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

umm_2001

.pdf
Скачиваний:
25
Добавлен:
17.05.2015
Размер:
668 Кб
Скачать
☆

Замечание

Большое практическое значение имеет свойство знакочередующегося ряда, удовлетворяющего условиям признака Лейбница: для знакочередующегося ряда его сумма не превышает по абсолютной величине первого члена ряда S ≤u1 , а Rn ≤un+1 , где Rn – остаток ряда и Rn = S − Sn , un+1 – абсолютная величина первого из отброшенных членов ряда.

Сформулируем основные положения, которые позволяют решить вопросы о сходимости знакочередующихся рядов.

Правило исследования знакочередующегося ряда:

∞

1) ряд ∑(−1)n+1un , un > 0 (*) исследуется по признаку Лейбница;

n=1

2) если ряд (*) сходится,

то исследуется ряд из абсолютных величин

∞

 

∑un (**):

 

n=1

 

а) если ряд (**) сходится, то ряд (*) сходится абсолютно;

б) если ряд (**) – расходится, то ряд (*) сходится условно;

3) если limun ≠ 0 , то ряд

(*) расходится по достаточному признаку

n→∞

 

расходимости.

 

3. Степенные ряды

Напомним, что ряды бывают числовые и функциональные. Мы будем рассматривать только частный вид функционального ряда, который называется степенным рядом. Дадим определение.

+∞

Ряд вида a0 + a1(x − x0 ) + a2 (x − x0 )2 +...= ∑аn (x − x0 )n (*),

n=0

где a0 ,a1,a2 ,..., an ,...– постоянные коэффициенты, называется степенным рядом.

В частности, если x0 = 0 ,

то степенной ряд (*) принимает вид

∞

 

∑an xn = a0 + a1x + a2 x2 +...

(**).

n=0

 

11

Когда говорят о степенном ряде, то исследуют область сходимости данного ряда, т. е. находят те значения x , при которых ряд сходится.

Теорема Абеля

Если степенной ряд (**) сходится при x=x0, то он будет сходиться для всех x таких, что x < x0 . Если степенной ряд (**) расходится при x=x0, то он будет расходиться при любом x: x > x0 .

Теорема об интервале сходимости

Для любого степенного ряда вида (**) существует интервал (−R, R) , та-

кой, что во всех точках этого интервала ряд сходится абсолютно, а в точках,

для которых x > R , ряд расходится.

Симметричный относительно начала координат интервал (−R, R) назы-

вают интервалом сходимости степенного ряда, R – радиусом сходимости. Область сходимости степенного ряда – это интервал сходимости (−R, R) с

возможным присоединением концевых точек.

Радиус сходимости степенного ряда можно найти с помощью признака Даламбера.

В точках x = R, x = –R ряд может как сходиться, так и расходиться. Поэтому, чтобы уточнить область сходимости степенного ряда следует дополнительно исследовать сходимость на концах интервала сходимости.

Пример

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

(xn+1)

n

Найти интервал сходимости ряда ∑

, исследовать сходимость на

концах интервала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

3 n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначим un =

 

(x +1)n

 

,

un+1

=

 

(x +1)n+1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

3

n+1

(n +1)

 

 

 

3 n

 

 

 

 

 

 

12

13

Найдем lim

 

un+1

 

= lim

 

 

 

x +1

 

n+1 3n n

=

 

 

x +1

 

 

lim

n

 

 

=

 

x +1

 

 

.

По при-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 3n+1 (n +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

un

 

n→∞

x

+1

3

 

 

 

 

n→∞ n +1

 

 

3

 

 

 

 

знаку Даламбера при

 

 

x +1

 

 

<1

 

ряд сходится. Тогда

 

x +1

 

<3

, −3 < x +1

<3, и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

интервал сходимости −4 < x < 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исследуем сходимость на концах найденного интервала:

x = −4

. Подста-

вим данное x в наш

 

степенной ряд и получим

 

следующий

числовой ряд:

∞

 

3)

n

∞

 

n

. Это знакочередующийся ряд с общим членом un =

(−1)

n

∑(−n

 

= ∑(−1)

 

; по

n=1

3

n

n=1

n

 

 

n

 

признаку Лейбница ряд сходится условно, так как выполняются оба условия:

члены ряды убывают: 1 > 1

> 1 >... и

lim 1 = 0. Следовательно, точка x = −4

 

2

3

n→∞ n

входит в область сходимости ряда.

 

х = 2. При подстановке в степенной ряд получим знакоположительный

∞

1 . Это гармонический расходящийся ряд, поэтому точка х = 2 не входит

ряд ∑

n=1

n

 

 

в область сходимости ряда.

Ответ: область сходимости степенного ряда: [−4; 2).

4. Ряд Тейлора. Ряд Маклорена. Их применение в приближенных вычислениях

Если функция y = f (x) имеет производные любого порядка в точке x0 и

в ее окрестности, то для этой функции можно составить ряд Тейлора:

f (x) = f (x ) +

f ′(x0 )(x − x0 )

+

 

f ′′(x0 )

(x − x )2

+... .

 

 

 

0

 

1!

 

 

 

2!

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если x0 = 0 , то получаем ряд Маклорена

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) = f (0) +

f ′(0)x

+

 

f ′′(0)

x2

+... .

 

1!

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

Ряды Тейлора можно использовать для приближенных вычислений значений функций, определенных интегралов, а также при решении дифференциальных уравнений.

Запишем ряды Маклорена для некоторых элементарных функций и области сходимости этих рядов:

sin x = x −

x3

 

+

 

x5

−... +(−1)

n−1

 

 

 

x2n−1

 

 

 

 

+...

3!

 

5!

 

 

 

(2n −1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos x =1 −

 

x2

+

 

x4

−... + (−1)

n

 

 

x2n

 

+...

 

 

 

 

2!

4!

 

(2n)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ex =1+ x +

x2

 

 

 

+... +

xn

+...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 + x)m = 1 + mx + m(m −1) x2

+...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ m(m −1)...(m −(n −1)) xn +...

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

 

x5

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

x2n−1

 

 

 

 

 

arctgx = x −

 

 

+

 

−... + (−1)n−1

 

 

 

+...

 

 

 

 

5

 

2n −1

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln(1+ x) = x −

 

 

 

x2

 

+

 

x3

−... + (−1)

n−1

 

 

xn

 

+...

 

 

 

2

 

 

3

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( −∞;+∞);

( −∞;+∞);

( −∞;+∞);

(−1;1) ;

[−1;1];

(−1;1].

Решим задачу вычисления интеграла ∫b

f (x)dx .

Если подынтегральную

 

 

 

a

 

 

 

 

функцию

f (x)

можно

разложить

в

степенной

ряд:

f(x) = c0 + c1x + c2 x2 +... + cn xn +..., сходящийся в некотором интервале (−R; R),

иесли отрезок[a;b] принадлежит этому интервалу, то имеет место равенство

∫b

f (x)dx = c0 x

ba + c1

x2

 

ba +...

 

2

a

 

 

 

 

Поэтому для вычисления данного интеграла с заданной степенью точно-

сти достаточно найти сумму числового ряда, стоящего в правой части послед-

него равенства, с заданной точностью. Рассмотрим на конкретном примере

применение рядов Маклорена для приближенного вычисления интегралов.

14

Пример

Вычислить с точностью 10−2 интеграл ∫1 e−x2 dx .

0

Решение

Используя разложение в ряд функции ex и заменив x на (−x2 ) , запишем ряд Маклорена для нашей подынтегральной функции:

 

 

 

 

 

 

e−x2

=1 − x2 +

x4

−

x6

+

x8

−...,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

3!

4!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

3

 

 

5

 

 

7

 

 

9

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

x

 

x

 

x

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

1

 

1

 

∫e−x

dx = x −

 

+

 

−

 

+

 

 

−...

 

 

=1−

+

−

+

−... =

3

2! 5

3! 7

4! 9

 

 

3

10

42

216

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1 −0,333 + 0,1 −0,024 + 0,005 −...

Так как пятый член знакочередующегося числового ряда меньше заданной точности, т. е. 0,005 < 0,01, то достаточно оставить 4 слагаемых.

В итоге с точностью до 10−2 получим

∫1 e−x2 dx ≈1 −0,333 + 0,1 −0,024 = 0,74.

0

Часто в задачах прикладного характера приходится рассматривать дифференциальные уравнения, решения которых не являются элементарными функциями или не находятся известными методами. Тогда решения находят в виде разложения функции в степенной ряд. Рассмотрим метод последователь-

ного дифференцирования.

Пусть требуется найти приближенное решение дифференциального уравнения y′= f (x, y) , удовлетворяющее начальным условиям y(x0 ) = y0 . Обозна-

чим через y(x) это решение. Представим искомое решение в виде ряда Тейлора

по

степеням разности

x − x :

y(x) = y(x

) +

y′(x0 )

(x − x

) +

y′′(x0 )

(x − x

)2 +... ,

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

1!

 

0

 

2!

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

y(x

),

y′(x0 )

,

y′′(x0 )

– постоянные коэффициенты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1!

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

Начальные условия определяют первый из коэффициентов ряда y(x0 ) = y0 .

Подставив в правую часть уравнения x = x0 , найдем y′(x0 ) = f (x0 , y0 ) . Для оты-

скания y′′(x0 ) дифференцируем заданное уравнение по аргументу

x и вновь

подставляем в полученное равенство x = x0 . Продолжая процесс,

найдем ос-

тальные коэффициенты разложения функции в ряд.

 

Пример

Представить в виде степенного ряда решение дифференциального урав-

нения y′ =3xy −e2 x , удовлетворяющее начальным условиям y(0) =1, взяв пер-

вые четыре ненулевых члена ряда.

Решение

Запишем решение дифференциального уравнения в виде степенного ряда,

учтя начальное условие x0 = 0 :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

y′′(0)

 

2

 

 

y′′′(0)

 

3

 

 

 

 

 

′

 

 

 

0

 

y = y(0) +

y (0)x +

 

 

 

 

 

x

 

 

+

 

 

x

 

+...,

y(0) =

1, y (0) =3

0 1 − e

 

= −1.

 

 

2!

 

 

 

 

 

3!

 

 

Для нахождения

y

′′

 

 

 

 

 

продифференцируем обе части исходного уравне-

(0)

 

 

ния по переменной x и получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

′′

=3y

+3x y

′

−2e

2 x

,

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

−2 =1. Далее поступаем аналогично с

 

 

 

 

 

 

 

y (0) =3

третьей производной y

′′′

=

3y

′

+

3y

′

+3xy

′′

− 4e

2 x

,

y

′′′

= −10.

 

 

 

 

 

 

 

(0) = −6 −4

 

 

Подставим найденные значения коэффициентов в ряд. Тогда приближен-

ное

решение

 

 

будет

 

 

 

 

 

иметь

 

 

 

вид:

 

y(x) ≈1 − x +

 

x2

 

10x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

3!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(x) ≈1 − x +

 

x2

−

5x3

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задания для контрольной работы № 7

341-350. Исследовать на сходимость знакоположительный ряд.

∞

9n

 

 

∞

(n +1)(n + 2)

 

341. ∑

 

 

.

342. ∑

n

.

(n + 2)!4

n

n=1

 

 

n=1

3

 

16

 

∞

 

2n +3

 

 

343.

∑

 

 

.

n

3

 

 

 

n=1

+3n + 7

 

 

∞

 

10

n

 

 

345.

∑

 

 

 

.

 

(n +

2)!

 

 

n=1

 

 

 

∞

(n +n3)! .

 

347.

∑

 

 

n=1

 

6

 

 

 

 

 

∞

 

 

1 .

 

 

 

349.

∑n +n

 

 

 

 

n=1

2

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

3n

2

− 2

 

344. ∑

 

 

 

 

 

.

 

 

 

3

 

+ 27n +10

 

n=1 3n

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

5

n

 

 

 

 

 

 

 

346.

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

(n + 4)!

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

4

n

 

 

 

 

 

 

 

348.

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

3)!

 

 

n=1 (n +

 

 

 

∞

(n

3

+ 2) .

 

350. ∑

 

 

 

 

n=1

(n +3)!

 

 

 

 

351-360. Исследовать на условную и абсолютную сходимость знакочередующийся ряд.

 

∞

 

80

n

 

351.

∑(−1)n

 

 

 

.

(n +

2)!

 

n=1

 

 

 

∞

n

3n +1

 

353.

∑(−1)

 

 

 

 

 

.

 

 

 

4

n+2

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

2n +1

 

355.

∑(−1)n

 

.

 

 

 

 

n=1

 

 

(n +3)!

 

∞

 

 

2n −1

 

 

357.

∑(−1)n

 

.

 

 

 

n=1

 

 

(n +1)!

 

359. ∑∞ (−1)n n22+n 4 .

n=1

∞

 

 

 

 

 

 

2

n

 

 

 

 

 

352. ∑(−1)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

n=1

 

 

3 (2n +

 

∞

 

 

 

 

 

n+3

 

 

 

 

 

354. ∑(−1)n

3

 

 

 

 

 

 

 

.

 

(n + 2)!

 

n=1

 

 

 

 

∞

n

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

356. ∑(−1)

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

n

3

−

1

 

 

 

 

n=2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

358. ∑(−1)n

 

 

 

.

 

2

n+1

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

n

2

+1

 

 

 

 

360. ∑(−1)n

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

(n +3)!

 

 

361-370. Найти область сходимости степенного ряда.

∞

 

 

n

 

 

∞

 

(x + 2)

n

 

 

361. ∑

(x n−1)2 .

 

362. ∑

 

 

.

 

 

 

n

5)

 

n=1

 

2 n

 

 

 

n=1

4 (3n +

 

 

∞

 

 

1)

n

 

∞

 

(x +3)

n

 

 

363. ∑(x +n

.

 

364. ∑

 

 

.

 

 

 

 

n

5)

 

n=1

3 n

 

 

n=1

4 (3n +

 

 

∞

(x +5)n (n −1)

 

∞

 

 

(x − 4)n

 

 

365. ∑

 

 

 

n

.

366. ∑

 

 

 

 

 

 

.

 

 

4

2

n

(3n

2

− 2)

n=1

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

17

 

∞

 

 

 

n

 

∞

n

n .

 

367.

∑(n −2)(x −3)

.

368.

∑(x +3)n

 

 

n=1

6n −4

 

 

n=1

3

 

 

 

 

∞

 

n

 

 

 

∞

(x +

9)

n

 

369.

∑(x −7)n

 

n .

 

370.

∑

 

.

 

 

n

 

6)

 

n=1

7

 

 

 

 

n=1

8 (3n +

 

371-380. Вычислить определенный интеграл с точностью до 10−3 .

 

0,2

0,5

 

1

 

373. ∫3 sin x2dx .

371.

∫e−x3 dx .

372. ∫cos x2dx .

 

0

0

 

0

 

1

0,25

 

0,5

374. ∫x4 cos xdx .

375. ∫ xe−xdx .

376.

∫ x2 cos xdx .

 

0

0

 

0

 

0,5

0,5

 

0,5

377.

∫ x2e−xdx .

378. ∫cos x3dx .

379.

∫ xcos x dx .

 

0

0

 

0

 

0,2

 

 

 

380.

∫ x2 sin xdx .

 

 

 

 

0

 

 

 

381-390. Представить в виде степенного ряда решение дифференциального уравнения, удовлетворяющее данным начальным условиям (для уравнения первого порядка найти четыре ненулевых члена ряда, для уравнения второго порядка – пять членов).

381.

y

′′

= x

2

′

′

=5 .

 

 

y − y ,

y(0)=1, y

(0)

382.

y′= y2 + x3 ,

y(0)=0,5.

 

 

383.

y′′ = yex +1,

y(0)=2,

y′(0)=1.

384.

y′ = y + x2 y ,

y(0)=1.

 

 

385.

y′ = x2 + y2 ,

y(0)=1.

 

 

386.

y′= xy −1,

y(0)=1 .

 

 

387.

y′= e2 x − y ,

y(0)=0.

 

 

388.

y′= y + xy ,

y(0)=1.

 

 

389.

y′= e2 x + y ,

y(0)=0.

 

 

18

390. y′= x + y2 ,

y(0)=1.

II. ФУНКЦИИ ДВУХ ПЕРЕМЕННЫХ

1.Понятие функции двух переменных, область определения и геометрическое изображение

Переменная z называется функцией двух переменных x и y, если каждой упорядоченной паре чисел (x; y) из некоторого множества пар D по определенному правилу поставлено в соответствие единственное значение переменной z. При этом переменные x и y называются независимыми переменными (или аргументами), а переменная z – функцией. Обозначение функциональной зависимости между x, y и z имеет вид: z = f (x; y) .

Графиком функции z = f (x; y) двух переменных называется множество точек пространства, координаты которых имеют вид: (x; y; z), где x – абсцисса, y – ордината, z – аппликата.

Впрямоугольной декартовой системе координат Oxyz графиком является

вобщем случае поверхность.

Множество всех пар (x, y) называется областью определения функции,

а множество значений, принимаемых z в области определения, называется

множеством значений функции.

Некоторые условия нахождения области определения функции :

 

 

 

f (x, y) f (x, y) ≥ 0 ;

 

 

 

 

loga ( f (x, y)) f (x, y) > 0 ;

 

 

 

 

1

f (x, y) ≠ 0 .

 

 

 

 

 

f (x, y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1

 

 

 

 

 

 

 

Найдите

область

определения

функции

двух

переменных

z(x; y) = 1+ y − x2 −ln(1− y − x2 ) .

19

Решение

Областью определения функции z(x; y) = 1 + y − x2 −ln(1 − y − x2 ) явля-

ется множество точек плоскости Оху, значения координат которых удовлетворяют системе неравенств

 

− x

2

+ y ≥ 0

,

 

2

−1

(*),

1

 

y ≥ x

 

 

− y − x2 > 0

,

 

 

 

(**).

1

y < −x2 +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим сначала неравенство (*). Ему будет соответствовать уравне-

ние y = x2 −1, которое определяет параболу с вершиной в точке (0;−1) , ее ветви направлены вверх (см. рис. 1.). Парабола делит координатную плоскость на две части: внешнюю и внутреннюю. Для одной из них y > x2 −1, для другой – y < x2 −1 (на самой параболе y = x2 −1). Чтобы установить, какая из этих частей состоит из точек, для которых y ≥ x2 −1, достаточно проверить это условие для какой-нибудь одной точки, например для точки (0;1) . Подставив ее координаты в неравенство (*), получим верное числовое неравенство 1 ≥ 0 −1. Следовательно, эта точка (она лежит во внутренней части) и подобные ей дают геометрическое изображение области, определяемой неравенством (*), причем точки параболы также принадлежат этой области. Рассуждая аналогично с неравенством (**), получим, что оно определяет часть плоскости, расположенной внутри пара-

болы y = −x2 +1, точки самой параболы в область определения не входят. В та-

ких случаях мы будем соответствующую линию изображать пунктиром.

Рис. 1 20

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]