановлюємо на ЛЕП високочастотні загороджувачі [5]: 330кВ ВЗ125005У1 2.14 Розрахунок грозозахисту ВРУ330 кВ Вихідні дані для розрахунку: висота блискавковідводу: h=40м; розрахункова...
38857. ФИЗИЧЕСКАЯ РЕАБИЛИТАЦИЯ ДЕТЕЙ С ДЦП С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРЕНАЖЁРА ГРОССА 521.5 KB
  3 Методы и методические приемы используемые в комплексной физической реабилитации детей с ДЦП.4 Использование тренажерных устройств в физической реабилитации детей с ДЦП21 Заключение. Развитие двигательной активности детей.
38860. Особенности и проблемы разделения властей в Российской Федерации 286 KB
  Сегодня исключительно важное значение приобретают новые требования к государственной власти и прежде всего преодоление ее монопольного характера смягчение жесткости. Мировой опыт убедительно подтверждает что важнейшим условием успешного функционирования государственной власти является принцип разделения властей. Каждая из названных ветвей власти самостоятельна и выполняет свои функции посредством особой системы органов и в специфических правовых формах. Основное назначение такого разделения властей заключается вопервых в обеспечении...