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

80850. ОБЩЕСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ КАК ОБЪЕКТ ГОСУДАРСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ 46.35 KB
  Управляемые объекты центр приложения массовых усилий общества поскольку именно ими создается все необходимое. В соответствии с основными сферами жизни общества управляемые объекты подразделяются на: экономические социальные и духовные политические. Социальные управляемые объекты осуществляют деятельность направленную на сохранение жизни и здоровья человека его физическое развитие организацию дошкольного школьного высшего и специального образования на создание жилищных коммунальных бытовых условий и поддержание других важных...
80851. РАЗГРАНИЧЕНИЕ ПРЕДМЕТОВ ВЕДЕНИЯ И ПОЛНОМОЧИЙ МЕЖДУ ОРГАНАМИ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ВЛАСТИ РФ И ОРГАНАМИ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ВЛАСТИ СУБЪЕКТОВ РФ 45.77 KB
  Обеспечение соответствия конституций и законов республик уставов законов и иных нормативных правовых актов краев областей городов федерального значения автономной области автономных округов Конституции РФ и федеральным законам; б защита прав и свобод человека и гражданина; в вопросы владения пользования и распоряжения землей недрами водными и другими природными ресурсами; г разграничение государственной собственности; д природопользование; охрана окружающей среды и обеспечение экологической безопасности; е общие вопросы...
80852. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СОБСТВЕННОСТИ В СИСТЕМЕ ГОСУДАРСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ 43.95 KB
  Государственная собственность форма собственности при которой имущество в том числе средства и продукты производства принадлежит государству полностью либо на основе долевой или совместной собственности. Отличия ГС от других видов собственности: в ее анонимности мы не знаем кому принадлежит ГС; в ее неделимости она не персонализуется; усиление социальной функции ГС социализация экономической сферы; преследование разных целей. Место и роль ГС ее функции: контроля государства за частью национального богатства ресурсов страны...
80853. ОСНОВНЫЕ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНЫХ ШКОЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ 50.68 KB
  Процесс управления состоит из четырех взаимосвязанных функций: планирования организации мотивации и контроля. Ситуационный подход концентрируется на том что пригодность различных методов управления определяется ситуацией. Друкера МВО; ситуационные теории методы управления меняются в зависимости от ситуации а поэтому менеджмент является ещё и искусством; теория 7S Т.
80854. ГОСУДАРСТВЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ: ПОНЯТИЕ, СПЕЦИФИКА, СООТНОШЕНИЕ С ДРУГИМИ ВИДАМИ УПРАВЛЕНЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 44.71 KB
  Атаманчук Специфика государственного управления: Атамчук 1. Координация общественного труда в масштабе государственного управления. Деятельность практически выражается в разработке органами государственного управления программ управления установления основных направлений функций всех элементов системы оперативноруководящих связей налаживании оперативного контроля за системой. Управление это административная деятельность предполагающая подчинение объекта субъекту управления.
80855. СУБЪЕКТ, ОБЪЕКТ И МЕХАНИЗМ ГОСУДАРСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ 43.96 KB
  Атаманчук Система совокупность элементов находящихся в отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность и единство. Признаки системы: существует в окружающей среде и проявляется во взаимодействии с этой средой реагирует на изменения окружающей среды; состоит из элементов компонентов подсистем каждый из которых является относительно самостоятельным. система образуется не от суммы элементов а от целостности взаимопроникновения; система выполняет определенную цель; имеет структуру внутреннюю форму строение;...
80856. ЦЕЛИ, ФУНКЦИИ И МЕТОДЫ ГОСУДАРСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ 47.06 KB
  Методы: а моральноидеологические социальнополитические экономические административные; б методы организационные административные и экономические. Методы: общие используемые для выполнения всех или основных функций управления регулирование общее руководство административные и экономические методы и специальные применяемые при осуществлении отдельных функций методы выработки и принятия УР. Административные методы реализуются путем прямого воздействия субъекта управления на объект управления.
80857. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЛУЖБЫ В РФ 44.92 KB
  Государственная гражданская служба по законодательству Российской Федерации вид государственной службы представляющий собой профессиональную служебную деятельность граждан Российской Федерации на должностях государственной гражданской службы Российской Федерации по обеспечению исполнения полномочий федеральных государственных органов государственных органов субъектов Российской Федерации лиц замещающих государственные должности Российской Федерации и лиц замещающих государственные должности субъектов Российской Федерации включая...
80858. УНИТАРНЫЕ ГОСУДАРСТВА: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 42.42 KB
  Унитарное государство форма государственного или национальногосударственного устройства при котором территории государства подразделяется на административнотерриториальные единицы области круга районы департаменты и т. В отдельных случаях в состав унитарного государства могут входить одна или несколько территориальных единиц пользующихся особым статусом автономных государственных образований. Для унитарных государств характерно наличие следующих основных признаков: 1 единая конституция; 2 единая система высших органов...