Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ПланыПЗ_Математ_036401.pdf
Скачиваний:
29
Добавлен:
26.02.2016
Размер:
941.81 Кб
Скачать

7.2.3. Практические задания

Исследовать на сходимость знакочередующиеся ряды, пользуясь схемой исследования. Выяснить, какие знакочередующиеся ряды сходятся абсолютно, какие условно, какие расходятся:

 

(1)

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2.1.

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

n=1

(n +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2.4.

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

n +1

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n +1

 

n

 

 

 

7.2.7. (1)n

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3n + 2

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2.10.

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1 n +10

 

 

 

 

 

 

 

(1)

n

 

 

 

 

 

 

 

7.2.13.

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

3 2n +1

 

 

 

 

 

(21)

n

e

n

 

 

 

 

 

7.2.16.

 

 

;

 

 

 

 

 

n=1

n

 

+ 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5n +

3

 

n

 

7.2.19. (1)n

 

;

 

 

 

 

 

 

4n +

7

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10n + 6

 

2n

7.2.21. (1)n

;

 

11n +1

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n +1

 

7.2.2.

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

7.2.3. (1)n

 

 

;

3n + 2

 

 

 

 

 

 

 

6n + 5

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3n

 

(1)n+1

 

 

 

 

7.2.5. (1)n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

;

7.2.6.

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

n

2

 

+ 3

2

n!

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4n +1 n

 

 

 

(1)n

 

 

 

 

 

 

 

7.2.8. (1)n

 

 

 

 

 

 

 

 

;

7.2.9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

(n + 2)

4

 

n=1

 

 

 

 

 

2n 1

 

n=1

 

 

 

 

 

 

(1)

n

n

2

 

 

 

 

 

(1)

n

 

 

 

 

 

 

7.2.11.

 

 

 

 

 

;

 

 

7.2.12.

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

3n2 + 5

 

 

 

 

n=1

4n +1

 

 

 

 

(1)

n

2

n

 

 

 

 

(1)

n

(n + 4) ;

7.2.14.

 

 

 

 

 

;

 

 

7.2.15.

 

 

(2n +1)!

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

2n

 

 

(1)

n

(2n +1) ;

 

(1)

n

n

3

 

7.2.17.

 

 

 

7.2.18.

 

 

 

;

 

n=1

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

n=1

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6n 1

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2.20. (1)n

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5n + 442

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(−1)

n

 

(−1)

n+1

 

 

7.2.22.

 

 

;

 

7.2.23.

 

 

 

 

 

.

 

 

3

 

 

 

 

nln n

 

 

 

 

n=2 nln

 

 

n

 

n=2

 

 

 

 

 

Тема 8. Функциональные ряды

8.1.Нахождение интервала и радиуса сходимости степенных рядов

8.1.1.Типовые примеры

Пример 8.1.1. Найти область сходимости степенного ряда

(x 1)n

n=0 2n (n2 +1). 86

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 1

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

Составим ряд из модулей членов степенного ряда

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

2n (n2 +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

2)

Применим к этому ряду признак Даламбера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D(x)= lim

 

 

x 1

 

n

 

2n (n2 +1)

=

 

 

x 1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞ 2n+1

(n +1)2 +1

 

 

 

 

x 1

 

n

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3)

Решим неравенство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D(x)<1

 

 

x 1

 

 

<1

 

 

x 1

 

< 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это неравенство с модулем имеет решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 < x 1 < 2 1 < x < 3 (рис. 8.1.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

Полученный интервал симметричен относительно точки x0 =1.

 

 

1

1

3

x

РИС. 8.1.1

4)Исследуем ряд на концах интервала:

вточке x = −1 ряд примет вид

 

 

 

 

 

 

(1 1)n

(1)n 2n

(1)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

=

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

2n (n2 +1)

2n (n2 +1)

 

2

 

 

 

 

 

 

 

n=0

n=0

n=0 n

 

+1

в точке x = 3 ряд примет вид

 

 

 

 

=

21 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3 1)

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

2n (n2 +1)

 

 

n=0 n +1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ряд

 

 

сходится по

признаку сравнения

со сходящимся рядом

 

 

2

 

 

 

n=0 n

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

, а знакочередующийся ряд

(1)

 

сходится абсолютно.

2

2

 

n=1 n

 

 

 

 

 

 

n=0 n

+

1

 

 

 

 

 

 

 

5) Ответ: область сходимости ряда имеет вид [1, 3] (рис. 8.1.2).

87

1

1

3

x

РИС. 8.1.2

Пример 8.1.2. Найти первые четыре члена разложения функции

f(x)= 3x2 + 3 + ex24

встепенной ряд в окрестности точки x0 = 2 .

Решение. Ряд Тейлора функции

f (x)

в окрестности точки x0 = 2 имеет

вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)= f (2)+

f (2)

(x 2)+

 

f

′′(2)

(x

2)

2

+

f ′′′(2)

(x 2)

3

+....

1!

 

 

 

2!

 

3!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем первые три производные функции и вычислим значения функции

и ее производных при x0 = 2 . Получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)= 3x2 + 3 + ex2 4 f (2)=16,

 

 

 

 

 

 

 

f (x)= 6x + 2xex2 4 f (2)=16,

 

 

 

 

 

 

 

f ′′(x)= 6 + 2ex2 4 + 4x2ex2 4 f ′′(2)= 24,

 

 

 

f ′′′(x)= 4xex2 4 +8x3ex2 4 + 8xex2 4 f ′′′(2)=88.

 

 

Подставим полученные значения в ряд Тейлора

 

 

 

 

 

f (x)=16 +

16 (x 2)+

24 (x 2)2 +

88

(x 2)3 +...

 

 

или

 

1!

 

 

2!

 

 

 

3!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)=16 +16(x 2)+12(x 2)2 +

44 (x 2)3

+....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

Получено разложение функции

 

f (x) в ряд Тейлора в окрестности точки

x0 = 2.

Пример 8.1.3. Используя известное разложение в ряд функции ex , разложить в ряд по степеням x функцию

x2 e3x4 . 3

Решение. Запишем разложение ex в степенной ряд

88

 

 

 

 

 

 

 

ex =1 +

x

+

 

x2

+... +

xn

 

+...,

(−∞, ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1!

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

x

значение

показателя степени

Подставим в

 

это разложение вместо

(3x4 ), получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e3x

4

=1 +

(3x4 )

+

 

(3x4 )2

 

(3x4 )n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1!

 

 

 

 

 

2!

+... +

 

 

n!

+... =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

3x4

+

32 x8 ... + (1)n 3n x4n

+...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1!

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

Умножим левую и правую части равенства на

x2

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

e3x4 =

x2

1

3x4

 

x2

 

+

32 x8

 

x2

...

+ (1)n 3n x4n

 

x2

+....

3

3

1!

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

n!

3

 

Выполним некоторые преобразования, общие для всех членов ряда: со-

кратим числитель и знаменатель на 3 и соберем степени x . Получим

 

 

 

x2

e3x4 =

x2

x6

 

 

+

3x10

... + (1)n

3n1 x4n+2

 

+...,

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

1!

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

область сходимости (−∞, ).

8.1.2. Контрольные вопросы

1)Какой ряд называется функциональным? Что называется точкой сходимости, областью сходимости ряда?

2)Что представляет собой сумма функционального ряда?

3)Какой ряд называется степенным?

4)Сформулируйте теорему Абеля и объясните ее геометрический смысл.

5)Какой вид имеет область сходимости степенного ряда?

6)Приведите схему нахождения области сходимости степенного ряда.

7)Какая функция называется аналитической в точке x0 ?

8)Как записывается ряд Тейлора аналитической функции f (x) в окрестности точки x0 ?

9)Какой вид имеет ряд Маклорена функции f (x) по степеням x ?

10) Запишите разложения в ряд по степеням x функций ex , sin x , cos x ,

(1 + x)m , ln (1 + x).

8.1.3. Практические задания

Найти область сходимости степенных рядов: 89

90

 

 

 

(x 1)

n

 

 

 

 

 

(x + 4)

n

 

 

 

 

 

 

(1)

n

x

n

 

 

 

8.1.1.

 

 

 

;

8.1.2.

 

 

 

;

8.1.3.

 

 

 

nn

;

n 2

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

3

(n

 

+1)

 

 

 

 

 

 

n=0

2

 

(3n +1)

 

 

n=0

 

(n +1)5

 

 

 

 

 

 

(x +1)

n

 

 

 

 

 

4

n

x

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3)

2n+1

8.1.4.

 

 

 

;

8.1.5.

 

 

 

;

 

 

 

 

8.1.6.

n(x +2

 

 

;

(n + 2) n!

2n +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

n=0

 

n

 

 

+ 5

 

 

 

 

x

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2)

n

 

 

 

 

 

(x + 3)

n

 

8.1.7.

 

 

 

 

 

;

 

 

 

8.1.8.

n!(x +

 

 

;

8.1.9.

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

n=1 n +

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

3n + 4

 

 

 

 

n=0

2 (n +1)

 

Найти первые три члена разложения в ряд функции

f (x) в окрестности

точки x0 (по степеням (x x0 ) :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.1.10.

f (x) = e3xx2 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0 = 3 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.1.11.

f (x) = cos(ln x),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0 =1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.1.12.

f (x) = 3x2 + xsin(1 x) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

x0 =1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.1.13.

f (x) = 3x cos(x2 4) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

x0 = −2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используя известные разложения функций в ряд, разложить в ряд по сте-

пеням x следующие функции:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.1.14.

xsin

 

 

;

 

 

 

 

 

 

8.1.15.

 

 

e2x ;

 

 

 

 

 

 

 

8.1.16.

3cos3x2 ;

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

x2

 

1;

 

 

 

 

8.1.18.

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

8.1.19.

3

 

sin3x3 ;

 

8.1.17.

 

 

 

 

 

 

 

 

ln 1

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 cos x

4

 

 

 

 

8.1.21.

3

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

e5x

3

 

 

 

 

 

 

8.1.20.

 

 

;

 

 

 

 

x

ln 1 +

 

 

 

 

;

 

 

 

 

8.1.22.

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3