Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

1944

.pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
07.01.2021
Размер:
2.26 Mб
Скачать

y 2y y f (x)

1)

f (x) 2x2

 

 

 

 

1)

f (x) xcos x

 

 

 

 

 

 

 

k2 2k 1 0

y

Ax2 Bx C

 

 

 

y

(Ax B)cos x (Cx D)sin x

 

k1 k2 k 1

2)

f (x) 3e x

 

 

 

 

2)

f (x) ex sin x

 

 

 

 

 

 

 

y

ex (C1 xC2 )

 

y Ax2e x

 

 

 

 

y ex (Acos x Bsin x)

 

 

 

 

 

 

 

( 1 k1,2 ,r 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Этапы решения ЛНДУ с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П р и м е р :

d

2

x

 

2 x с

 

 

 

 

постоянными

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коэффициентами и правой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt2

 

 

 

 

 

 

частью специального вида

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Для ЛОДУ составить и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛОДУ:

d

2

x

2 x 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

решить характеристическое

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

уравнение

 

 

Характеристическое уравнение: k2

2 0.

 

 

 

 

 

 

 

Корни характеристического уравнения: k

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

2. Записать общее решение

 

 

 

 

 

C1x1(t) C2x2(t) Сcos t Bsin t .

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

ЛОДУ

 

 

Замечание. Пусть

С Asin 0;

B Acos 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тогда

 

A(sin 0

cos t cos 0

sin t).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получаем

 

функцию

простого

гармонического

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Asin( t 0 ) , где А – амплитуда

 

 

 

 

 

колебания

 

x

 

 

 

 

 

колебания; – частота; 0 – начальная фаза

 

 

 

3. По правой части

 

 

Правая часть имеет специальный вид первого

 

 

 

подобрать вид частного

 

типа: f (t) c ce0t .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

решения

 

 

Имеем 0 i r 0 x

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Найти неопределенные

Подбираем неопределенный коэффициент D

 

 

 

коэффициенты и записать

для частного решения

 

x

D:

 

 

 

 

 

 

частное решение ЛНДУ

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

x

D 0;

 

 

 

. Подставим x

и

 

 

 

 

 

 

 

в дифференциальное уравнение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 2D c D

c

 

x

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

5. Записать общее решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

x x x

Asin( t 0)

 

 

 

 

 

 

 

ЛНДУ

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

Замечание. В общем случае, когда правая часть ЛНДУ не имеет специального вида, для отыскания частного решения применяется метод вариации произвольных постоянных.

Пусть y C1 y1

C2 y2

общее решение ЛОДУ второго порядка.

Постоянные С1

и С2

заменяются функциями С1(х) и С2(х) и

100

подбираются так, чтобы функция y C1(x)y1 C2(x)y2 была решением

ЛНДУ.

C1(x) и C2(x) находятся из системы дифференциальных уравнений

вида: C1(x)y1(x) C2 (x)y2 (x) 0,C1(x)y1(x) C2 (x)y2 (x) f (x).

101

Раздел 17. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ

Получение функции на основании экспериментальных данных по методу наименьших квадратов

Аппроксимация – приближение исходной функции другой, более удобной для ее обработки и анализа.

Интерполяция – это восстановление функции (точное или приближенное) по известным ее значениям, т.е. замена табличной функции другой, заданной в аналитическом виде.

 

 

 

____

 

Пусть исходная функция задана таблицей xi, yi , i 1,n .

 

xi

x1

x2

 

xn

yi

y1

y2

 

yn

Метод наименьших квадратов заключается в отыскании такой аппроксимирующей функции, которая дает наилучшее приближение в среднем, т.е. обеспечивает минимум квадратичного отклонения.

В соответствии с методом наименьших квадратов необходимо

 

 

 

 

n

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

минимизировать сумму S

i

 

y

(x ) y

2

, где x ,

y

i

− значения

 

 

 

 

i 1

 

 

i

i

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

опытных данных;

y

(xi ) − значение функции, взятое на эмпирической

зависимости в точке xi ; n − число

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

опытов. Предположим, что между x и y

 

 

 

 

 

 

 

 

y kx b

существует

линейная

зависимость,

 

yi

 

 

 

i

 

 

 

 

 

выражающаяся

формулой

 

y ax b.

 

y

i

 

 

 

 

 

 

 

 

Требуем, чтобы квадратичное отклонение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S axi b yi 2 было минимальным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1 x2

 

xi

xn

Функция S имеет минимум в тех точках,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в которых

частные производные от S

по

параметрам

a и b

обращаются в нуль. В результате дифференцирования и

преобразований получаем

систему

линейных уравнений для

 

n

 

n

 

n

y

,

a x2

b x

i

x

 

i

 

i 1

i

i

 

i 1

 

 

i 1

 

 

определения a и b:

n

 

 

 

n

 

 

a xi b n yi.

 

 

i 1

 

 

 

i 1

 

 

101

Приближенные методы решения уравнений вида f(x) 0

 

 

 

 

 

 

 

 

Метод половинного деления

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

f (x)

непрерывна на a,b и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (a) f (b) 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (b)

 

 

a,b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Делим

 

отрезок

пополам,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

c(a1)

 

 

b(b1)

c

a b

 

середина

отрезка. Если

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (c) 0 c − корень уравнения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (a)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если

f (c) 0

выбираем одну

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

из

 

 

 

 

половин,

где

f (c) f (xгран) 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xгран

− или a, или b.

 

 

Отрезок c,xгран a1,b1 снова делим пополам и выполняем те же

действия.

a2,b2 ,…,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a1,b1 ,

an,bn

 

 

последовательность вложенных

отрезков, где

 

b a

 

 

b a

.

Итерационный процесс прекращается,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

когда

 

bn an

 

 

и/или

 

f (cn )

 

, где

 

заданная

точность

 

 

 

 

нахождения корня.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Метод хорд

 

 

 

 

Пусть

f (x) непрерывна на a,b и меняет знак на данном отрезке.

Y

f (a)

 

 

 

 

 

 

Пусть

 

 

f (a) 0,

f (b) 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

a,

Проведем хорду, соединяющую точки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (a) и b, f (b) . Уравнение хорды:

c1 X a b

f (c1)

f (b)

 

y f (a)

 

 

x a

.

 

f (b) f (a)

 

 

 

b a

 

Координата пересечения хорды с осью

абсцисс: c a f (a)

 

b a

 

 

. Точка c

 

 

 

 

 

 

1

 

f (b) f

(a)

1

 

 

 

делит отрезок a,b на две части. Выбираем ту часть, где функция меняет знак, и повторяем действия до тех пор, пока f (cn ) , где− заданная точность нахождения корня.

102

Решение обыкновенных дифференциальных уравнений

 

 

 

Разностная схема Эйлера

 

 

Рассмотрим задачу Коши:

dy

f (x, y);

y(a) y0.

 

 

 

Делим отрезок a,b на

dx

 

 

 

 

 

N

шагов:

h xk 1

xk

(b a)/ N .

Заменяем

значения

функции

y

в узлах

xk значениями сеточной

функции

yk :

yk 1

yk y (xk )h.

Из исходного уравнения имеем

y (xk ) f (xk , yk ). Формула метода Эйлера:

yk 1 yk

hf (xk , yk ).

При

k 0

 

y1 y0 hf (x0, y0),

значение

y0

находим из

начального условия. При k 1

y2 y1

hf (x1, y1)

и т.д.

Геометрический смысл схемы Эйлера: замена

y(x) на отрезке

xk ,xk 1 отрезком касательной, проведённой к графику в точке xk .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методы Рунге Кутта

 

 

 

 

 

Если

в

формуле

Эйлера заменить

 

f (xk , yk )

на более общее

выражение fˆ(xk , yk ),

то получаем общую формулу одношагового

метода: yk 1

yk

h fˆ(xk , yk ), y(a) y0.

Вместо дифференциального

уравнения решается нелинейное разностное уравнение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формула

 

 

 

 

 

Вспомогательные величины

 

Название

 

fˆ

1

k

 

k

 

 

 

 

 

 

k1 f (xk, yk ),

 

 

 

 

 

2

1

2

 

 

 

 

k2 f (xk

 

h, yk h)

 

 

 

Улучшенная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ломаная

 

fˆ f x

k

 

 

,

y

k

 

 

k

 

 

 

k f (x

k

, y

k

).

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k1 f (xk , yk ),

 

 

 

 

 

fˆ

1

k1

4k2 k3

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k2

f xk

 

 

 

 

, yk

 

 

 

 

k1

 

,

 

Формулы Хойне

 

 

 

 

2

2

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k3 f xk h, yk 2hk2 hk1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k1 f (xk , yk ),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

2

f x

k

 

 

 

 

, y

k

 

 

 

 

k

 

,

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

Формулы Рунге–

 

k1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k4

 

 

 

 

 

 

2 1

 

 

 

 

fˆ

 

 

2k2

2k3

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

h

 

 

 

Кутта

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k3

f xk

 

 

 

 

,

yk

 

 

 

k2

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k4 f xk h, yk hk3

 

 

 

 

103

Раздел 18. РЯДЫ Числовые ряды. Основные понятия

Основные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение

 

 

 

 

понятия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Понятие

a1 a2

a3

... an

 

 

 

 

 

 

 

числового ряда

... an числовой ряд, где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

a1,a2,...,an,... − члены ряда, образующие бесконечную

 

 

последовательность; an

− общий член ряда. Ряд задан, если

 

an f (n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды числовых

 

 

 

знакоположительный, если an 0 .

 

 

 

рядов

Ряд

an

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ряд

an ,

 

содержащий бесконечное

множество

положи-

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тельных и бесконечное множество отрицательных членов,

 

называется знакопеременным.

 

 

 

 

 

 

 

Ряд a a

 

a

 

...

1 n 1a

 

...

 

 

 

2

3

n

1 n 1a

n

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

знакочередующийся , где an 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Частичные

 

S1 a1,

S2

a1 a2 ,…

 

 

 

 

 

 

суммы ряда

 

Sn a1

a2

... an n частичная сумма ряда

 

 

Сходимость и

Если

lim Sn

S, то ряд называется

сходящимся,

а S

сумма ряда

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

суммой ряда, в противном случае − ряд расходящийся

 

 

Свойства рядов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Если

an

сходится и его сумма равна S , то can , где c

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

− произвольное число, также сходится и его сумма равна сS .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

и S

 

2. Два сходящихся ряда an и

bn

с суммами

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bn

 

можно почленно складывать или вычитать. Ряд an

 

сходится и имеет сумму S S .

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Если у сходящегося (расходящегося) ряда отбросить

 

конечное число его членов, то полученный ряд также будет

 

сходится (расходится)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

104

 

Признаки сходимости

Необходимый признак сходимости числового ряда

 

сходится, то lim an

0.

Если an

n 1

n

 

Следствие. Если lim an 0, то

an расходится.

 

n

n 1

Достаточные признаки сходимости знакоположительных рядов

Название

 

 

 

 

 

 

 

Определение

 

 

 

Если an bn n,

то:

 

 

 

 

 

Первый

 

 

 

 

 

 

 

 

сходимость ряда

 

1) из сходимости ряда

bn

an ;

признак

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

n 1

сравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) из расходимости ряда an

расходимость ряда bn

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

n 1

 

Если lim

an

c

0 c , то:

 

 

 

 

 

 

 

n b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) при 0 c

 

 

 

 

 

 

Второй

an

и

bn

сходятся и

расходятся

одновременно;

 

 

n 1

 

n 1

 

 

признак

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сравнения

2) при с 0 из сходимости

 

 

 

 

 

 

bn сходимость

an ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

n 1

 

3) при с из расходимости

 

 

 

 

bn расходимость an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

n 1

Признак

 

lim

an 1

 

p

 

 

 

 

p 1,рядсходится;

Даламбера

 

 

 

 

 

 

 

n an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p 1,рядрасходится;

Радикальный

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

признак

lim

an

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p 1,признакне работает

Коши

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть f x − положительная, непрерывная и убывающая

Интеграль-

функция на 1, ,

такая, что a1 f 1,

a2 f 2,...,an f n,...,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f x dx

ный признак

Если соответствующий несобственный интеграл

Коши

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сходится (расходится), то и ряд

an

сходится (расходится)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

105

Рекомендации к использованию признаков сравнения

 

Ряды-эталоны

 

 

 

 

Сходимость рядов

 

 

П р и м е р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

сходится

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

 

1, ряд сходится;

 

 

 

 

 

 

 

Геометрическая

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

aqn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прогрессия

n 1

 

 

 

 

 

q

1, ряд расходится

 

 

(q

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

расходится

 

Обобщённый

 

 

1

 

 

 

1,

ряд сходится;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гармонический

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 1,

ряд расходится

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ряд

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

Рекомендации к использованию признака Даламбера

 

 

Признак целесообразно применять, когда общий член содержит

n!(n ! 1 2 3 4 ... n

n-факториал). При n для приближенного

n

вычисления n! используется формула Стирлинга: n! 2 n n .

e

Сходимость знакопеременных рядов

Виды

 

 

 

 

 

Определение

 

сходимости

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Абсолютная

 

 

 

 

 

 

 

сходимость

Знакопеременный ряд

an сходится абсолютно, если ряд

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

an

, составленный из абсолютных величин, сходится

 

n 1

 

 

 

 

 

 

Условная

 

 

 

 

 

 

 

сходимость

Знакопеременный ряд

an сходится

условно, если сам он

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

сходится, а ряд

an

 

расходится

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

Достаточный

 

Теорема (признак Лейбница). Знакочередующийся ряд

признак

 

 

 

сходимости

1 n 1an сходится, если:

 

для

n 1

 

 

 

1) последовательность абсолютных величин членов ряда

знакочередую-

 

монотонно убывает, т.е. n:an an 1;

2) lim an 0

щегося ряда

 

 

 

 

 

 

 

n

106

 

 

Степенные ряды. Основные понятия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

понятия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Понятие

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

степенного

a0 a1(x x0) ... an(x x0)n ... an (x x0)n степенной

ряда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ряд,

 

разложенный

 

 

по

 

 

степеням

 

 

x x0 ,

где

 

постоянные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0,a1,...,an,..., – коэффициенты ряда; x R − действительная

 

переменная;

x0 − некоторое постоянное число

 

 

 

 

 

 

 

Сходимость

Область сходимости – множество всех точек

сходимости.

степенных

Областью сходимости

 

служит

 

промежуток

x0

R,x0

R ,

рядов

дополненный, быть может, его концами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Число R радиус сходимости. Если ряд сходится во

всех

 

точках,

то R .

Радиус сходимости определяют по формуле:

 

R

 

 

1

 

 

 

 

 

илиR lim

 

 

an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim n

 

an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойства

1.

Сумма степенного ряда − непрерывная функция в интервале

степенных

сходимости x0 R,x0

R .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рядов

2.

Степенные ряды

 

 

 

 

 

(x x

 

 

 

)n

 

и

 

 

 

 

 

)n

внутри

 

a

n

0

 

b (x x

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

интервала сходимости можно почленно складывать, вычитать и

 

умножать.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

Степенной ряд внутри интервала сходимости можно почленно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d(x x

0

)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дифференцировать:

an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nan (x x0)n 1 .

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Степенной ряд внутри интервала сходимости можно почленно

 

интегрировать: x x0 R,x0 R .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

n

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

 

an t

x0 dt

 

 

n

x x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 0 x0

 

 

 

 

 

 

n 0n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды

Ряд Тейлора для бесконечно дифференцируемой функции

f (x)в

степенных

окрестности точки x a :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рядов

f (x) f a

f a

x a

f a

x a 2

...

 

f n a

x a n ...

 

 

1!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

Ряд

 

Маклорена

частный

 

 

 

случай

 

 

ряда

 

Тейлора

при

 

x 0: f (x) f 0

 

f 0

x

f 0

x2

...

 

f n 0

xn

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1!

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

107

Окончание таблицы

Основные

 

 

 

 

 

 

Определение

 

 

 

 

понятия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сходимость

Представим функцию в виде:

f (x) Sn (x) Rn(x),

 

 

 

функции к

где Sn(x) f a

f a

x a

f a

x a 2 ...

f

n

a

x a n ;

ряду Тейлора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1!

 

2!

 

 

 

n!

 

 

Rn (x)

f (n 1) (c)

(x a)n 1,c a,x

остаточный

 

член

в форме

 

 

 

 

 

(n 1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лагранжа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема.

 

Ряд

Тейлора

 

сходится

 

к

функции

 

f (x) lim R

n

(x) 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разложение элементарных функций в ряд Маклорена

Разложение

Область

сходимости

 

 

ex

1 x

x2

 

x3

 

...

 

xn

 

...

 

 

 

x R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

3!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

x5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

x2n 1

 

 

 

 

sinx x

 

 

 

 

 

 

 

... 1

 

 

 

 

 

 

...

x R

3!

5!

2n 1!

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

x4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

x2n

 

 

 

 

 

cosx 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

... 1

 

 

 

...

x R

2!

 

 

 

 

 

4!

 

 

2n !

ln 1 x x

 

 

x2

 

 

 

x3

 

 

 

x4

 

... 1 n 1

xn

...

x 1,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

3

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 1,1 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

если m 0;

1 x m 1 mx

 

m m 1

x2

 

m m 1 m 2

x3 ...

x 1,1 ,

 

если

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2 3

 

 

 

1 m 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 1,1 , если

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m 1

arctg x x

x3

 

 

 

x5

 

 

... 1 n 1

 

x2n 1

 

...

x 1,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n 1

 

 

 

1

1 x x2

x3

 

... 1 n xn ...

x 1,1

1 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

108

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]