Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
_eBook__-_Math_Calculus_Bible.pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
23.08.2019
Размер:
1.23 Mб
Скачать

354 CHAPTER 8. INFINITE SERIES

Exercises 8.4 In problem 1–12, determine the Taylor series expansion for each function f about the given value of a.

1.

f(x) = e−2x, a = 0

 

 

2.

f(x) = cos(3x), a = 0

3.

f(x) = ln(x), a = 1

4.

f(x) = (1 + x)−2, a = 0

5.

f(x) = (1 + x)−3/2, a = 0

6.

f(x) = ex, a = 2

 

7.

f(x) = sin x, a =

 

π

8.

f(x) = cos x, a =

π

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

9.

f(x) = sin x, a =

 

π

10.

f(x) = x1/3, a = 8

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

f(x) = cos x − 2

, a = 0

11.

f(x) = sin x − 2

, a = 0

12.

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

(x − a)k

 

 

 

 

 

 

In problems 13-20, determine f(k)(a)

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=0

 

 

k!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13.

f(x) = ex2 , a = 0, n = 3

14.

f(x) = x2e−x, a = 0, n = 3

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15.

f(x) =

 

, a = 0, n = 2

16.

f(x) = arctan x, a = 0, n = 3

1 − x2

17.

f(x) = e2x cos 3x, a = 0, n = 4

18.

f(x) = arcsin x, a = 0, n = 3

19.

f(x) = tan x, a = 0, n = 3

20.

f(x) = (1 + x)1/2, a = 0, n = 5

8.7Taylor Polynomials and Series

Theorem 8.7.1 (Taylor’s Theorem) Suppose that f, f0, · · · , f(n+1) are all continuous for all x such that |x − a| < R. Then there exists some c between a and x such that

f(x) = Pn(x) + Rn(x)

where

 

n

(x − a)k

 

(x − a)n+1

 

Pn(x) =

f(k)(a)

, Rn(x) = f(n+1)(c)

.

Xk

k!

(n + 1)!

 

=0

 

 

 

 

= 1 + mx +
x3 + · · · .
x2 + m(m − 1)(m − 2) 3!
k=1

8.7. TAYLOR POLYNOMIALS AND SERIES

355

The polynomial Pn(x) is called the nth degree Taylor polynomial approximation of f. The term Rn(x) is called the Lagrange form of the remainder.

Proof. We define a function g of a variable z such that

g(z) = [f(x)

f(z)]

f0

(z)(x − z)

f00(z)(x − z)2

− · · ·

 

 

 

 

 

 

1!

 

 

2!

f(n)(z)(x − z)n

R

(x)

(x − z)n+1

.

 

 

 

n!

 

 

n

 

(x − a)n+1

 

Then

( n f(k)(a) ) X

g(a) = f(x) − (x − a)k + Rn(x) = 0, k!

k=0

and

g(x) = f(x) − f(x) = 0.

By the Mean Value Theorem for derivatives there exists some c between a and x such that g0(c) = 0. But

g0(z) = −f0(z) − [−f0(z) + f00(z)(x − z)] − −f00(z)(x − z) +

f

000(

z)(x

z)2

− · · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

− −

fn(z)(x − z)n−1

+

f(n+1)(z)(x − z)n

 

+ R

(x)

(n + 1)(x − z)n

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

n

 

 

(x − a)n+1

 

 

=

f(n+1)(z)

(x − z)n

+ R

(x)

(n + 1)(x − z)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

n

 

 

 

(x − a)n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g0(c) = 0 =

f(n+1)(c)

(x − c)n

+ R

(x)

(n + 1)(x − c)n

.

 

 

 

 

 

 

 

 

Therefore,

 

 

 

 

n!

 

 

 

n

 

 

(x − a)n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

(x) =

(x − a)n+1

·

f(n+1)(c)

= f(n+1)

(c)

(x − a)n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

n + 1

 

 

 

 

 

 

(n + 1)!

 

 

 

 

 

as required. This completes the proof of this theorem.

Theorem 8.7.2 (Binomial Series) If m is a real number and |x| < 1, then

(1 + x)m = 1 + X m(m − 1) · · · (m − k + 1) xk k!

m(m − 1) 2!

f(x) =

356

 

CHAPTER 8. INFINITE SERIES

This series is called the binomial series. If we use the notation

 

k =

( − 1) · ·k·!( −

k

+ 1)

 

m

m m

m

 

 

 

m

is called the binomial coe cient and

 

 

 

then k

 

 

 

 

 

k

xk.

 

(1 + x)m = 1 + k=1

 

 

X

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If m is a natural number, then we get the binomial expansion

 

 

m

k

xk.

 

(1 + x)m = 1 + k=1

 

 

X

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Proof. Let f(x) = (1 + x)m. Then for all natural numbers n,

f0(x) = m(1 + x)m−1, f00(x) = m(m − 1)(1 + x)m−2, · · · , f(n)(x) = m(m − 1) · · · (m − n + 1)(1 + x)m−n.

Thus, f(n)(0) = m(m − 1) · · · (m − n + 1), and

X m(m − 1)(m − 2) · · · (m − n + 1) xn

n!

n=0

=X mn xn

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where 0 = 1 and

n

= m(m − 1) · · · (m − n + 1) is called the nth

binomial coe cient. By the ratio test we get

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

m(m 1)

 

 

(m n)xn+1

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

(n· ·+·

1)!

 

· m(m

1)

· · ·

(m

n + 1)xn

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= x

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

n + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

|

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= x

|

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

n→∞

 

1 + n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= x ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.7. TAYLOR POLYNOMIALS AND SERIES

357

and, hence, the series converges for |x| < 1. This completes the proof of the theorem.

Theorem 8.7.3 The following power series expansions of functions are valid.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

1.

(1 − x)−1 = 1 +

 

 

 

xk and (1 + x)−1 = 1 + (−1)kxk, |x| < 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

2.

 

 

 

 

 

k! , e−x = 1 +

k! , |x| < ∞.

ex = 1 +

 

 

 

 

(−1)k

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2k+1

 

 

 

 

 

3.

sin x =

Xk

(−1)k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, |x| < ∞.

 

 

 

=0

 

(2k + 1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, |x| < ∞.

 

 

4.

cos x =

 

(−1)k

 

 

(2k)!

 

 

 

 

 

 

 

=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2k−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

sinh x =

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, |x| < ∞.

 

 

=0

 

(2k + 1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

cosh x =

Xk

 

 

 

 

 

 

 

, |x| < ∞.

 

 

=0

 

 

(2k)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, −1 < x ≤ 1.

7.

ln(1 + x) =

 

 

(−1)k

 

k + 1

 

 

 

 

 

 

 

=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1 + x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2k+1

 

 

 

 

 

8.

 

 

ln

 

 

 

= k=0

 

 

 

 

, −1 < x < 1.

 

2

1

x

 

2k + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2k+1

 

 

 

 

 

9.

arctan x =

kX

(−1)k

 

 

 

 

 

 

 

, −1 ≤ x ≤ 1.

=0

2k + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/2

(−1)k

 

x2k+1

 

 

10. arcsin x = k=0

k

 

 

2k + 1 , |x| ≤ 1.

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

358 CHAPTER 8. INFINITE SERIES

Proof.

Part 1. By the geometric series expansion, for all |x| < 1, we have

 

 

1

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

X

1

x = 1 +

 

1 + x = 1

− −

= 1 +

 

xk and

 

( x)

(−1)kxk.

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

k=1

Part 2.

If f(x) = ex, then f(n)(x) = ex

and f(n)(0) = 1 for each n =

0, 1, 2, · · · . Thus

 

 

xn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ex =

n!

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

By the ratio test the series converges for all x.

 

 

n→∞

 

xn+1

n!

 

 

|

| n→∞

1

 

 

 

 

 

 

(n + 1)! ·

xn

 

n + 1

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

= x

 

lim

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Part 3. Let f(x) = sin

x. Then f0(x) = cos x,

f00(x) =

sin x, f

(x) =

− cos x and f

(4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x) = sin x. It follows that, for each n = 0, 1, 2, 3, · · · , we

have

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(4n)(0) = 0, f(4n+1)(0) = 1,

f(4n+2)(0) = 0

and f(4n+3)(0) = −1.

Hence,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

x5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x = x −

 

 

 

+

 

 

− · · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3!

5!

 

 

 

X

=(−1)n

n=0

x2n+1

(2n + 1)!.

By the ratio test, the series converges for all |x| < ∞:

n→∞

 

 

 

 

n+1

x2n+3

 

(2n + 1)!

 

 

 

 

 

(2n + 3)!

 

x2n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

(

 

1)

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

= x

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2n + 3)(2n + 2)

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Part 4. By term-by-term di erentiation we get

x2n

cos x = (sin x)0 = X(−1)n

 

, |x| < ∞.

(2n)!

n=0

8.7. TAYLOR POLYNOMIALS AND SERIES

 

359

Part 5. For all |x| < ∞, we get

 

 

 

 

1

(ex − e−x)

 

 

sinh x =

 

 

 

 

2

 

!

= 2

 

n=0

n!

n=0(−1)n n!

1

xn

xn

 

 

 

X

 

X

 

 

x2n+1

X

=(2n + 1)!.

n=0

Part 6. By di erentiating term-by-term, we get

x2n

X

 

 

cosh x = (sinh x)0 =

(2n)!

, l |x| < ∞.

n=0

 

 

Part 7. For each |x| < 1, by performing term by integration, we get

ln(1 + x) = Z0

x

1 + x dx

 

 

1

 

 

=

(−1)nxn! dx

Z

 

X

 

0n=0

xn+1

X

 

=(−1)n n + 1.

n=0

Part 8. By Part 7, for all |x| < 1, we get

1

ln

1 + x

=

 

1

[ln(1 + x) − ln(1 − x)]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

x

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

"n=0

 

n + 1

n=0

n + 1

#

 

 

 

 

 

= 1

( 1)n

xn+1

( 1)n

(−x)n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2

"n=0

 

(n+ 1

(1 − (−1)n+1)xn+1#

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2k+1

X

=2k + 1.

k=0

 

1

 

1 + x

Recall that arctanh x =

 

ln

 

.

2

1 − x