4.Степенные ряды.

С тепенным рядом называется функциональный ряд вида:

где множители при степенях (x–x₀) – коэффициенты ряда, число x₀ – центр интервала сходимости. При частном значении переменной x степенной ряд становится числовым. Сходимость степенного ряда зависит от величины x. Из теоремы Абеля для степенных рядов следует, что область сходимости всякого степенного ряда – некоторый интервал (x₀–R, x₀+R), называемый интервалом сходимости. Во всех точках этого интервала степенной ряд сходится и притом абсолютно, вне интервала – ряд расходится. На границе интервала различные степенные ряды ведут себя по-разному. Число R – половина длины интервала сходимости – радиус сходимости. Если степенной ряд сходится лишь в одной точке, то радиус R = 0. Если ряд сходится при любом x, то R = . Радиус сходимости степенного ряда можно найти по формуле:

если соответствующие пределы существуют – конечные или бесконечные. При этом R = 0, если L = 0 и R = , если L = 0.

Пример 8. Найти область сходимости степенного ряда

Р ешение. В развернутом виде ряд выглядит следующим образом

К оэффициенты ряда:

Найдем радиус сходимости

Заключаем, что интервал сходимости (-1/3, 1/3).

Исследуем далее сходимость степенного ряда в граничных точках интервала:

а) при x=1/3 получим числовой положительный ряд:

Этот ряд расходится, что видно из сравнения его с гармоническим рядом.

б) при x= -1/3 получим знакочередующийся ряд:

Члены этого ряда удовлетворяют условиям теоремы Лейбница:

З накочередующийся ряд сходится, т.е. при X = -1/3 степенной ряд сходится и окончательно область сходимости степенного ряда определяется неравенствами –1/3  X  1/3.

При решении примеров на применение степенных разложений к приближенным вычислениям (задача5) следует использовать известные формулы разложения элементарных функций в ряды Маклорена. Они помещены в таблице 2. Заметим, что важную роль здесь выполняет следствие из теоремы Лейбница: для сходящегося знакочередующегося ряда остаток по абсолютной величине не превосходит первого из отброшенных членов. Опираясь на это следствие легко установить, сколько членов ряда нужно просуммировать, чтобы получить результат с заданной точностью. Разумеется, все расчеты надо проводить в рамках этой точности.

Пример 9. С точностью до  = 0.0001 вычислить exp(-0.1).

Решение. Используем разложение (табл. 2)

П олагая x= -0.1, имеем

П олучили знакочередующийся ряд. Величина его остатка по абсолютной величине не превосходит первого из отброшенных членов. Возьмем 4 члена ряда, тогда погрешность не превышает величины 0.0000042, т.е.

К аждое из оставленных четырех слагаемых учитываем, удерживая 5 цифр после запятой. При этом, округляя, в ответе будем иметь 4 верных десятичных знака: exp(-0.1)= 0.9048.

Пример 10. С точностью до  = 0.0001 вычислить интеграл

Р ешение. Интеграл вычислим, разлагая подынтегральную функцию в степенной ряд. При этом воспользуемся формулой (табл. 2):

И меем

С тепенной ряд можно почленно интегрировать и почленно дифференцировать любое число раз, при этом радиус сходимости не меняется (основное свойство степенных рядов). Выполняя почленно интегрирование, имеем

П олучился знакочередующийся ряд, причем |R3|  1/15120 0.00007  . Поэтому с заданной точностью имеем