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

7 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

46492. Дополнительное профессиональное образование 19.75 KB
  Программы дополнительного профессионального образования реализуются в следующих формах: с отрывом от основной работы очная форма обучения; без отрыва от работы заочная дистанционная; с частичным отрывом от работы; обучение по индивидуальным формам; экстернат. 1 учитель в процессе работы по изучению нового материала обращал внимание на подготовку учащихся к выполнению домашнего задания. дз не сводилось лишь к воспроизводящей деятельности учащихся а включало в себя элементы творческой работы. Задавая урок на дом необходимо не только...
46493. Острый абсцесс легкого: клиника, диагностика, дифференциальная диагностика. Принципы лечения 17.46 KB
  Рак печени. Клиника диагностика дифференциальная диагностика лечение Рак печени.этиологиявирус гепат ВС и Dцирроз печени параз инвазияхим канцерогены гепатотропные яды микотоксины добро пухоли ген болезни и нарушения обмена веществ радиационный фактор другие факторы: курение алкоголь противозачаточные средства травма.ДИФФУЗНАЯ циррозрак печени4.
46494. Инновации как главный фактор поддержания конкурентоспособности предприятия 17.48 KB
  Инновации влияющие на конкурентоспособность предприятий классифицируются по следующим признакам: характеру отношений: социальноэкономические организационные технологические инновации; сфере распространения: управленческие производственные технические социальные инновации; предметносодержательной структуре: продуктовые процессные и аллокационные инновации. Управленческие инновации это то новое знание которое воплощено в новых управленческих технологиях новых административных процессах и организационных структурах. Данные...
46495. Пятилетняя гражданская война. Политика военного коммунизма 17.51 KB
  При этом остававшийся экономический потенциал не обновлялся на протяжении всего периода войны и представлял собою полуразвалившееся оборудование и транспорт. Сельское хозяйство производило продукции на 40 меньше чем до войны. Одним из главных итогов гражданской войны стали глубочайшие социальные изменения в российском обществе. Вместе с тем итоги гражданской войны включали не только результаты разрушительных процессов но и определенное созидающее начало.
46496. Экономический рост и развитие 66 KB
  Вследствие неодновременности выборов работа Государственной думы проходила при неполном составе её пополнение шло в ходе работы. Комиссии Государственной думы работали над законопроектами о неприкосновенности личности свободе совести собраний об отмене смертной казни. В центре внимания II Думы как и ее предшественницы находился аграрный вопрос. Третьеиюньский государственный переворот новое Положение о выборах в Думу в нарушение Основных законов было утверждено царем без санкции Думы и Государственного совета означал поражение...
46497. Рroposition 17.62 KB
  Propositions show up in formal logic as objects of a formal language. A formal language begins with different types of symbols. These types can include variables, operators, function symbols, predicate (or relation) symbols, quantifiers, and propositional constants
46498. Эхинококкоз печени. Клиника, диагностика, методы хирургического лечение 17.71 KB
  Эхинококкоз печени. При перкуссии расширения границ печени.Периоды развития: латентный продромальных явлений прогрессивное увеличение печени период осложнений.
46499. Анализ прибыли предприятия 17.72 KB
  Прибыль предприятия характеризует превышение если наоборот то убыток выручки над расходами является главным показателем эффективности деятельности и отражает цель предпринимательства. В зависимости способа вычисления и направлений распределения различают такие основные виды прибыли предприятия: валовую балансовую прибыль операционную прибыль прибыль от обычной деятельности и прибыль после налогообложения чистую прибыль.Валовая балансовая прибыль Gross Profit разность между чистым доходом от реализации продукции и себестоимостью...
46500. Понятие и методы калькуляции затрат 17.86 KB
  Калькуляция служит основой для определения средних издержек производства и установления себестоимости продукции. Методы калькуляции это методы расчёта издержек производства себестоимости продукции объёма незавершённого производства основанные на калькуляции затрат. Попередельный метод калькуляции это метод исчисления себестоимости применяемый на предприятиях где исходный материал в процессе производства проходит ряд переделов или где из одних исходных материалов в одном технологическом процессе получают различные виды продукции....