Что значит разложить функцию в ряд

Ряд Тейлора. Ряды Маклорена.

Ряд Тейлора — разложение функции в бесконечную сумму степенных функций.

Ряд Тейлора применяют для апроксимации функции многочленами. То есть, линеаризация уравнений проходит путем разложения в ряд Тейлора и отсечения каждого члена старше 1-го порядка.

Определение ряда Тейлора.

Функция f(x) бесконечно дифференцируется в некоторой окрестности т.a:

Этот ряд называется рядом Тейлора функции f в т.a.

Свойства ряда Тейлора.

Если f есть аналитическая функция во всякой точке a, то ряд Тейлора этой функции во всякой точке a области определения f сходится к f в некоторой окрестности a.

Есть бесконечно дифференцируемые функции, ряд Тейлора которых сходится, однако, при этом отличается от функции во всякой окрестности a. Вариант, предложенный Коши:

У этой функции каждые производные в 0 равны нулю, поэтому коэффициенты ряда Тейлора в точке a=0 равны 0.

Если у функция f(x) есть непрерывные производные вплоть до (n+1)-го порядка, то эту функцию можно разложить в степенной ряд по формуле Тейлора:

где R_n − остаточный член в форме Лагранжа определяют так:

Если это разложение сходится в некотором интервале x, т.е. , значит, оно является рядом Тейлора, который представляет разложение функции f (x) в т.a.

Если a = 0, значит, это разложение является рядом Маклорена:

Ряды Маклорена некоторых функций.

1. Экспонента: ,

Источник

Понимание реальности и ряды Тейлора

А в реальном мире нам приходится сталкиваться с множеством весьма прагматичных задач. Например, нам нужно посчитать ту же экспоненту или синус для различных значений аргумента x. Для чего? Экспонента очень хорошо описывает рост популяции микроорганизмов в насыщенной кормом среде, синус и косинус дают прекрасное описание волновых процессов. А все это очень пригодится, когда мы будем строить космические корабли и изобретать вакцины. Конечно, сейчас посчитать экспонету и прочие функции может любой инженерный калькулятор. Но нас, в данном случае, больше интересует сам алгоритм подсчёта, а не его результат.

Ладно, хватит уже пережёвывать прописные истины. Людям, хотя бы поверхностно знакомым с численными методами, всё и так предельно ясно. А остальные разберутся сами, если им будет интересно. К чему я всё это начал? А вот к чему.

Вопрос: можно ли создать Единую Теорию Всего? Да, но чтобы её записать, потребуется бесконечное количество бумаги. Ведь ряд Тейлора бесконечен. Поэтому мы можем лишь бесконечно приближать свои знания к Истине.

И тем не менее мы питаем огромное колличество иллюзий относительно наших представлений о реальном мире. Религии проповедуют, что именно они знают Абсолютную Истину. Многие учёные тоже грешат, цепляясь за старые парадигмы. Мы постоянно ошибаемся, когда выносим наши теории за рамки их допустимой окрестности, либо игнорируем допустимую степень точности в наших «расчётах». Но хуже всего, когда мы принимаем представления, которые явно противоречат реальности, либо никак не соприкасаются с ней.

Источник

Ряд Тейлора

Понятие ряда Тейлора.

Если функция \(f(x)\) определена в некоторой окрестности точки \(x_<0>\) и имеет в точке \(x_<0>\) производные всех порядков, то степенной ряд
$$
f(x_<0>) + \sum_^<\infty>\frac(x_<0>)>(x-x_<0>)^\label
$$
называется рядом Тейлора функции \(f\) в точке \(x_<0>\).

Пусть функция \(f\) регулярна в точке \(x_<0>\), то есть представляется в некоторой окрестности точки \(x_<0>\) сходящимся к этой функции степенным рядом
$$
f(x) = \sum_^<\infty>a_(x-x_<0>)^,\quad |x-x_<0>| 0.\label
$$
Тогда по теореме, доказанной здесь, функция \(f\) бесконечно дифференцируема в окрестности точки \(x_<0>\), причем коэффициенты ряда \eqref выражаются формулами
$$
a_ <0>= f(x_<0>),\quad a_ = \frac(x_<0>)>,\quad n \in \mathbb.\label
$$
Таким образом, степенной ряд для функции \(f(x)\), регулярной в данной точке \(a\), совпадает с рядом Тейлора функции \(f\) в точке \(a\).

Если известно, что функция \(f(x)\) бесконечно дифференцируема в точке \(a\) (и даже в некоторой окрестности этой точки), то нельзя утверждать, что составленный для этой функции ряд Тейлора \eqref сходится при \(x \neq x_<0>\) к функции \(f(x)\).

Рассмотрим функцию \(f(x) = e^<-1/x^<2>>\), \(x \neq 0\), \(f(0) = 0\). Эта функция определена на \(R\),
$$
f'(x) = \frac<2>>e^<-1/x^<2>>,\ f″(x) = \left(\frac<4>>-\frac<6>>\right)e^<-1/x^<2>>\quad\mbox<при>\ x \neq 0,\nonumber
$$
откуда с помощью индукции легко показать, что
$$
f^<(n)>(x) = e^<-1/x^<2>> Q_ <3n>\left(\frac<1>\right)\ \mbox<при>\ x \neq 0,\nonumber
$$
где \(Q_<3n>(t)\) — многочлен степени \(3n\) от \(t\). Воспользуемся тем, что \(\displaystyle\lim_\frac<1><|x|^>e^<-1/x^<2>>=0\) для любого \(k \in \mathbb\) (решение можно посмотреть здесь), и докажем, что
$$
f^<(k)>(0) = 0\ \mbox<для любого>\ k \in \mathbb.\label
$$
Утверждение \eqref верно при \(k = 1\), так как \(f'(0) = \displaystyle\lim_\frac>> = 0\), откуда, предположив, что формула \eqref справедлива при \(k = n\), находим
$$
f^<(n + 1)>(0) = \lim_\frac(x)-f^<(n)>(0)> = \lim_ \frac<1> Q_ <3n>\left(\frac<1>\right) e^<-1/x^<2>> = 0.\nonumber
$$
Таким образом, по индукции доказано равенство \eqref, и поэтому все коэффициенты ряда Тейлора \eqref в точке \(x_ <0>= 0\) для рассматриваемой функции равны нулю.

Так как \(e^<-1/x^<2>> \neq 0\) при \(x \neq 0\), то сумма ряда Тейлора для функции \(f\) не совпадает с \(f(x)\) при \(x \neq 0\). Иначе говоря, эту функцию нельзя представить рядом Тейлора, сходящимся к ней в окрестности точки \(x_ <0>= 0\).

Причина этого явления становится понятной, если функцию \(f\) рассматривать в комплексной плоскости. В самом деле, функция \(f(z) = e^<-1/z^<2>>\) не является непрерывной в точке \(z = 0\), так как \(f(x) = e^<-1/x^<2>> \rightarrow 0\) при \(x \rightarrow 0\), a \(f(iy) = e^<1>> \rightarrow +\infty\) при \(y \rightarrow 0\).

Остаточный член формулы Тейлора.

Пусть функция \(f(x)\) бесконечно дифференцируема в точке \(x_<0>\). Тогда ей можно поставить в соответствие ряд \eqref. Обозначим
$$
S_(x) = \sum_^\frac(x_<0>)>(x-x_<0>)^,\label
$$
$$
r_(x) = f(x)-S_(x)\label
$$
и назовем \(r_(x)\) остаточным членом формулы Тейлора для функции \(f\) в точке \(x_<0>\). Если существует
$$
\lim_ r_(x) = 0,\label
$$
то согласно определению сходимости ряда ряд \eqref сходится к функции \(f(x)\) в точке \(x\), то есть
$$
f(x) = \sum_^<\infty>\frac(x_<0>)>(x-x_<0>)^.\label
$$

Если функции \(f(x)\), \(f'(x)\), …, \(f^<(n + 1)>(x)\) непрерывны на интервале \(\Delta = (x_<0>-\delta, x_ <0>+ \delta)\), где \(\delta > 0\), то для любого \(x \in \Delta\) остаточный член формулы Тейлора для функции \(f\) в точке \(x_<0>\) можно представить:

\(\circ\) Формула \eqref доказана в здесь. Докажем формулу \eqref методом индукции. В силу равенств \eqref и \eqref нужно показать, что
$$
f(x)-f(x_<0>) = \sum_^\frac(x_<0>)>(x-x_<0>)^ + \frac<1> \int\limits_>^ (x-t)^f^<(n + 1)>(t)\ dt.\label
$$

Если функция \(f\) и все ее производные ограничены в совокупности на интервале \(\Delta = (x_<0>-\delta, x_ <0>+ \delta)\), то есть
$$
\exists M > 0: \forall x \in \Delta \rightarrow |f^<(n)>(x)| \leq M,\ n = 0,1,2,\ldots,\label
$$
то функция \(f\) представляется сходящимся к ней в каждой точке интервала \(\Delta\) рядом Тейлора \eqref.

\(\circ\) Пусть \(x \in (x_<0>-\delta, x_ <0>+ \delta)\). Тогда, используя формулу \eqref и условие \eqref, получаем
$$
|r_(x)| \leq M \frac<|x-x_<0>|^><(n + 1)!>.\label
$$

Так как \(\displaystyle\lim_ \frac> = 0\) для любого \(a > 0\) (пример разобран здесь), то из \eqref следует, что выполняется условие \eqref, то есть в точке \(x\) справедливо равенство \eqref. \(\bullet\)

Теорема 2 остается в силе, если условие \eqref заменить следующим условием:
$$
\exists M > 0\ \exists C > 0: \forall x \in \Delta \rightarrow |f^<(n)>(x)| \leq MC^,\ n = 0, 1, 2, \ldots\nonumber
$$

Разложение элементарных функций в ряд Тейлора.

Найдем разложение основных элементарных функций в ряд Тейлора в окрестности точки \(x_ <0>= 0\), то есть в ряд вида
$$
f(x) = \sum_^<\infty>\frac(0)>x^,\label
$$
который называют рядом Маклорена. Заметим, что коэффициенты \(\displaystyle\frac(0)>\) разложения \eqref для основных элементарных функций (показательной, гиперболических, тригонометрических и других) были найдены в разделе про формулу Тейлора.

Разложение показательной и гиперболической функций в ряд Тейлора.

Пусть \(f(x) = e^\). Тогда для любого \(x \in (-\rho, \rho)\), где \(\rho > 0\), выполняются неравенства
$$
0 0\), то есть радиус сходимости этого ряда \(R = +\infty\). Так как для функции \(f(x) = e^\) выполняются равенства \(f(0) = 1\), \(f^<(n)>(0) = 1\) для любого \(n\), то по формуле \eqref получаем разложение в ряд Маклорена показательной функции
$$
e^ = \sum_^<\infty>\frac>,\label
$$

Используя разложение \eqref и формулы
$$
\operatorname x = \frac + e^<-x>><2>,\quad \operatorname x = \frac-e^<-x>><2>,\nonumber
$$
находим разложения в ряд Маклорена гиперболического косинуса и гиперболического синуса:
$$
\operatorname x = \sum_^<\infty>\frac><2n!>,\label
$$
$$
\operatorname x = \sum_^<\infty>\frac><(2n + 1)!>,\label
$$
Радиус сходимости каждого из рядов \eqref, \eqref \(R = +\infty\).

Разложение тригонометрических функций в ряд Тейлора.

Пусть \(f(x) = \sin x\). Тогда \(|f(x)| \leq 1\) и \(|f^<(n)>(x)| \leq 1\) для всех \(n \in \mathbb\) и для всех \(x \in R\). По теореме 2 ряд \eqrefдля функции \(f(x) = \sin x\) сходится для любого \(x \in (-\infty, +\infty)\), то есть радиус сходимости этого ряда \(R = +\infty\).

Если \(f(x) = \sin x\), то \(f(0) = 0\), \(f^<(2n)>(0) = 0\), \(f'(0) = 1\), \(f^<(2n + 1)>(0) = (-1)^\) для любого \(n\), и по формуле\eqrefполучаем разложение синуса в ряд Маклорена:
$$
\sin x = \sum_<\substack>^ <\infty>\frac<(-1)^><(2n + 1)!>x^<2n + 1>.\label
$$

Пусть \(f(x) = \cos x\). Тогда \(|f(x)| \leq 1\), \(|f^<(n)>(x)| \leq 1\) для всех \(n\) и для всех \(x \in R\), \(f(0) = 1\), \(f'(0) = 0\), \(f^<(2n)>(0) = (-1)^\) и, \(f^<(2n + 1)>(0) = 0\) для всех \(n\). По формуле \eqref получаем
$$
\cos x = \sum_^ <\infty>\frac<(-1)^><2n!>x^<2n>.\label
$$
Радиус сходимости каждого из рядов \eqref и \eqref \(R = +\infty\).

Разложение логарифмической функции в ряд Тейлора.

\(\circ\) Оценим остаточный член \(r_(x)\), пользуясь формулой \eqref при \(x_ <0>= 0\). Преобразуем эту формулу, полагая \(t = \tau x\). Тогда \(dt = x\ d\tau\), \(1-x =x(1-\tau)\) и формула \eqref примет вид
$$
r_(x) = \frac> \int\limits_0^1 (1-\tau) f^<(n + 1)>(\tau x) d\tau.\label
$$

Если \(f(x) = \ln(x + 1)\), то по формуле \eqref, используя равенство \eqref, получаем
$$
r_(x) = (-1)^x^ \int\limits_0^1 \frac<(1-\tau)^><(1 + \tau x)^> d \tau.\label
$$

Пусть \(|x| 1\), то \(\displaystyle\lim_ \frac><(1/|x|)^> = 0\). Поэтому из соотношения \eqref следует, что \(r_(x) \rightarrow 0\) при \(n \rightarrow \infty\) для каждого \(x \in (-1, 1)\), то есть справедливо равенство \eqref, причем радиус сходимости ряда \eqref в случае, когда \(\alpha \neq 0\) и \(\alpha \notin \mathbb\), равен 1. \(\bullet\)

В заключение заметим, что при разложении функций в ряд Тейлора обычно используют формулы \eqref—\eqref, \eqref-\eqref и применяют такие приемы, как: представление данной функции в виде линейной комбинации функций, ряды Тейлора для которых известны; замена переменного; почленное дифференцирование и интегрирование ряда.

Разложить в ряд Маклорена функцию \(f(x)\) и найти радиус сходимости \(R\) ряда, если:

Разложить в ряд Маклорена функции
$$
\operatorname x,\nonumber
$$
$$
\operatorname x,\nonumber
$$
$$
\ln(x + \sqrt<1 + x^<2>>),\nonumber
$$
и найти радиусы сходимости \(R\) рядов.

Разложить в ряд Тейлора в точке \(x_ <0>= 2\) функцию \(f(x) = \ln(4 + 3x-x^<2>)\).

Элементарные функции комплексного переменного.

Используя равенства \eqref и формулы \eqref, \eqref, находим
$$
\frac + e^<-iz>> <2>= \cos z,\ \frac-e^<-iz>> <2i>= \sin z,\label
$$
откуда следует, что
$$
e^ = \cos z + i \sin z.\label
$$
Полагая в формуле \eqref \(z = z_<1>\) и \(z = z_<2>\). и перемножая соответствующие ряды, можно показать, что
$$
e^>e^> = e^ + z_<2>>.\label
$$

Пусть \(z = x + iy\), где \(x \in R\), \(y \in R\). Тогда из равенства \eqref и формулы \eqref находим
$$
e^ = e^ = e^(\cos y + i \sin y).\label
$$
Из формулы \eqref следует, что
$$
e^ = e^,\nonumber
$$
то есть \(e^\) — периодическая функция с периодом \(2\pi i\). Поэтому для каждого комплексного \(z \neq 0\) уравнение
$$
e^ = z\label
$$
имеет бесконечное множество решений вида \(w + i2\pi n\), где \(w\) — одно из решений уравнения \eqref, \(n \in Z\).

Если \(w = u + iv\), то \(z = e^ = e^(\cos v + i \sin v)\), откуда получаем
$$
|z| = e^,\quad u = \ln |z|,\quad v = \arg z.\nonumber
$$

Пусть \(\varphi\) — какое-нибудь значение аргумента числа \(z\). Тогда
$$
v = \varphi + 2\pi n,\ n \in Z.\nonumber
$$
Таким образом, все решения уравнения \eqref, если их обозначить символом \(\operatorname\ z\), задаются формулой
$$
\operatorname\ z = \ln |z| + i(\varphi + 2\pi n),\label
$$
где \(\varphi\) — одно из значений аргумента числа \(z\) \((z \neq 0)\), \(n \in Z\).

По заданному значению \(z\) значение \(w\) из уравнения \eqref определяется, согласно формуле \eqref, неоднозначно (говорят, что логарифмическая функция \(\operatorname\ z\) является многозначной).

Разложить в степенной ряд в окрестности точки \(z = 0\) функцию \(f(z) = e^\sin z\).

\(\triangle\) Используя формулы \eqref и \eqref, получаем
$$
f(z) = e^\left(\frac-e^<-iz>><2i>\right) = \frac<1><2i>(e^-e^).\nonumber
$$
Так как \(1 + i = \sqrt<2>e^\), \(1-i = \sqrt<2>e^<-i\pi/4>\), то по формуле \eqref находим
$$
f(z) = \sum_^ <\infty>\frac<2^> \left(\frac-e^<-i\pi n/4>><2i>\right)z^,\nonumber
$$
откуда в силу второго из равенств \eqref следует, что
$$
e^\sin z = \sum_^ <\infty>\frac<2^> \sin \frac<\pi n><4>z^.\nonumber
$$
Радиус сходимости ряда \(R = +\infty\). \(\blacktriangle\)

Источник

Решение пределов, используя ряд Тейлора

Метод решения

Этот метод применим, если после выполнения пункта 1), функции в числителе и знаменателе можно разложить в степенной ряд.

Применяемые свойства о малого

Определение и доказательство свойств о малого приводится на странице: «О большое и о малое. Сравнение функций». Здесь мы приводим свойства, используемые при решении пределов разложением в ряд Маклорена (то есть при ).

Разложение элементарных функций в ряд Тейлора (Маклорена)

Примеры

Все примеры Далее мы приводим подробные решения следующих пределов с помощью ряда Тейлора.
⇓, ⇓, ⇓, ⇓, ⇓.

Пример 1

Все примеры ⇑ Вычислить предел последовательности, используя разложение в ряд Тейлора.
.

Пример 2

Все примеры ⇑ Показать, что значение второго замечательного предела можно получить, используя разложение в ряд Тейлора.

Вычисляем предел в показателе, используя следующее разложение в ряд Тейлора:
.
.

Поскольку экспонента является непрерывной функцией для всех значений аргумента, то по теореме о пределе непрерывной функции от функции имеем:
.

Пример 3

Все примеры ⇑ Вычислить предел, используя разложение в ряд Тейлора.
.

Раскладываем с точностью до квадратичных членов:
;
.
Делим числитель и знаменатель на и находим предел:
.

Пример 4

Все примеры ⇑ Решить предел с помощью ряда Тейлора.
.

Подставляем в исходную функцию.

.
Находим предел.
.

Пример 5

Все примеры ⇑ Найти предел с помощью ряда Тейлора.
.

Будем проводить разложение числителя и знаменателя в ряд Маклорена до четвертой степени включительно.

Подставляем разложение числителя и знаменателя и находим предел.
;
.

Использованная литература:
Л.Д. Кудрявцев, А.Д. Кутасов, В.И. Чехлов, М.И. Шабунин. Сборник задач по математическому анализу. Том 1. Москва, 2003.

Источник

Практическое применение разложений функций в ряд

Разложение функций в ряд Тейлора (Маклорена) находит широкое практическое применение в вопросах приближенного вычисления значений функций, определенных интегралов (в тех случаях, когда первообразная нс выражается через элементарные функции или находится сложно), приближенного решения дифференциальных уравнений. Обратимся к примерам подобного практического применения.

Пусть требуется вычислить значение функции при с заданной точностью. Если функцию в интервале можно разложить в степенной ряд , и , то точное значение равно сумме этого ряда при , т.е. , а приближённое — частичной сумме , т.е. . Точность этого равенства увеличивается с ростом .

Пример №36.6.

Найдите приближенное значение выражения с точностью до 0,0001, используя известные разложения функций в ряд Маклорена.

Решение:

Воспользуемся известным разложением в ряд Маклорена функции : Поскольку , подставим в данное разложение вместо 0,04, получим Так как мы имеем знакочередующийся ряд, то при замене его суммы некоторой частичной суммой абсолютная погрешность нс превышает модуля первого отброшенного члена. Непосредственной проверкой убеждаемся, что , следовательно, достаточно ограничиться двумя первыми членами разложения: .

Ответ: .

Пусть требуется вычислить с определённой точностью. Если подынтегральную функцию можно разложить в ряд по степеням , и интервал сходимости включает в себя отрезок , то для вычисления заданного интеграла можно воспользоваться свойством почленного интегрирования этого ряда (свойство 4 лекции 35).

Пример №36.7.

Вычислить интеграл с точностью до 0,0001, где при значение подынтегральной функции принимается равным 1.

Решение:

Подынтегральная функция представляет собой частное и , поэтому для её разложения в ряд Маклорена воспользуемся разложением функции : Поделим обе части этого разложения на :

Это разложение имеет место на всей числовой оси, поэтому его можно почленно интегрировать на [0;1]:

Полученный ряд является знакочередующимся рядом. Так как , то достаточно взять три первых члена разложения: .

Вычисляя промежуточные результаты с пятью десятичными знаками, получим окончательный результат с четырьмя верными десятичными знаками: .

Ответ: .

Эта лекция взята с главной страницы на которой находится курс лекций с теорией и примерами решения по всем разделам высшей математики:

Другие лекции по высшей математике, возможно вам пригодятся:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник