Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Математический анализ применение дифференциаль...doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
3.39 Mб
Скачать

Решение:

Найдем значения функции P(x) и ее производных до n-ого порядка включительно в точке x = 0.

P(0) = an

P´(x) = n(x + a)n   1, P´(0) = n an – 1,

P´´(x) = n(n 1)(x + a)n 2, P’’(0) = n(n 1) an 2,

P(k)(x) = n(n 1) … (n – (k – 1))(x  a)n –k.,

P(k)(0) = n(n - 1) … (n – (k – 1)) an –k,

P(n)(x) = n!, P(n)(0) = n!.

Подставив эти значения в формулу (4), получим

(x + a)n = an + an – 1x + an –2x2 + … +

an – kxk + …+ xn = an – kxk

 формула Маклорена для многочлена P(x) = (x + a)n. Эта формула носит название бином Ньютона.

2. Формула Тейлора для произвольной функции

Рассмотрим теперь произвольную функцию (x), определенную на некотором промежутке Х. Пусть функция (x) в точке а  Х имеет производные до n-го порядка включительно: ´(a), f ´´(a), … , f (n)(a).

Тогда, аналогично (3) для функции (x) можно составить многочлен

(x) = (а) + (x  а) + (x  а)2 + …+ ( а)n.

Этот многочлен совпадает с функцией (x) в точке а. Однако если функция (x) не является многочленом n-степени, то (x)  (x). Представим функцию (x) в виде

(x) = Q (x) + R+ 1(x) = (а) + (x  а) + (x  а)2 + …+

+ ( а)n R+ 1(x), (5)

где R+ 1(x) – величина, на которую отличается функция (x) от многочлена (x).

Равенство (5) называют формулой Тейлора для функции (x). Функция R+ 1(x) называется остаточным членом разложения функции (x) по формуле Тейлора.

Остаточный член R+ 1(x) можно найти по следующим формулам:

Rn + 1(x) =  (x - а)n + 1, (6)

Rn + 1(x) = (x - а)n + 1(1 θ)n, (7)

где 0 <   < 1.

Формула (6) называется остаточным членом в форме Лагранжа. Формула (7) называется остаточным членом в форме Коши.

Остаточные члены в формах Лагранжа и Коши используются, если требуется при фиксированных значениях х, отличных от a, приближенно вычислить значения функции (x). Тогда функцию (x) заменяют многочленом Qn(x) и оценивают погрешность, которая не превосходит |Rn + 1(x)| (если Rn + 1(x) → 0 при → ∞, то функцию (x) можно приблизить многочленом с любой точностью).

Однако иногда встречаются задачи, в которых не интересует величина ошибки, а лишь, как быстро она стремится к нулю при x→ a. В этом случае используется остаточный член в форме Пеано

Rn + 1(x) = o((x - a)n)

Если в (5) a = 0, то формула Тейлора называется формулой Маклорена. Разложение функции (x) по формуле Маклорена имеет вид

(x) = (0) + x x2  + … + xn R+ 1(x), (8)

где Rn+ 1(x) = xn  остаточный член в форме Лагранжа,

Rn + 1(x) = xn + 1 (1  θ)n  остаточный член в форме Коши,

Rn(x) = o(xn)  остаточный член в форме Пеано.

4. Разложение элементарных функций по формуле Маклорена

1. Рассмотрим функцию у = ex.

Так как (n)(x) = ex и (n)(0) = 1, то формула Маклорена для этой функции имеет вид

ex = 1 +   + … + R+ 1(x), (9)

где остаточный член в форме Лагранжа задается формулой

R+ 1(x) = eθx (< θ < 1).

На любом отрезке [r, r] (> 0) имеет место оценка остаточного члена

|R+ 1(x)| ≤ er. (10)

2. y = sin x.

Найдем производные этой функции:

´(x) = (sin x)´ = cos x = sin ,

´´(x) = = cos = sin ,

(n)(x) = sin .

Найдем значения производных функции в точке х = 0.

(n)(0) =

где = 1, 2, … .

Формула Маклорена для данной функции записывается в виде

sin x = x –   + … + (1)k + 1 R2+ 1(x). (11)

Остаточный член в форме Лагранжа для функции y = sin x:

R2k+1(x) = x2k + 1, (< θ < 1).

Так как функция y = sin x ограничена на всей числовой прямой, то для любого отрезка [-r, r] (> 0) справедлива следующая оценка остаточного члена:

|R2k + 1(x)| ≤ . (12)

3. Аналогично можно найти разложение функции y = cos x:

 cos x = 1 –    + … + (1) R2+ 2(x), (13)

где 2k+2(x) = x2k + 2, (< θ < 1).

Для любого отрезка [-r, r] (> 0) справедливо неравенство

2k+2(x) = .

4. у = ln (х + 1).

Поскольку

(n)(x) = (1)  1 ,  (0) = 0, (n)(x) = (1)  1(n  1)!,

то формула Маклорена имеет вид

ln (х + 1) = x –    + … + (1) 1 R+ 1(x), (14)

R+ 1(x) =  (в форме Лагранжа), (15)

R+ 1(x) =  (в форме Коши). (16)

5. Рассмотрим функцию y = (1 + x)α. Найдем производные функции

´(x) = (1 + x)α  1,

´´(x) (  1)(1 + x)α  2,

f (n)(x) = α(α – 1)(α – (n 1))(1 + x)α – n.

Так как (0) = 1, (n)(x) = α(α – 1)(α – (n - 1)), то

(1 + x)α = 1 + х х2 + … +  хn + R+ 1(x), (17)

где

Rn + 1(x) = (1 + θx)α  ( n +1) xn + 1, (< θ < 1).