68396

Критерий разложимости функции в ряд Тейлора

Лекция

Математика и математический анализ

Возникает вопрос, справедливо ли обратное утверждение? Пусть функция бесконечно дифференцируема на интервале. Мы можем формально построить для нее ряд Тейлора. Но пока мы не знаем, будет ли наша функция суммой этого ряда, т.е. будет ли построенный ряд Тейлора сходиться к нашей функции на интервале...

Русский

2014-09-21

450 KB

6 чел.

PAGE  7

Пример 1. Разложить многочлен  по степеням .

Имеем: а=1. Напишем формулу Тейлора для :

.

Найдем производные в точке  а=1.

        ;

;     ;

;      ;

;       ;

.

Четвертая производная равна нулю, поэтому остаточного члена не будет. Подставляем в многочлен Тейлора:

.

Пример 2. Написать формулу Маклорена для функции   ().

Эта функция имеет производные любого порядка на (, +). При этом:

,

  число.

.

§2.9. Критерий разложимости функции в ряд Тейлора

Вернемся к рядам. В §2.7 мы установили, что если функцию  можно разложить в сходящийся к ней степенной ряд, то он является для этой функции рядом Тейлора.

Возникает вопрос, справедливо ли обратное утверждение? Пусть функция  бесконечно дифференцируема на интервале . Мы можем формально построить для нее ряд Тейлора. Но пока мы не знаем, будет ли наша функция суммой этого ряда, т.е. будет ли построенный ряд Тейлора сходиться к нашей функции на интервале , вместо знака равенства поставим знак соответствия:

Выясним, при каких условиях этот знак можно заменить на знак равенства. Напишем формулу Тейлора для функции :

,      (2.9.1)

где   остаточный член, а

.        (2.9.2)

– многочлен Тейлора n-ой степени, который можно рассматривать как частичную сумму ряда Тейлора. Таким образом,

.         (2.9.3)

Остаточный член формулы Тейлора для функции можно определить как разность между функцией  и частичной суммой ряда Тейлора:

.         (2.9.4)

При увеличении номера п число слагаемых в частичной сумме, т.е. в многочлене Тейлора, увеличивается, а остаточный член изменяется. Можно рассмотреть последовательность остаточных членов . Это последовательность функций, определенных в той же окрестности точки а, в которой имеет место бесконечная дифференцируемость функции . Остаточный член показывает погрешность, получающуюся при замене функции частичной суммой ряда Тейлора. Ясно, что для получения хорошего приближения   последовательность остаточных членов  должна стремиться к нулю. Вместо сочетания «последовательность остаточных членов» часто говорят просто «остаточный член».

Теорема 1 О необходимом и достаточном условии сходимости ряда Тейлора к функции .

Для того чтобы функцию  можно было разложить в ряд Тейлора

        (2.9.5)

на интервале , необходимо и достаточно, чтобы  имела на этом интервале производные любого порядка и чтобы остаточный член  в данной формуле Тейлора (2.9.1) стремился к нулю при всех , когда  n.

Замечание.  Если функция  имеет на интервале  производные любого порядка, то эти производные непрерывны на этом интервале, потому что, если  имеет производную  на , то производная  должна быть непрерывна на этом интервале.

Доказательство. Необходимость.  Дано:   сумма ряда (2.9.5), т.е. ряд сходится. Требуется доказать, что . Воспользуемся равенством (2.9.3):

.

n-я частичная сумма ряда (2.9.4):

совпадает с многочленом Тейлора n-ой степени (2.9.2).

         (2.9.6)

Т.к. по условию ряд сходится,

.

Достаточность. Дано: . Требуется доказать, что   сумма ряда (2.9.5). .

Теорема доказана.

Лемма.           (2.9.7)

для любого вещественного х.

В примере 3 на сходимость степенных рядов было установлено, что ряд  сходится абсолютно при   его радиус сходимости . Отсюда следует, что общий член ряда  при  (необходимое условие сходимости всякого ряда). Лемма доказана. Её можно применять и в виде  .

Теорема 2 О достаточном условии сходимости остаточного члена формулы Тейлора к нулю.

Если функция  в -окрестности точки а имеет производные любого порядка, ограниченные одним и тем же числом  то остаточный член ее формулы Тейлора в этой окрестности стремится к нулю при :

.          (2.9.8)

Доказательство.  Воспользовавшись формулой остаточного члена (2.7.2):

,

получим:

,      (2.9.9)

т.к.   в -окрестности точки а.

Перейдем к пределу: .

По лемме  при х, в том числе при    . Теорема доказана.

§2.10. Разложение элементарных функций в ряд Маклорена

  1.  .

В примере 2 была выведена формула Маклорена для этой функции. Нужно лишь доказать, что остаточный член стремится к нулю при .

 

 

(рис. 2.10.1, 2.10.2), .

По лемме   при любых х      .

Согласно теореме о необходимом и достаточном условии сходимости ряда Тейлора к функции  полученный ряд сходится к функции  и можно написать равенство:

.      (1*)

Найдем интервал сходимости этого ряда. По общему признаку Д’Аламбера

  

ряд Маклорена сходится на всей числовой оси, т.е. для всех .

Заменим х на (-х):

 

2.  

    (2*)

(нечетные степени с факториалами, все с плюсами)

3.  (3*)

(четные степени с факториалами, все с плюсами). Разложение (3*) можно также получить с помощью почленного дифференцирования ряда (2*).

  1.  Найдём сумму бесконечно убывающей геометрической прогрессии со знаменателем ,  :

.

Переписав это равенство справа налево, получим разложение в ряд функции :

      (4*)

5.  В разложении (4*) выполним замену х на (х). Тогда  :

    (5*)

6.  Проинтегрируем ряд (5*) почленно от 0 до переменного предела х:

.

Получили разложение натурального логарифма:

   (6*)

(без факториалов). Интервал сходимости по теореме об интегрировании степенных рядов остался прежним. Исследуем сходимость ряда на концах интервала. При  получим знакопеременный гармонический ряд 7, сходящийся по теореме Лейбница:

.

При  получаем  и расходящийся гармонический ряд. Таким образом, интервал сходимости ряда (6*) .

7.  В разложении (5*) заменим х на (х2):

 

Проинтегрируем почленно этот ряд:

 

.    (7*)

(нечетные степени без факториалов). При  получим сходящийся по Лейбницу ряд (8):

.

При    тот же ряд, но с противоположными знаками:

.

Таким образом, интервал сходимости ряда (7*) .

  1.  ,     ,                                      

,   ,

,  ,

,  ,

,  ,

……………………………………………………….                                    

,   .

Взятие производной – это поворот на 90 (нрис.2.10.3). Производные любого порядка ограничены: на : .  Поэтому по теореме 2   ,  и функция   разлагается в сходящийся к ней на  ряд Маклорена по степеням x:

  (8*)

Покажем, что полученный ряд сходится на всей числовой оси. По общему признаку Д’Аламбера:

 сходится при всех х.

Ряд (8*) отличается от разложения гиперболического синуса (2*) знакопеременностью.

9.  .

Почленным дифференцированием ряда (8*) получаем разложение косинуса в ряд Маклорена:

    Таким образом,

   (9*)

Т.к. ряд (9*) получен путем дифференцирования ряда (8*), то по теореме о дифференцировании степенных рядов ряд (9*) имеет тот же интервал сходимости, что и ряд (8*).

Ряд (9*) отличается от разложения гиперболического косинуса (3*) знакопеременностью.


0         
            х

а

х

а-

Рис.2.9.1

а+

Рис.2.10.3

sin(x+2/2)=-sinx

sin(x+/2)=cosx

Рис.2.10.2

Рис.2.10.1

х                      0

sinx

sin(x+3/2)=-cosx


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

66305. Гаметогенез. Запліднення. Онтогенез 93.5 KB
  Мета: пояснити, як відбувається гаметогенез і запліднення в різних груп організмів, біологічне значення процесу запліднення. Дати поняття про онтогенез, розглянути ембріогенез у тварин і його етапи. План Гаметогенез. Запліднення. Онтогенез.
66306. Постембріональний розвиток. Життєвий цикл. Ріст і регенерація 80 KB
  Мета: сформувати поняття про різні типи постембріонального розвитку тварин; пояснити як відбувається регенерація у різних організмах. Ріст збільшення маси і розмірів тіла. Активне харчування та ріст личинка збільшує масу в десять тисяч разів.
66307. Генетика як наука. Методи генетичних досліджень 49.5 KB
  Генетика це наука про закономірності спадковості та мінливості організмів. Ген це ділянка молекули нуклеїнової кислоти яка визначає спадкові ознаки організмів. Спабковість це властивість живих організмів передавати свої ознаки й особливості...
66308. ABC-party (позакласний захід для учнів 2 класу) 49 KB
  And hold him in my hands. It is blue, and green, and red, It bounces higher, that my head, It does not want to stop at all What is it? It is my ball. I was in a bed and badly ill, My skipping-rope was so still. But now in the sunny weather, We’ll go in the street together.
66309. Adjective. Прикметник 667 KB
  Look at the clock. Час почати наш урок. Good morning, children! P: Good morning, teacher! T: Sit down, girls. Sit down, boys. T: How are you today? P: I am OK, thank you. Учні запитують один одного «How are you today?» T: It is very good, that you are all OK today.
66310. Эхо Афганских гор 32.5 KB
  Добрый день уважаемые гости и присутствующие в этом зале. Ведущий 2: Сегодня вы имеете возможность услышать рассказы непосредственно воинов афганской войны которые пришли на нашу встречу. Перечисляются фамилии гостей воинов интернационалистов...
66311. «Опаленні долею» вечір-реквієм до річниці виводу військ із Афганістану 37 KB
  Добрый день уважаемые гости Ведущий 2: Здравствуйте все кто пришел на эту встречу Ведущий 1: Мы благодарны всем кто не забыл что в сегодняшний день в далеком 1989 году Ограниченный Контингент Советских войск был выведен из Республики Афганистан где долгие 9 лет шли боевые действия.
66312. Функционально-семантический анализ частицы «как бы» в поэзии Ф.И. Тютчева 475 KB
  Поиск употреблений «как бы» в поэзии Тютчева и составление контекстного тезауруса. Выявление семантических свойств «как бы» в отдельных тютчевских текстах. Обнаружение общих закономерностей (моделей) в функционировании «как бы». Сопоставление «как бы» с синонимичными единицами с целью установления общего и различного в их функционировании...
66313. Цікаве акушерство 95 KB
  Навіть банальна застуда з її можливими ускладненнями у дівчинки може призвести до виникнення проблем під час майбутньої вагітності. Виникає так звана прееклампсія що інколи призводить до переривання вагітності Як цього уникнути Дуже просто. Особливу увагу слід звернути на запобігання небажаній вагітності.