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

Higher Mathematics. Part 3

.pdf
Скачиваний:
209
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
7 Мб
Скачать
☆

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 10. Find the sum of the series ∑ nxn−1 ( | x |< 1).

 

 

 

 

Solution. It is needed to find a sum

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

We’ll consider a geometrical series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ x + x2 + x3 + …+ xn + ….

It

is

 

convergent

 

for

| x |< 1,

thus its

 

sum

S (x)

=

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1− x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S(x) =

(S (x))′

=

 

1

′ =

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1− x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1− x

 

 

 

 

 

 

 

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

= 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)n−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= − −

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−…+ (−1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ … =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

(−1)n+1

 

 

 

 

 

 

n−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∑

 

 

 

 

 

 

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

 

1

 

= 1− x2 + 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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n−1 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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n−1 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

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! + … .

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)

n−1

 

xn

+ … ( −1 < x ≤ 1).

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

 

x5

 

 

 

 

 

 

 

 

x2n−1

 

 

 

 

 

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)(1− x2 )

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

ln(t + 1) = ln t + 2

 

1

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

+

 

 

+ …+

 

 

+ …

(2.14)

2t + 1

3(2t + 1)

3

(2n − 1)(2t + 1)

2n−1

 

 

 

 

 

 

 

 

and

 

 

 

 

| rn (t) |<

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

2(2n + 1)t(t + 1)(2t + 1)2n−1

 

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

2n−1

 

 

 

 

 

 

 

 

3 3

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

rn (1) <

 

1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4(2n + 1) 32n−1

 

 

 

 

 

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

 

∫ e− x2 dx with accuracy ε = 0,001.

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. The indefinite integral ∫ e− x2 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

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(n−1)

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

∞

2

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

4.

∑

 

 

.

 

 

5.

∑

 

 

 

 

.

6.

∑

 

 

 

 

 

 

.

 

nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

2

 

 

 

 

 

 

n=1

 

n!

 

 

n=1 n

 

(x

 

+ 2)

 

57

∞

(1− n) 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.

∞

 

∑ e− nx , x (0; ∞).

 

n=1

 

15.

∞

x [0; ∞).

∑ nxe− nx ,

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.

xe2x−1,

x

= 1.

 

(x + 3)3

 

 

0

 

 

 

0

 

58

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 )e− x .

 

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.

(e−1; 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) /(1− x)3,

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

∞

∞

 

∞

∞

∑n2xn =

= x2 ∑n(n − 1)xn−2

+x∑nxn−1 . Consider the series ∑ xn and use term-by-

n=1

n=1

 

n=1

n=0

 

 

 

 

59

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

(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

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

n−1

(n +

2)

 

 

 

 

 

 

x (

−

3;

−

1).

36.

 

∑

 

 

 

 

 

 

 

(x

+

2)

n−2

 

 

 

 

 

− −

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

n−1 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)

∑

1− x

 

n

 

 

 

.

 

∞

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

n 1

nx

 

 

 

 

n 1

 

2n

 

 

n 1

1− 2x

 

 

=

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

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

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]