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

Higher_Mathematics_Part_3

.pdf
Скачиваний:
304
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
9.11 Mб
Скачать

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 10. Find the sum of the series nxn1 ( | x |< 1).

 

 

 

 

Solution. It is needed to find a sum

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S(x) = 1+ 2x + 3x2 + 4x3 + …+ nxn1 + … .

 

 

 

 

We’ll consider a geometrical series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ x + x2 + x3 + …+ xn + ….

It

is

 

convergent

 

for

| x |< 1,

thus its

 

sum

S (x)

=

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

We use the property of term-by-term differentiation of power series and get

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S(x) =

(S (x))

=

 

1

=

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1x

 

 

 

 

 

 

 

Example 11. Expand the functions into Maclaurin’s series:

 

 

 

 

а) f (x) = ex ; b) g(x) = x2e2 x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. а) Function

f (x) = ex

is

infinitely

 

differential,

thus

ex = (ex )′ =

= (e

x

)

′′

= …= (e

x

)

(n)

for

arbitrary n N.

Therefore

 

 

= f (0)

′′

= …

 

 

 

 

f (0) = f (0)

 

... = f (0)(n) = 1 and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ex

= 1

+

x

+

x2

 

+

x3

+ …+

xn

+ … .

 

(2.12)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1!

2!

 

3!

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

We’ll find the radius of convergence of this series:

R = lim

 

an

 

 

(n + 1)!

 

= lim(n + 1) = ∞.

 

 

= lim

 

 

a

n!

 

n→∞

 

n→∞

 

n→∞

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Thus a series converges in an interval (−∞; ).

x (r; r) , where r

 

It remains to prove that lim Rn = 0.

For all

is any

 

 

n→∞

 

 

 

positive number, inequality

 

f (n) (x)

= ex

< er = M

is fulfilled.

 

Then by the theorem 2 lim Rn = 0.

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

Consequently, at any

interval (r; r) (−∞; ), that is at the

interval

(−∞; ), the function ex is expanded into Maclaurin’s series by the formula (2.12).

b) To expand the function

g(x)

into Maclaurin’s series, we replace x by

2x in a formula (2.12) and multiply a result by x2, then we’ll get

 

g(x) = x

2

e

2x

= x

2

 

2x

 

(2x)2

 

(2x)3

 

(2x)n

 

 

 

 

 

1+

 

+

 

+

 

+ …+

 

+ …

=

 

 

 

1!

2!

3!

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

51

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

= x

2

+

2x3

+

22 x4

+

23 x5

+ …+

2n xn+1

+ … .

 

1!

2!

3!

n!

 

 

 

 

 

 

 

This series converges to the given function on the whole numerical line. Example 12. Expand the functions into Taylor’s series in powers of x 1 :

 

а)

f (x) =

 

 

 

1

 

; b)

 

g(x) =

 

 

 

 

 

 

1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x + 2

 

(x + 2)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. а) Let

 

x 1 = t,

 

then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

1

 

 

=

 

 

 

 

1

 

 

=

1

 

 

1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x +

 

 

 

 

t

+ 1+ 2

 

 

 

 

+ t

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

3

3

1+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Using formula 7 (Table 2.2) we get

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

n t

n

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

tn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

= (1)

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

3n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+

 

 

 

 

 

 

3 n=0

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

After replacement

 

t

 

 

 

by

 

 

x 1 , we’ll obtain a final answer

=

 

 

 

 

x + 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

3

 

 

x 1

 

(x 1)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n (x 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n (x

1)

 

 

 

 

 

 

+

 

− …+ (1)

 

 

+ …=

(1)

 

.

 

 

 

 

 

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

+1

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This equality is true if

 

 

 

 

x 1

 

 

< 1( 2 < x < 4 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b)

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

 

 

 

 

 

. We use the property of term-by-term differentiation

 

(x + 2)

2

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

of a power series and get

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

x

1

 

 

 

(x 1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n (x 1)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

−…+ (1)

 

 

 

 

 

 

 

+ … =

 

 

 

 

 

 

 

 

(x +

2)

2

3

 

 

 

 

2

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2(x 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n n(x 1)n1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= − −

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−…+ (1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ … =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)n+1

 

 

 

 

 

 

n1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

n(x 1)

 

 

 

 

, x (2; 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 13. Expand the function f (x) = arctg x

into Maclaurin’s series.

 

Solution. Replacing in a formula 7 (Table 2.2) x by x2 , we’ll write down an equality

52

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

 

1

 

= 1x2 + x4 x6 + …+ (1)n x2n + …, x (1; 1) .

 

1+ x2

 

 

 

 

 

 

We use the property of term-by-term integration of power series and get

x

dt

 

x

x

x

x

x

 

= dt t2 dt + t4 dt t6dt + …+ (1)n t2n dt + … .

2

0

1+ t

0

0

0

0

0

or

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arctg x = x

x3

+

x5

x7

+…+ (1)n

 

+… .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

5

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This equality is true for

 

x = ±1 too. So the series converges for

x [1; 1] .

Example 14. Expand the function

f (x) = ln(x2 + 3x + 2) into Maclaurin’s

series.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. We shall transform logarithmic function

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln(x2 + 3x + 2) = ln(x + 2)(x + 1) = ln(x + 2) + ln(x + 1) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

+ ln(1+ x) = ln 2 + ln

 

 

 

x

 

 

 

 

 

(1+ x).

 

 

 

 

 

 

 

= ln 2 1

+

 

 

 

1

+

 

 

 

 

+ ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

We use the expansion 4 (Table 2.2) for logarithmic functions ln

1+

 

and

2

ln(1+ x). Then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1 xn

 

 

 

 

 

 

 

 

ln(x

 

+ 3x + 2) = ln 2 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

− …

+

 

(1)

 

 

 

 

 

 

 

+ …

+

 

 

 

2

 

2

2

 

 

 

 

2

3

 

 

 

 

n

2

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

n+1

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

x

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

(

 

 

 

)

 

x

 

 

 

 

 

+ x

 

 

+

 

 

 

 

 

− …+ (1)

 

 

 

 

 

 

 

 

+ …

= ln 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

2

 

3

 

 

 

 

n

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

(

 

)

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

1

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

= ln 2 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 1 x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n

 

2

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Let’s find the domain of convergence of this series. Maclaurin’s series for

 

 

x

 

x

 

 

 

2 < x 2,

 

function

ln 1+

 

converges at 1 <

 

1,

i. e

and a series for

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

ln(1+ x)

converges on an interval

1 < x 1.

Then the received expansion is

convergent for

1 < x 1, i.e. for

those x,

at

which both

series converge

simultaneously.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 15. Expand the function f (x) =

 

x2

 

into Maclaurin’s series.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 + x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

53

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Solution. We shall transform function

 

f (x)

 

so:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

=

x2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 + x

2

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

1+

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Using the formula 6 (Table 2.2) for

 

m = −0,5,

 

we’ll expand the function

1

 

 

= (1+ t )

1

 

into a series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 1

 

+ −

 

 

 

 

t +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

+

 

 

 

1+ t

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

...

 

 

 

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

2

 

2

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+…+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

+ ... =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 3

 

 

 

 

 

1 3 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 3 ... (2n 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

= 1

1

t

+

 

 

 

 

t2

t3 +

... + (1)n

tn + ... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

22 2!

 

 

 

 

23 3!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

We replace t

by

 

 

x2

 

in this equality and get

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1 3 ... (2n 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

= 1

x2

+

 

 

1 3

 

x

4

 

 

1 3 5

 

x

6

+ ...+

(

1

 

x

2n

+ ....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

1+

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

 

 

 

18 2!

 

 

 

 

 

18 3!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Finally the required expansion is

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

x4

 

 

 

 

 

1 3

 

 

 

 

6

 

 

 

 

1 3 5

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

x

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

+ ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 + 9

3

 

 

18

 

 

 

 

 

2

 

2!

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

3!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1 3 ... (2n 1)

x

2n+ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...+ (1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ ...

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

n

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

Domain

of

 

 

 

 

convergence

 

 

of

 

the

 

series

 

is

 

 

the

interval 1 <

1 , or

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 < x 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 16. Calculate

 

 

e

 

with accuracy ε = 0,001.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Using expansion of the function receive

1

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

1

e = e

2

= 1

+

 

 

+

 

 

+

2

1!

 

 

 

 

 

 

 

 

22

2! 23 3!

54

ex into Maclaurin’s series we

+ …+ 2n1n! + … .

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Let’s define such n at which an error of the approximate equality

e 1+

1

+

1

+

1

 

+ …+

1

 

2 1!

22 2!

23 3!

 

2n n!

 

doesn’t exceed the set accuracy. For this purpose we’ll estimate the remainder

 

 

 

 

 

 

rn

 

=

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

+ …=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n+1 (n + 1)!

 

2n+ 2 (n + 2)!

2n+3 (n + 3)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ …

<

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(n

+ 2)

2

2

(n

 

+ 2)(n

+ 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(n + 1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

+

=

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(n + 2)

 

2

(n + 2)

2

2

3

(n +

2)

3

 

 

 

 

2

 

 

 

(n + 1)!

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(n + 2)

=

 

 

 

 

 

 

n + 2

.

 

2n+1 (n + 1)!

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

+1 (n + 1)!

 

 

 

 

 

2n (2n + 3)(n + 1)!

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n + 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(n + 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The

inequality

 

 

rn <

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n + 2

 

 

 

 

 

 

 

 

< 0,001

 

is

carried

out

starting with

 

 

2n (2n + 3)(n + 1)!

 

 

n = 4. So,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e 1+

 

 

 

1

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

1

 

+

 

 

 

1

 

 

 

+

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 1!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22 2! 23

3! 24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ 0,5 + 0,125 + 0,0208 + 0,0026 = 1,6484.

 

 

 

 

 

For calculation of logarithms we use the series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln(1+ x) = x

x2

 

 

+

 

 

x3

− …+ (1)

n1

 

xn

+ … ( 1 < x 1).

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

But it is slowly convergent. In practice the following formula is used:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

 

x5

 

 

 

 

 

 

 

 

x2n1

 

 

 

 

 

x (1; 1).

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2 x +

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+ …

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ … ,

 

(2.13)

 

 

 

 

 

1

x

 

 

 

3

 

5

 

 

2n

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The error of this formula is estimated by inequality

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| rn (x) |= 2

 

x2n+1

 

 

 

 

 

 

x2n+3

 

 

|x|2n+1

(1+ x2 + x4 + …) = 2

 

 

|x|2n+1

 

 

 

 

 

 

+

 

 

+ …

< 2

 

 

 

.

 

2n + 1

2n + 3

2n + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2n + 1)(1x2 )

Let’s

x =

 

1

 

 

 

 

,

 

 

t N

 

 

 

in

 

 

 

the

 

 

formula (2.13). We

 

get

 

the

formula for

2t + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

calculation of logarithms of natural numbers:

55

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

ln(t + 1) = ln t + 2

 

1

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

+

 

 

+ …+

 

 

+ …

(2.14)

2t + 1

3(2t + 1)

3

(2n 1)(2t + 1)

2n1

 

 

 

 

 

 

 

 

and

 

 

 

 

| rn (t) |<

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

2(2n + 1)t(t + 1)(2t + 1)2n1

 

Example 17. Calculate ln 2 with accuracy ε = 0,001.

 

Solution. In the formula (2.14) we put t = 1. We get

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln 2 = 2

 

 

+

 

 

 

 

+ …+

 

 

 

 

 

 

+

.

 

 

3

 

3

(2n 1) 3

2n1

 

 

 

 

 

 

 

 

3 3

 

 

 

 

 

 

By selection we define n so that the following inequality is true:

 

 

 

 

 

 

 

 

rn (1) <

 

1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4(2n + 1) 32n1

 

 

 

 

 

We have: r (1) <

 

1

 

=

 

 

1

, r (1) <

1

 

 

=

 

1

 

< 0,001.

 

4 5 33

180

4 7

35

 

6804

2

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

So, n = 3 and for calculation ln 2 the approximate equality is received

 

1

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln 2 2

 

+

 

+

 

 

 

 

2(0,3333 + 0,0123 + 0,0008) 0,693.

3

3

 

 

 

5

 

 

3 3

5 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 18. Calculate

 

ex2 dx with accuracy ε = 0,001.

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. The indefinite integral ex2 dx is not expressed through elemen-

tary functions. For calculation of integral we expand the integrand in power series and use the property of term-by-term integration of power series.

We receive

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

x4

 

x6

 

 

 

 

 

x2n

 

 

 

 

 

 

 

2

 

x2

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

e

 

dx =

1

x

 

 

+

 

 

 

 

 

+ …

+ (1)

 

 

+ … dx

=

 

 

 

 

 

 

2!

3!

 

n!

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

x5

 

 

 

x7

 

 

 

 

 

n x2n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

=

 

x

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ …+ (1)

 

 

 

 

 

 

 

+ …

 

=

 

 

3

 

5 2!

7 3!

 

(2n + 1) n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

=

1

 

1

 

+

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

+ …+ (1)n

 

 

 

 

 

1

 

 

 

+ ….

2

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23 3 25

2! 27 7 3!

 

 

 

22n+1 (2n + 1) n!

56

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

This series is alternating and satisfies conditions of Leibniz’ theorem. We use a corollary from this theorem and determine the least number n for which the following inequality is true:

1

 

< 0,001, or 22n+1 (2n + 1) n! > 1000.

22n+1 (2n + 1) n!

 

This inequality is fulfilled starting with n = 3. Therefore, we take the first three members of the series and obtain

1

 

1

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

2

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

e dx

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

0,5 0,0417 + 0,0031 0, 461.

2

2

3

3

 

5

5 2!

0

 

 

 

2

 

 

Example 19. Find the approximate solution of the Cauchy’s problem y′ = x2 + y3 , y(0) = 1 using the first four nonzero members of expansion of this solution in power series.

Solution. We’ll find the solution in the form of Maclaurin’s series

 

′′

 

y

′′′

 

(n)

(0)

 

 

y = y(0) +

y (0)

x +

y (0)

x2

+

(0)

x3... +

y

 

xn + ... .

 

 

 

 

3!

 

 

 

 

1!

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

n!

 

From the condition of the task we can find the first two coefficients

y(0) = 1,

y(0) = 02 + 13 = 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

We differentiate the initial equation

y′′ = 2x + 3y2 y.

 

 

 

Then we substitute x = 0, y(0) = 1

and

y(0) = 1 into this equation and get

the factor y′′(0) = 0 + 3 = 3. Now we pass to the equation

y′′′ = 2+ 3(2y(y)2 + y2 y′′).

Then y′′′(0) = 2 + 3(2 + 3) = 17.

So, the approximate

 

solution of

Cauchy’s

problem is defined by the formula

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y 1+ x + 32 x2 + 176 x3. This formula is more precise if x tends to zero.

Micromodule 2

CLASS AND HOME ASSIGNMENTS

Find the domain of convergence of functional series.

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

x

n

 

 

 

 

1.

 

 

 

.

2.

 

.

 

3.

 

 

 

 

.

 

 

2

 

 

4

 

1

 

 

 

 

 

2n

 

n=1 n

 

+ x

 

 

 

n=1 n

 

 

 

 

 

n=1

1

+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

x

n(n1)

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

 

 

.

 

 

5.

 

 

 

 

.

6.

 

 

 

 

 

 

.

 

nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

2

 

 

 

 

 

 

n=1

 

n!

 

 

n=1 n

 

(x

 

+ 2)

 

57

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

(1n) x

 

n

 

1

x + 1

n+1

7. e

 

.

8. n ln

 

x.

9.

 

 

 

 

.

 

 

 

 

n=1

 

 

n=1

 

 

n=1 n

x 1

 

Investigate the functional series for uniform convergence within the given interval.

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

10.

 

 

 

 

 

 

 

,

 

x (−∞; ).

5

n

+ x

2

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

12.

 

 

 

 

 

 

 

,

x (−∞; ).

 

 

 

2

x

2

 

n=1

1+ n

 

 

 

 

14.

 

 

+ 1)xn ,

x (1; 1).

(n

n=1

11.

cos nx6 ,

x (−∞; ).

 

 

 

 

 

n=1 n!+ x

 

13.

 

enx , x (0; ).

 

n=1

 

15.

x [0; ).

nxenx ,

n=1

Find the domain of convergence of power series.

 

 

n

 

 

 

 

 

x

n

 

 

 

 

 

 

 

 

x

n2

 

 

 

 

x

n

 

 

16.

x

.

 

 

 

 

 

17.

 

 

.

 

 

 

 

18.

 

.

19.

 

 

 

 

.

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1 n

 

 

 

 

 

n=1 4 n + 1

 

 

 

 

 

n=1

(2n + 1)!

 

n=1 n ln(n + 1)

 

 

(x 3)n

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

n

 

20.

 

 

 

 

 

.

21.

 

 

n

 

(x

+ 2)

 

.

 

22.

(2n + 3) 5

 

(x

1)

 

.

 

n2

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xn

 

 

 

 

 

 

 

 

x3n

 

 

 

 

 

 

 

2n2 1

 

n2

 

 

 

 

 

 

23.

 

 

 

 

 

 

 

.

24.

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

25.

 

x

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

5n

8

n

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n=0 2n

 

 

 

 

n=0

 

+ 1

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

Find the interval of convergence of power series.

n 1

n2

 

n

 

 

n

n2

x2n

(n!)2

 

n

 

26.

 

 

 

 

(x e)

 

.

27.

 

 

 

 

 

 

.

28.

 

 

x

 

.

n

 

 

 

2

n

(2n)!

 

n=1

 

 

 

 

 

n=1

n + 1

 

 

 

n=0

 

 

 

Find the sum of the power series.

29. n2 xn .

n=1

x

n

 

x

n+1

 

30.

 

.

31.

 

.

n

n!

n=1

 

n=1

 

Expand the given functions into Taylor’s series in powers of x x0 :

32.

1

, x = 2.

33.

1

,

x

= −1.

 

 

 

 

 

x

0

 

 

3x + 1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

34.

ln(x2 + 2x + 2), x = −1.

35.

1

 

,

x = −2.

(x + 3)2

 

 

 

 

0

 

 

0

36.

 

 

1

, x = −2.

37.

xe2x1,

x

= 1.

 

(x + 3)3

 

 

0

 

 

 

0

 

58

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Expand the given functions into Maclaurin’s series:

38.

2x cos2 x.

 

39.

 

x

.

 

 

 

 

 

40.

 

 

 

1

.

 

 

 

 

2x + 3

 

1

x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x 3

 

41.

 

 

 

.

42. ln(3 + 6x).

 

 

 

 

43. (1+ x2 )ex .

 

x2 + 3x + 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Evaluate the values of functions with accuracy ε.

 

 

 

 

44.

3 130,

 

 

ε = 0,0001.

 

 

 

 

45.

1

 

,

ε = 0,001.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 e

1

 

 

 

 

 

46.

cos10°,

ε = 0,0001.

 

 

47.

arctg

 

,

ε = 0,001.

 

 

3

48.

ln 3, ε = 0,0001.

 

 

 

 

49.

 

 

 

 

 

 

 

ε = 0,0001.

 

 

 

 

ln 0,98,

Evaluate the definite integrals with accuracy ε.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

50.

 

 

 

 

dx,

ε = 0,0001.

 

 

51.

 

cos x

 

 

dx,

ε = 0,0001.

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

52.

 

 

 

 

, ε = 0,001.

 

 

 

 

53.

 

 

 

 

 

 

 

 

,

ε = 0,001.

 

1+ x

4

 

 

 

 

 

 

1+ x4

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

Find the approximate solution of the Cauchy’s problem using the first four nonzero members of expansion of this solution in power series.

54.

y′ = xy + ey ,

y(0) = 0 .

55.

y′ = y3 + x

y, y(0) = 1.

56.

xy′ = x2 y2 y + 1, y(0) = 2.

57.

y′′ = yy′ − x2 , y(0) = 1, y(0) = 1.

Answers

1. (−∞; ). 2. (2πk; π + 2πk). 3. x ≠ ±1. 4. (0;). 5. [1; 1]. 6. (−∞; ). 7. (0;). 8.

(e1; e). 9. (−∞; 0]. 10. Uniformly convergent. 11. Uniformly convergent. 12. Uni-

formly convergent. 13. Is not uniformly convergent. 14. Is not uniformly convergent. 15. Is not uniformly convergent. 16. [1; 1]. 17. [1; 1). 18. [1; 1]. 19. [1; 1). 20. [1; 5).

21. x = −2. 22. (0,2; 0,2) . 23. (5; 5). 24. (2; 2). 25. [0,5; 0,5). 26. (0; 2e).

27. (2e;

2e). 28.

(4; 4). 29. x(x + 1) /(1x)3,

| x |< 1. Hint. Write this series as

 

n2xn =

= x2 n(n 1)xn2

+xnxn1 . Consider the series xn and use term-by-

n=1

n=1

 

n=1

n=0

 

 

 

 

59

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x 2)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

term

differentiation.

 

30.

 

ln |1 x | .

31.

 

xex ,

 

 

 

x R.

32. (1)n

, x (0; 4).

 

 

 

 

 

 

2

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3n (x + 1)n

 

 

 

5

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1 (x + 1)2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

33.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

34. (1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, x [2; 0]. 35. (1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

x

 

 

 

;

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n(x + 2)

 

 

 

2

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 3

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

n

+1

n(n 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1

(n +

2)

 

 

 

 

 

 

x (

3;

1).

36.

 

 

 

 

 

 

 

 

(x

+

2)

n2

 

 

 

 

 

− −

1).

37.

 

+

2

 

(x

1)

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, x (

3;

 

e 1

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22 x3

 

 

 

 

24 x5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22n x2n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x R.

 

38.

2x

 

+

 

 

− …+ (1)n

 

+ … x R.

39. x3n+1,

1 < x < 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

4!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2n)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2x)n

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

1

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1 2n xn

40.

 

,

 

| x|<

 

.

 

 

41.

 

 

(1)

 

 

 

1 +

 

 

 

x

 

 

,

1 < x < 1.

42. ln3 + (1)

 

 

 

 

 

 

 

,

n+1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

n=0

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x (0,5; 0,5].

43.

 

 

1 x + (1)n

+

 

 

 

 

 

 

xn,

 

x R.

44.

5,0658. 45.

0,716.

46.

0,9948.

 

47.

0,321.

48.

n=2

 

 

 

 

n!

 

(n

2)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,0986. 49. – 0,0202. 50. 0,4931. 51. 0,9045. 52. 0,494.

53. 0,333.

54.

y 1+

x2

 

+

2

x3

+

11

x4

. 55. y 1+ x +2x2

+19 x3.

 

56.

y 1++

x2

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

2x4

 

17x6

. 57.

y 1 + x +

 

 

x2

+

x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

15

+

 

315

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Micromodule 2

SELF-TEST ASSIGNMENTS

2.1. Find the domain of convergence of functional series.

 

1

 

 

 

 

 

 

x

 

 

(2x 5)

n+1

2.1.1. а)

 

 

;

b)

xn sin

 

;

c)

.

 

 

 

n

 

 

 

4 + x

 

 

 

 

n n

 

n 1

 

4n

 

 

 

 

n=1

 

 

 

n=1

 

 

 

=

 

 

 

 

 

2.1.2. а)

1

;

 

 

b)

xn tg

 

x ;

c)

1x

 

n

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

nx

 

 

 

 

n 1

 

2n

 

 

n 1

12x

 

 

=

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

2.1.3.а)

2.1.4.а)

2.1.5.а)

2.1.6.а)

 

(

)

n+1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

x

 

 

 

;

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

2n+1 sin

 

;

 

n

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

=

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

tg

 

 

(3 x) ;

 

3

 

 

 

n 1 n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

n! x

n

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

n

 

3n

 

x

 

arctg(nx)

 

b) 2

 

x

 

arcsin

 

;

c)

 

 

 

.

 

 

n

n ln

4

n

n=1

 

 

 

 

 

n=2

 

 

 

 

x

4

 

 

b)

 

 

;

1

 

2n

 

n=1

+ x

 

 

 

n + 1

 

b)

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

n=1 x nx+2

 

b)

 

 

 

 

 

lnn (2x 1) ;

n=1

c) (5x + 2)n .

 

n 1

 

7n+2

 

 

 

=

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

c)

 

 

 

 

.

(3n + 1)

x

 

n 1

 

 

 

=

 

 

 

 

 

c)

x + 1

n+1

.

 

 

 

 

 

 

 

n 1

x 2

 

 

 

=

 

 

 

 

 

60

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]