
- •Ряды для чайников. Примеры решений
- •Сходимость числовых положительных рядов Необходимый признак сходимости ряда
- •Признаки сходимости рядов. Признак Даламбера. Признаки Коши
- •Радикальный признак Коши
- •Знакочередующиеся ряды. Признак Лейбница. Примеры решений
- •Функциональные ряды. Степенные ряды. Область сходимости ряда
- •Разложение функций в степенные ряды. Ряд Тейлора. Ряд Маклорена. Примеры решений
Разложение функций в степенные ряды. Ряд Тейлора. Ряд Маклорена. Примеры решений
Продолжаем рассматривать теорию и практику степенных рядов. Материал несложный, но для его понимания необходимо уже более или менее хорошо ориентировать в теме. Если Вы только-только приступили к изучению рядов или чувствуйте себя чайником, пожалуйста, начните с урока Ряды для чайников. Примеры решений. Далее следует прочитать статьюСтепенные ряды. Область сходимости ряда, в частности, Вы должны хорошо понимать, что такое степенной ряд и его область сходимости. А для целей сегодняшнего урока потребуется методический материал Таблица разложений некоторых функций в степенные ряды, его можно раздобыть в кладовке Математические формулы и таблицы. По возможности, таблицу лучше распечатать, поскольку она потребуется не только сейчас, но и в оффлайне.
Понятие суммы степенного ряда
Начнем подходить к теме с воспоминаний. Как мы помним, любой числовой ряд может или сходиться, или расходиться. Если числовой ряд сходится, то это значит, что сумма его членов равна некоторому конечному числу:
На
уроке Степенные
ряды. Область сходимости ряда мы
рассматривали уже не числовые, а
функциональные и степенные ряды. Возьмём
тот самый подопытный степенной ряд,
который всем понравился:
.
В ходе исследования было установлено,
что этот ряд сходится при
.
Если числовые ряды сходятся к ЧИСЛАМ,
то к чему же сходятся функциональные и
степенные ряды? Правильно подумали.
Функциональные ряды сходятся к ФУНКЦИЯМ.
В частности, суммой ряда
в
его области сходимости
является
некоторая функция
:
Еще раз подчеркиваю, что данный факт справедлив только для найденной области , вне этого промежутка степенной ряд будет расходиться.
Чтобы всё стало окончательно понятно, рассмотрим примеры с картинками. Я выпишу простейшее табличное разложение синуса в степенной ряд:
Область
сходимости ряда:
(По какому принципу получены сами элементарные табличные разложения, мы рассмотрим чуть позже).
Теперь
вспоминаем школьный график синуса
:
Вот такая симпатичная синусоида. Хмм…. Где-то я уже это видел….
Теперь
фишка. Если начертить график бесконечного
многочлена
,
то получится… та же самая синусоида!
То есть, наш степенной ряд
сходится
к функции
.
Используя признак Даламбера (см.
статью Степенные
ряды. Область сходимости ряда),
легко проверить, что ряд
сходится
при любом «икс»:
(собственно,
поэтому в таблице разложений и появилась
такая запись об области сходимости).
А
что значит вообще «сходится»? По
смыслу глагола – что-то куда-то идёт.
Если я возьму первые три члена ряда
и
начерчу график многочлена пятой степени,
то он лишь отдаленно будет напоминать
синусоиду. А вот если составить многочлен
из первых ста членов ряда:
и
начертить его график, то он будет с
синусоидой практически совпадать. Чем
больше членов ряда – тем лучше приближение.
И, как уже отмечалось, график бесконечного
многочлена – есть в точности синусоида.
Иными словами, ряд
сходится
к функции
при
любом значении «икс».
Рассмотрим
более печальный пример, табличное
разложение арктангенса:
Область
сходимости ряда:
Печаль
заключается в том факте, что график
бесконечного многочлена
совпадает
с графиком арктангенса
только
на отрезке
(т.е.
в области сходимости ряда):
Вне
отрезка
разложение
арктангенса в ряд
расходится,
а график бесконечного многочлена
пускается во все тяжкие и уходит на
бесконечность.
Разложение функций в степенной ряд. Ряд Тейлора. Ряд Маклорена
Приступим к увлекательному занятию – разложению различных функций в степенные ряды. Сначала пара формул, затем практические задания.
Если
функция
в
некотором интервале раскладывается в
степенной ряд по степеням
,
то это разложение единственно и задается
формулой:
Примечания: Надстрочный
индекс
в
последнем слагаемом обозначает
производную «энного» порядка. Вместо
буквы «а» в литературе часто можно
встретить букву
.
Данная формула получила имя некоего англичанина Тейлора (ударение на первый слог).
На
практике процентах в 95-ти приходится
иметь дело с частным случаем формулы
Тейлора, когда
:
Это разложение в ряд обычно называют именем шотландца Маклорена (ударение на второй слог). Разложение Маклорена также называют разложением Тейлора по степеням .
Вернемся
к таблице разложений элементарных
функций и выведем разложение
экспоненциальной функции:
Как
оно получилось? По формуле
Маклорена:
Рассмотрим
функцию
,
тогда:
Теперь
начинаем находить производные
в точке ноль:
первую производную, вторую производную,
третью производную и т.д. Это просто,
поскольку при дифференцировании
экспонента превращается в саму
себя:
И
так далее….
Совершенно
очевидно, что
Подставляем единицы в формулу Маклорена и получаем наше табличное разложение!
Аналогично можно вывести некоторые другие табличные разложения (но далеко не все выводятся именно так).
Примеры разложения функций в ряд Маклорена
В данном параграфе мы рассмотрим типовую задачу на разложение функции в ряд Маклорена и определении области сходимости полученного ряда. Нет, мучаться с нахождением производных не придется, мы будем пользоваться таблицей.
Пример 1
Разложить функцию в ряд Маклорена. Найти область сходимости полученного ряда.
! Эквивалентная формулировка: Разложить функцию в ряд по степеням
Решение незамысловато, главное, быть внимательным и не пропустить какую-нибудь степень, индекс.
Конструируем наш ряд. Плясать начинают, как правило, от функции, в данном случае – от косинуса. Используем элементарное разложение:
.
Область
сходимости ряда:
В
данном случае
В
числителях раскрываем скобки:
Теперь
умножаем обе части на «икс»:
В
итоге искомое разложение функции в
ряд:
Как
определить область сходимости? Разложение
косинуса сходится при ЛЮБОМ значении
«альфа»:
,
а значит и при
.
Домножение
на
«икс» не играет никакой роли в плане
сходимости. Поэтому область сходимости
полученного ряда:
Пример 2
Разложить
функцию в ряд по степеням
.
Найти область сходимости ряда.
Это пример для самостоятельного решения.
Я
не стал рассматривать простейшие
разложения вроде
,
или
,
поскольку это фактически задача в одно
действие. В нужные табличные разложения
вместо «альфы» необходимо подставить
,
,
и
немного причесать полученные
ряды. Единственное
предостережение – не теряйте по
невнимательности степени и знаки.
А сейчас для разнообразия рассмотрим что-нибудь с минусами.
Пример 3
Разложить
функцию в ряд по степеням
.
Найти область сходимости ряда.
В
таблице находим похожее разложение:
Область
сходимости ряда:
,
концы интервала нужно исследовать
дополнительно.
Трюк
прост: перепишем функцию немного
по-другому:
Таким
образом,
и:
Окончательно:
Теперь
нужно определить область сходимости.
Смотрим на табличное неравенство
.
У нас тут минус и «икс» в квадрате:
,
не факт, что область сходимости полученного
ряда будет именно такая.
В сомнительных случаях надежнее всего
подробно проанализировать полученный
степенной ряд.
В данном случае функция разложилась в
ряд
.
Используя штатный признак Даламбера
(урок Степенные
ряды. Область сходимости ряда),
легко найти интервал сходимости ряда:
.
Будет ли сходиться ряд на концах
интервала? Если подставить значения
,
,
то в обоих случаях получится расходящийся
гармонический ряд
(знак
«минус» перед рядом никак не влияет на
сходимость или расходимость).
Таким образом, область сходимости полученного ряда:
Интересно
отметить, что простейшее разложение из
учебника
сходится
ещё в одной точке, и область сходимости
соответствующего ряда:
.
А разложение в ряд такого логарифма:
–
сходится на обоих концах интервала:
Таким образом, когда вам дан для разложения любой логарифм, следует быть предельно аккуратным и внимательным.
Пара примеров для самостоятельного решения:
Пример 4
Разложить
функцию в ряд по степеням
.
Найти область сходимости ряда.
Пляска традиционно начинается от функции, то есть, начинать нужно с экспоненты.
Пример 5
Разложить
функцию в ряд по степеням
.
Найти область сходимости ряда.
Здесь разложение не такое трудное, но могут возникнуть трудности с нахождением области сходимости полученного ряда.
Полные решения и ответы в конце урока.
Не
редкость, когда перед разложением
функции в ряд её необходимо предварительно
преобразовать. Канонический случай –
это разложение функции
.
Перед тем как ее раскладывать в ряд,
необходимо понизить степень с помощью
известной тригонометрической формулы:
.
Решать я этот пример не буду, поскольку
он довольно простой, к тому же что-то
подобное мы недавно рассмотрели.
Пример 6
Разложить
функцию в ряд по степеням
.
Найти область сходимости ряда.
Смотрим
в таблицу и находим наиболее похожее
разложение:
Во-первых,
вверху нужно получить единицу, поэтому
представляем функцию в виде
произведения:
Теперь
нам нужно в знаменателе устроить
,
для этого выносим двойку за скобки:
И
сокращаем на два:
В
данном случае
,
таким образом:
В
итоге искомое разложение:
Определим
область сходимости ряда. Можно пойти
длинным и надежным путем, используя
признак Даламбера для полученного
степенного ряда
,
т.е. найти интервал сходимости ряда и
исследовать сходимость ряда на концах
найденного интервала.
А
можно поступить проще. Из таблицы
известно, что биномиальный ряд стопудово
сходится при
.
В данном случае
,
поэтому:
Умножаем
все части неравенства на
:
–
интервал сходимости полученного
ряда.
Что происходит с рядом
на
концах интервала?
При
При
Оба
числовых ряда расходятся, так как не
выполнен необходимый признак сходимости
ряда.
Таким образом, область сходимости полученного ряда:
Пример 7
Разложить
функцию в ряд по степеням
.
Найти область сходимости ряда.
Указание:
предварительно функцию следует упростить,
используя свойства логарифмов:
Это пример для самостоятельного решения.
Разложение функций в ряд Маклорена необходимо проводить в ряде других задач, например, в задаче приближенного вычисления определенного интеграла. Кстати, там, помимо нового материала, можно посмотреть примеры других разложений, которые не поместились в этот урок.
Примеры
разложения функций в ряд Тейлора по
степеням
Данное задание является более сложным и встречается значительно реже. Я сначала вообще не хотел включать задачу в урок, но всё-таки решил, что 2-3 примера не помешают. Пригодится.
Вытащим из чулана общую формулу Тейлора, о которой уже упоминалось:
Еще раз повторю, что вместо буквы «а» на практике часто можно встретить букву .
В чём сложность разложения функции по степеням ? Сложность состоит в том, что нам не удастся воспользоваться табличными разложениями, и придётся самостоятельно находить производные.
Сразу небольшой Пример 8
Разложить
функцию
в
ряд Тейлора по степеням
В
данном случае
,
смотрим на формулу Тейлора, и становится
уже всё понятнее.
Теперь предстоит
ручная работа по конструированию
разложения:
,
все производные, начиная с четвёртой
производной, будут нулевыми.
Теперь
подставляем весь найденный скарб в
формулу Тейлора:
Готово.
Для проверки можно раскрыть скобки:
Получен
исходный многочлен, что и требовалось
проверить.
Рассмотрим более содержательные примеры.
Пример 9
Разложить
функцию
в
ряд Тейлора по степеням
.
Найти область сходимости полученного
ряда.
Решение: Используем
разложение функции в ряд Тейлора по
степеням
Хех, опять предстоит ручная работа….
В
данном случае:
Замечаем, что с такими раскладами производные можно находить до бесконечности. Поэтому необходимо уловить некоторую закономерность. Найдем ещё третью производную:
А
теперь проанализируем найденные
производные:
,
,
.
Закономерность прослеживается: знаки
чередуются, в числителе накручивается
факториал, а в знаменателе растёт
степень.
Теперь,
исходя из выявленной закономерности,
нужно составить производную «энного»
порядка. В данном случае она выглядит
так:
Как
проверить, правильно ли составлена
энная производная? Подставьте в неё
значения
,
,
и
вас должны получиться в точности первая,
вторая и третья производные. После того,
как мы убедились в том, что энная
производная составлена правильно,
подставляем в неё наше значение:
Теперь
осталось все труды подставить в формулу
Тейлора и аккуратно провести упрощения:
Далее
необходимо найти область сходимости
полученного степенного ряда
.
Это стандартная задача, которую мы
многократно прорешивали на уроке Степенные
ряды. Область сходимости ряда.
Я сразу приведу ответ, поскольку умею
решать почти все ряды устно =)
Область
сходимости полученного степенного
ряда:
И заключительный пример для самостоятельного решения:
Пример 10
Разложить
функцию
в
ряд Тейлора по степеням
.
Найти область сходимости полученного
ряда.
Если честно, то от рядов уже в глазах мельтешит, не злоупотребляйте! Пожалуйста, сообщите, если где заметили опечатку или ошибку.
Желаю успехов!
Решения и ответы:
Пример
2: Используем разложение:
.
Данный ряд сходится при любом значении
.
В
данном случае
Область
сходимости ряда:
.
Пример
4: Используем разложение:
.
Область сходимости ряда:
.
В
данном случае
Конструируем
функцию дальше:
Окончательно:
Поскольку
разложение экспоненты сходится при
любом «альфа», то область сходимости
полученного ряда:
Пример
5: Используем частный случай биномиального
разложения:
В
данном случае
Таким
образом:
Само
по себе разложение не слишком сложное,
важно правильно найти область полученного
сходимости ряда. Есть длинный путь и
короткий.
Путь
короткий: из таблицы находим комментарий
к биномиальному разложению: «Область
сходимости ряда:
.
Сходимость ряда в точках
,
исследуется
отдельно». В данном случае
,
то есть, ряд точно сходится при:
.
Делим все части на 3 и извлекаем из всех
частей кубический корень:
–
интервал сходимости ряда.
Подставляем
концы интервала в полученный ряд
.
Если
,
то:
При
Оба
числовых ряда расходятся, так как не
выполнен необходимый признак сходимости
ряда.
Окончательно.
Область сходимости полученного ряда:
Путь длинный (но более надежный и универсальный) состоит в исследовании полученного ряда с помощью признака Даламбера по стандартной схеме, рассмотренной на уроке Степенные ряды. Область сходимости ряда.
Пример
7: Преобразуем функцию:
Используем
разложение:
В
данном случае
Таким
образом:
Или
короче, в свёрнутом виде:
Найдем
область сходимости полученного степенного
ряда. По таблице находим, что использованное
разложение сходится при
.
В данном случае
,
поэтому:
–
интервал сходимости исследуемого
степенного ряда.
Исследуем
сходимость ряда на концах найденного
интервала:
При
–
расходится
При
–
сходится условно.
Таким
образом, область сходимости полученного
степенного ряда:
Пример
10: Решение: Используем
разложение функции в ряд Тейлора по
степеням
:
В
данном случае:
…
…
Таким
образом:
Область
сходимости полученного степенного ряда
уже надоела.
Ответ:
ряд
сходится при
.