Разложить в ряд онлайн с решением. Разложение в ряд маклорена на примерах
В теории функциональных рядов центральное место занимает раздел, посвященный разложению функции в ряд.
Таким образом, ставится задача: по заданной функции требуется найти такой степенной ряд
который на некотором
интервале сходился и его сумма была
равна
,
т.е.
= ..
Эта задача называется задачей разложения функции в степенной ряд.
Необходимым условием разложимости функции в степенной ряд является её дифференцируемость бесконечное число раз – это следует из свойств сходящихся степенных рядов. Такое условие выполняется, как правило, для элементарных функций в их области определения.
Итак, предположим,
что функция
имеет производные любого порядка. Можно
ли её разложить в степенной ряд, если
можно, то как найти этот ряд? Проще
решается вторая часть задачи, с неё и
начнем.
Допустим, что
функцию
можно представить в виде суммы степенного
ряда, сходящегося в интервале, содержащем
точкух
0 :
= .. (*)
где а 0 ,а 1 ,а 2 ,...,а п ,... – неопределенные (пока) коэффициенты.
Положим в равенстве (*) значение х = х 0 , тогда получим
.
Продифференцируем степенной ряд (*) почленно
= ..
и полагая здесь х = х 0 , получим
.
При следующем дифференцировании получим ряд
= ..
полагая х
= х
0 ,
получим
,
откуда
.
После п -кратного дифференцирования получим
Полагая в последнем
равенстве х
= х
0 ,
получим
,
откуда
Итак, коэффициенты найдены
,
,
,
…,
,….,
подставляя которые в ряд (*), получим
Полученный
ряд называется рядом
Тейлора
для функции
.
Таким образом, мы установили, что если функцию можно разложить в степенной ряд по степеням (х - х 0 ), то это разложение единственно и полученный ряд обязательно является рядом Тейлора.
Заметим, что ряд Тейлора можно получить для любой функции, имеющей производные любого порядка в точке х = х 0 . Но это еще не означает, что между функцией и полученным рядом можно поставить знак равенства, т.е. что сумма ряда равна исходной функции. Во-первых, такое равенство может иметь смысл только в области сходимости, а полученный для функции ряд Тейлора может и расходиться, во-вторых, если ряд Тейлора будет сходиться, то его сумма может не совпадать с исходной функцией.
3.2. Достаточные условия разложимости функции в ряд ТейлораСформулируем утверждение, с помощью которого будет решена поставленная задача.
Если функция
в некоторой
окрестности точки х
0
имеет производные до (n
+
1)-го
порядка включительно, то в этой окрестности
имеет место
формула
Тейлора
где R n (х )-остаточный член формулы Тейлора – имеет вид (форма Лагранжа)
где точка ξ лежит между х и х 0 .
Отметим, что между рядом Тейлора и формулой Тейлора имеется различие: формула Тейлора представляет собой конечную сумму, т.е. п - фиксированное число.
Напомним, что сумма ряда S (x ) может быть определена как предел функциональной последовательности частичных сумм S п (x ) на некотором промежутке Х :
.
Согласно этому, разложить функцию в ряд Тейлора означает найти такой ряд, что для любого х X
Запишем формулу Тейлора в виде, где
Заметим, что
определяет ту
ошибку, которую мы получаем, заменяй
функцию f
(x
)
многочленом
S
n
(x
).
Если
,
то
,т.е. функция
разлагается в ряд
Тейлора. Инаоборот,
если
,
то
.
Тем самыммы доказали критерий разложимости функции в ряд Тейлора.
Для того, чтобы
в некотором промежутке функция
f
(х)
разлагалась в ряд Тейлора, необходимо
и достаточно, чтобы на этом промежутке
,
где
R
n
(x
)
- остаточный член ряда Тейлора.
С помощью сформулированного критерия можно получить достаточные условия разложимости функции в ряд Тейлора.
Если в некоторой окрестности точки х 0 абсолютные величины всех производных функции ограничены одним и тем же числом М ≥ 0, т.е.
, т о в этой окрестности функция разлагается в ряд Тейлора.
Из вышеизложенного следует алгоритм разложения функции f (x ) в ряд Тейлора в окрестности точки х 0 :
1. Находим производные функции f (x ):
f(x), f’(x), f”(x), f’”(x), f (n) (x),…
2. Вычисляем значение функции и значения её производных в точке х 0
f(x 0 ), f’(x 0 ), f”(x 0 ), f’”(x 0 ), f (n) (x 0 ),…
3. Формально записываем ряд Тейлора и находим область сходимости полученного степенного ряда.
4. Проверяем
выполнение достаточных условий, т.е.
устанавливаем, для каких х
из области
сходимости, остаточный член R
n
(x
)
стремится
к нулю при
или
.
Разложение функций в ряд Тейлора по данному алгоритму называют разложением функции в ряд Тейлора по определению или непосредственным разложением.
16.1. Разложение элементарных функций в ряды Тейлора иМаклоренаПокажем,
что если произвольная функция
задана на множестве
, в окрестности точки
имеет множество производных и является
суммой степенного ряда:
то можно найти коэффициенты этого ряда.
Подставим
в степенной ряд
.
Тогда
.
Найдем
первую производную функции
:
При
:
.
Для второй производной получим:
При
:
.
Продолжая
эту процедуру n
раз получим:
.
Таким образом, получили степенной ряд вида:
,
который
называется рядом Тейлора
для функции
в окресности точки
.
Частным
случаем ряда Тейлора является ряд
Маклорена
при
:
Остаток
ряда Тейлора (Маклорена) получается
отбрасыванием от основных рядов n
первых членов и обозначается как
.
Тогда функцию
можно записать как суммуn
первых членов ряда
и остатка
:,
.
Остаток
обычно
выражают разными формулами.
Одна из них в форме Лагранжа:
,
где
.
.
Заметим,
что на практике чаще используетсяряд Маклорена. Таким
образом, для того, чтобы записать функцию
в виде суммыстепенного ряданеобходимо:
1) найти коэффициенты ряда Маклорена (Тейлора);
2) найти область сходимости полученного степенногоряда;
3)
доказать, что данный ряд сходитсяк функции
.
Теорема
1
(необходимое и достаточное условие
сходимости ряда Маклорена). Пусть радиус
сходимости ряда
.
Для того, чтобы этот ряд сходился
в интервале
к функции
,необходимо
и достаточно, чтобы выполнялось условие:
в указанном интервале.
Теорема
2.
Если производные любого порядка
функции
в некотором промежутке
ограниченны по абсолютной величине
одним и тем же числомM
,
то есть
,
то в этом промежутке функцию
можно разложитьв ряд
Маклорена.
Пример
1
.
Разложить в
ряд Тейлора вокрестноститочки
функцию.
Решение.
.
,;
,
;
,
;
,
.......................................................................................................................................
,
;
Область сходимости
.
Пример
2
.
Разложить
функциюв ряд Тейлора вокрестноститочки
.
Решение:
Находим
значение функции и ее производных при
.
,
;
,
;
...........……………………………
,
.
Подставляем эти значения в ряд. Получаем:
или
.
Найдем область сходимости этого ряда. По признаку Даламбера ряд сходится, если
.
Следовательно,
при любом
этот пределменее 1, а
потому область сходимости ряда будет:
.
Рассмотрим несколько примеров разложенияв ряд Маклорена основных элементарных функций. Напомним, что ряд Маклорена:
.
сходитсянаинтервале
к функции
.
Отметим, что для разложенияфункции в ряд необходимо:
а) найти коэффициенты ряда Маклорена для данной функции;
б) вычислить радиус сходимостидля полученного ряда;
в)
доказать, что полученный ряд сходитсяк функции
.
Пример
3.
Рассмотримфункцию
.
Решение.
Вычислим
значение функции и ее производных при
.
Тогда числовые коэффициенты ряда имеют вид:
для
любого n.
Подставим найденные
коэффициенты в ряд Маклорена и получим:
Найдем радиус сходимости полученного ряда, а именно:
.
Следовательно,
ряд сходитсянаинтервале
.
Этот
ряд сходитсяк функции
при любых значениях
,
потому чтоналюбом
промежутке
функция
иее производныепоабсолютной величинеограничены числом
.
Пример
4
.
Рассмотрим
функцию
.
Решение .
:
Нетрудно
заметить, что производные четногопорядка
,
а производные нечетногопорядка.
Подставим найденные коэффициенты в ряд
Маклорена иполучимразложение:
Найдем интервал сходимости данного ряда. По признаку Даламбера:
для
любого
.
Следовательно, ряд сходитсянаинтервале
.
Этот
ряд сходитсяк функции
,
потому что все ее производные
ограничены единицей.
Пример
5
.
.
Решение.
Найдем
значение функции и ее производных при
:
Таким
образом, коэффициенты данного ряда:
и
,
следовательно:
Аналогично
с предыдущим рядом область сходимости
.
Ряд сходитсяк функции
,
потому что все еепроизводные ограничены единицей.
Обратим
внимание, что функция
нечетнаяи разложениев рядпо нечетнымстепеням, функция
– четная и разложение в ряд по четным
степеням.
Пример
6
.
Биномиальный
ряд:
.
Решение .
Найдем
значение функции и ее производных при
:
Отсюда видно, что:
Подставим эти значения коэффициентов в ряд Маклорена и получим разложение данной функции в степенной ряд:
Найдем радиус сходимости этого ряда:
Следовательно,
ряд сходится на интервале
.
В предельных точках при
и
ряд может сходится или нет в зависимости
от показателя степени
.
Исследованный
ряд сходится на интервале
к функции
,
то есть суммаряда
при
.
Пример
7
.
Разложим в
ряд Маклорена функцию
.
Решение.
Для
разложенияв ряд этой
функции используем биномиальный ряд
при
.
Получим:
На основе свойства степенных рядов (степенной ряд можно интегрировать в области его сходимости) найдем интеграл от левой и правой частей данного ряда:
Найдем
область сходимости данного ряда:
,
то
есть областью сходимости данного ряда
является интервал
.
Определим сходимость ряда на концах
интервала. При
.
Этот ряд является гармоничным рядом,
то есть расходится. При
получим числовой ряд с общим членом
.
Ряд
по признаку Лейбница сходится. Таким
образом, областью сходимости данного
ряда является промежуток
.
В приближенных вычислениях степенные ряды играют исключительно большую роль. С их помощью составлены таблицы тригонометрических функций, таблицы логарифмов, таблицы значений других функций, которые используют в разных областях знаний, например в теории вероятностей и математической статистике. Кроме того, разложениефункций в степенной ряд полезно для их теоретического исследования. Главным вопросом при использовании степенных рядов в приближенных вычислениях является вопрос оценки погрешности при замене суммы ряда суммой его первыхn членов.
Рассмотрим два случая:
функция разложена в знакочередующийся ряд;
функция разложена в знакопостоянный ряд.
Вычисление с помощью знакочередующихся рядовПусть
функция
разложена в знакочередующийся степенной
ряд. Тогда при вычислении этой функции
для конкретного значения
получаем числовой ряд, к которому можно
применить признак Лейбница. В соответствии
с этим признаком, если сумму ряда заменить
суммой его первыхn
членов, то
абсолютная погрешность не превышает
первого члена остатка этого ряда, то
есть:
.
Пример
8
.
Вычислить
с точностью до 0,0001.
Решение .
Будем
использовать ряд Маклорена для
,
подставив значение угла в радианах:
Если сравнить первый и второй члены ряда с заданной точностью, то: .
Третий член разложения:
меньше
заданной точности вычисления.
Следовательно, для вычисления
достаточно оставить два члена ряда, то
есть
.
Таким
образом
.
Пример
9
.
Вычислить
с точностью 0,001.
Решение .
Будем
использовать формулу биномиального
ряда. Для этого запишем
в виде:
.
В
этом выражении
,
Сравним
каждый из членов ряда с точностью,
которая задана. Видно, что
.
Следовательно, для вычисления
достаточно оставить три члена ряда.
или
.
Пример 10 . Вычислить число с точностью до 0,001.
Решение .
В
ряд для функцїї
подставим
.
Получим:
Оценим погрешность, которая возникает при замене суммы ряда суммой первых членов. Запишем очевидное неравенство:
то есть 2 бесконечности. В случае если таковой существует, в нем функция f(х) должна совпадать с суммой ряда Маклорена.
Рассмотрим теперь ряды Маклорена для отдельных функций.
1. Итак, первой будет f(x) = е х. Разумеется, что по своим особенностям такая ф-ия имеет производные самых разных порядков, причем f (k) (х) = e x , где k равняется всем Подставим х=0. Получим f (k) (0) = e 0 =1, k=1,2... Исходя из вышесказанного, ряд е х будет выглядеть следующим образом:
2. Ряд Маклорена для функции f(х) = sin х. Сразу же уточним, что ф-ия для всех неизвестных будет иметь производные, к тому же f " (х) = cos х = sin(х+п/2), f "" (х) = -sin х = sin(х+2*п/2)..., f (k) (х) = sin(х+k*п/2), где k равняется любому натуральному числу. То есть, произведя несложные расчеты, можем прийти к выводу, что ряд для f(х) = sin х будет такого вида:
3. Теперь попробуем рассмотреть ф-ию f(х) = cos х. Она для всех неизвестных имеет производные произвольного порядка, причем |f (k) (x)| = |cos(х+k*п/2)|