то функцию f(x) можно записать по формуле Тейлора
(14.6)
при , или по формуле Макларена
(14.7)
Разложение в ряд Макларена основных элементарных функций
1. . Используем формулу (14.3). Так как
то по формуле (14.3) имеем
. (14.8)
Находим радиус сходимости.
т.е. область сходимости ряда (14.8) .
2. f(x) = sin x. Вычислим производные и их значения в нуле
… … … … … … … … .
Очевидно, что производные четного порядка , а нечетного порядка , i= 1, 2, … . По формуле (14.7)
. (14.9)
Область сходимости
3. f(x)= cos x. Аналогично получаем
. (14.10)
Область сходимости .
4. , где . Вычислим производные и их значения в нуле
По формуле (14.3) находим
.(14.11)
Интервал сходимости ряда (-1; 1) (на концах интервала при сходимость ряда зависит от конкретных значений m.
5. f(x)=ln(1+x)
Известно, что сумма бесконечно убывающей геометрической прогрессии с первым членом и знаменателем q=x при |x|<1 вычисляется по формуле
(14.12)
На последнее равенство можно смотреть как на разложение функции в степенной ряд.
Полагая в равенстве (14.12) , получаем
(14.13)
Интегрируя почленно равенство (14.13) в интервале (0; х), где |x|<1, получаем
Отсюда
или
(14.14)
Область сходимости .
6. . Положим в разложении (14.12) , получим
.
Интегрируя последнее равенство в пределах от 0 до х , где , получаем
,
или
Так как arctg 0=0, то окончательно имеем
, (14.15)
Область сходимости . В частности, при х=1 получаем
14.2. Применение рядов в приближенных вычислениях
Степенные ряды имеют самые разнообразные приложения. С их помощью вычисляют с заданной степенью точности значения функций, приближенно вычисляют некоторые “неберущиеся” определенные интегралы, интегрируются дифференциальные уравнения. Приведем примеры.
Пример 1. Вычислить sin 1. Пологая в разложении (14.9) х=1, получаем
Если отбросить все члены, начиная с 4-го, то погрешность будет по абсолютной величине меньше (так как ряд для sin 1 есть ряд знакочередующийся). Отсюда с точностью до 0,0002.
Пример 2. Вычислить .
Преобразуем это выражение . Используем разложение (14.11), полагая ;
По таблицам =2,0801.
Пример 3. Вычислить “не берущийся ” интеграл .
Решение. Разделив почленно ряд (14.9) на х, получим
.
Отсюда, интегрируя почленно, получим
Так как ряд знакопеременный и модули его членов монотонно убывают, то ограничившись тремя членами, получаем, что погрешность меньше .
Пример 4. Найти 3 отличных от нуля члена разложения решения дифференциального уравнения в степенной ряд.
Решение. Решение дифференциального уравнения ищем в виде степенного ряда
. (*)
Подставляя начальные условия, находим 1=.
Подставляем разложение (*)в исходное уравнение, вычисляя предварительно
,
получаем,
.
Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях х в левой и правой части последнего равенства получаем систему уравнений для отыскания неизвестных коэффициентов разложения
Тогда искомые три члена разложения решения уравнения в степенной ряд запишутся .
У П Р А Ж Н Е Н И Я
1. Разложить в степенной ряд по степеням х функции:
а); б); в);
г); д) е).
2. Вычислить приближено с точностью до 0,0001:
а) б) в);
г) е).
3. Вычислить приближенно, взяв первые два члена разложения в ряд подынтегральной функции, и оценить допущенные при этом погрешности:
а); б); в).
4. Найти три первых (отличных от нуля) членов разложения в степенной ряд решений данных уравнения при указанных начальных условиях:
а) б).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.