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

Основы высшей математики для инженеров 2009

.pdf
Скачиваний:
257
Добавлен:
12.03.2016
Размер:
10 Мб
Скачать
☆

8.4. Функциональные ряды

371

Функция Sn(x) u1(x) u2(x) un(x) называется n й частичной суммой функционального ряда (1). Из определения области сходимо

сти следует, что в любой точке этой области существует lim Sn(x) S(x).

n

Функция S(x) называется суммой ряда. Если функциональный ряд сходится и имеет сумму S(x), то rn(x) S(x) Sn(x) называется n м ос

татком функционального ряда. Очевидно, lim rn(x) 0.

n

8.4.2. Мажорируемые функциональные ряды и их свойства

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Ряд (1) называется мажорируемым на отрезке [a, b], если существует такой знакоположительный ряд

b1 b2 bn ,

который сходится, и

|u (x)| b , |u (x)| b , , |un(x)| bn, .

1 1 M622

Сцелью большего удобства выговаривать назовем мажорируемый ряд правильно сходящимся на отрезке ?a, b@.

Из определения правильной сходимости вытекает, что правильно сходящийся на отрезке [a, b] ряд сходится абсолютно в любой точке этого отрезка.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Ряд (1) называется равномерно сходящимся на отрезке [a, b], если для любого как угодно малого 1 0 найдется такой номер N, что при всех n N будет выполняться неравенство

|S(x) Sn(x)| 1

для любого x из отрезка [a, b].

Приведем без доказательства теоремы о свойствах правильно схо дящихся рядов.

Теорема 1. Всякий функциональный ряд, правильно сходящийся на от2 резке [a, b], сходится равномерно на этом отрезке.

Теорема 2. Если все члены правильно сходящегося на отрезке [a, b] ря2 да есть непрерывные функции, то сумма ряда также непрерывна на [a, b].

Теорема 3. Если все члены правильно сходящегося на [a, b] ряда есть непрерывные функции, а S(x) — сумма этого ряда, то интеграл от S(x)

372

Глава 8. Числовые и функциональные ряды

в пределах от ) до x, принадлежащих отрезку [a, b], равняется сумме та2 ких же интегралов от членов данного ряда, т. е. ряд можно почленно ин2 тегрировать:

x

x

x

x

DS (t)dt Du1(t)dt Du2(t)dt Dun(t)dt .

)

)

)

)

Теорема 4. Если ряд

u1(x) u2(x) un(x) ,

составленный из функций, имеющих непрерывные производные на [a, b], сходится на этом отрезке к сумме S(x) и ряд

u1(x) u2(x) un(x) ,

составленный из производных его членов, сходится правильно на том же отрезке, то сумма ряда производных равна производной от суммы перво2 начального ряда, т. е. ряд можно почленно дифференцировать:

S(x) uM621(x) u (x) un(x) .

8.4.3.Степенные ряды. Интервал сходимости

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Степенным рядом называется ряд вида

a0 a1(x a) a2(x a)2 an(x a)n .

При a 0 этот ряд принимает вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0 a1x a2 x2 an xn .

 

 

 

 

(3)

Для исследования сходимости ряда (3) составим ряд из модулей его

членов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| a0 | | a1x | | a2 x2 | | an xn | .

(4)

Теорема. Область сходимости степенного ряда

(4) есть

интервал

( R, R), к которому, в зависимости от конкретных случаев, могут быть

добавлены точки –R и R. На интервале ( R, R) ряд (4) сходится абсо2

лютно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ряд (4) знакоположительный, поэтому к нему можно применить

признак Даламбера:

 

 

 

xn 1 |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

u

n 1

lim

| a

n 1

| x | lim

 

 

a

n 1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n un

n | an xn |

n

 

an

 

 

 

 

 

 

MR lim61n a2n .
n

8.4. Функциональные ряды

373

Пусть существует

lim 33an 133 1 .

n 3 an 3 R

Тогда

lim un 1 | x | .

n un R

По признаку Даламбера ряд (4) сходится абсолютно, если | x | 1,

R

т. е. если | x | R. Если же | x | 1, то ряд, очевидно, расходится. При

R

| x | R ряд может быть как сходящимся, так и расходящимся. Следовательно, степенной ряд (1) сходится абсолютно при x R. Интервал ( R, R) — интервал сходимости, R — радиус сходимости. Необходимо отметить, что для определения радиуса сходимости

можно пользоваться не только признаком Даламбера, но и призна ком Коши.

Тогда

Пр и м е р. Исследуем сходимость ряда

x x2 xn .

1 2

 

n

 

 

 

Определим радиус сходимости

 

 

 

 

 

 

 

 

an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

R lim

 

 

 

lim

 

 

1.

 

 

 

 

n

an 1

n

n

Итак, ряд сходится абсолютно в промежутке (–1, 1). При x 1 полу чим ряд

1

 

1

 

1

,

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

n

который расходится (гармонический ряд с p 1 ). При x 1 полу

 

 

 

 

 

 

 

 

2

чим ряд

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

( 1)

n

1

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

n

который сходится.

374

Глава 8. Числовые и функциональные ряды

 

 

8.4.4. Свойства степенных рядов

 

 

Теорема 5. Пусть степенной ряд

 

 

 

 

a

0

a x a

n

xn

(5)

 

 

1

 

 

имеет интервал сходимости ( R, R), а r — произвольное положительное

число, меньшее R (0 r R). Тогда ряд (5) абсолютно

сходится на

отрезке [ r, r].

 

Доказательство. Рассмотрим ряд из абсолютных величин членов

ряда (5):

 

| a0 | | a1 | | x | | a2 | | x |2 |un | | x |n .

(6)

Для его членов справедлива оценка

 

| a1 | | x | | a1 | r, , | an | | x |n | an | rn, .

Так как степенной ряд сходится абсолютно в любой точке своего ин тервала сходимости, то числовойM62ряд

| a0 | | a1 | r | an | rn

сходится. Но члены ряда (6) не превосходят членов сходящегося ряда. Поэтому по определению ряд (5) сходится абсолютно.

Теорема 6. Сумма степенного ряда является непрерывной функцией в любой точке интервала сходимости ряда.

Доказательство. Пусть x0 ( R, R). r такое, что | x0 | r R. На отрезке [ r, r] ряд является абсолютно сходящимся. Поэтому его сумма есть непрерывная функция в любой точке отрезка [ r, r], т. е.

и в точке x0.

 

Рассмотрим степенной ряд

 

a0 a1x a2 x2 an x4 .

(7)

Так как этот ряд по теореме 5 сходится абсолютно на отрезке [ r, r], то из теорем 3 и 4 можно получить следующие утверждения для степен ного ряда.

1. Ряд (7) можно почленно дифференцировать в любой точке ин тервала сходимости (–R, R):

(a0 a1x a2 x2 an xn ) a1 2a2 x nan xn 1 . (8)

8.5. Степенные ряды. Ряд Тейлора. Ряд Маклорена

375

2. Ряд (7) можно почленно интегрировать в интервале сходимости, т. е. для любого x ( R, R)

x

 

 

 

 

 

x

x

 

x

 

 

D(a0 a1x a2 x2 an xn )dx Da0dx Da1xdx Da2 x2 dx

 

0

 

 

 

 

 

0

0

0

 

 

x a

 

xndx a

 

x a

x2

a

x3

a

 

xn 1

 

.

(9)

 

 

 

 

n n 1

D

n

 

0

1 2

2 3

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Легко проверить, что ряды (8) и (9) имеют тот же интервал сходи мости (–R, R).

8.5. Степенные ряды. Ряд Тейлора. Ряд Маклорена

Степенной ряд по степеням (x – a). Ряд Тейлора. Вывод формулы остаточ ного члена. Ряд Маклорена. Разложение функции ex в ряд Маклорена.

8.5.1.

Степенной ряд по степеням (x – a)

 

M62

 

Рассмотрим ряд

 

 

a0 a1(x a) a2(x a)2 an(x a)n .

(1)

Такой ряд называется степенным рядом по степеням (x a). Можно показать, что областью сходимости ряда (1) является интервал (a R, a R), где R — радиус сходимости.

Ряд (1) обладает следующими свойствами:

а) он сходится абсолютно на интервале (a R, a R);

б) его сумма есть непрерывная на (a R, a R) функция;

в) ряд (1) можно почленно дифференцировать и интегрировать и полученные при этом ряды имеют тот же интервал сходимости. Интер вал сходимости ряда (1) может быть найден с помощью признака Да ламбера.

П р и м е р. Найдем радиус сходимости ряда

x 2

 

(x 2)2

 

(x 2)n

.

1 2

2 22

n 2n

 

 

 

376 Глава 8. Числовые и функциональные ряды

По признаку Даламбера радиус сходимости

R lim

 

 

an

 

 

lim

(n 1)2n 1

2.

 

 

 

 

 

 

 

n2n

n

an 1

n

 

По признаку Коши

11

R lim 2n n 2 lim n n 2.

 

 

 

 

 

n

n

 

 

Действительно, пусть r

1

. Тогда ln r

ln n

0 при n . Сле

n

n

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

n

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

довательно, r n

n

1 при

n .

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если

| x 2 |

1, то ряд сходится абсолютно. Исследуем сходимость

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ряда на концах интервала. При

x 4

 

получаем гармонический ряд

 

 

 

 

 

M62

 

 

 

 

 

 

1

1

 

1

1

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

n

 

 

 

 

 

который расходится. При x 0 получаем сходящийся ряд

1

 

1

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

( 1)

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

Итак, область сходимости рассматриваемого ряда 0 x 4.

8.5.2. Ряд Тейлора

Пусть непрерывная функция f (x) является суммой степенного ряда

по степеням (x a), сходящегося на (a R, a R):

 

f (x) a0 a1(x a) a2(x a)2 an(x a)n .

(2)

Говорят, что функция f (x) разлагается в степенной ряд в окрестности точки a по степеням (x a).

Найдем коэффициенты разложения a0, a1, a2 , …, an, . Воспользу емся тем, что ряд (2) можно почленно дифференцировать на интервале сходимости:

 

 

 

 

8.5. Степенные ряды. Ряд Тейлора. Ряд Маклорена

 

 

 

377

 

 

f (x) a1 2a2(x a) 3a3(x a)2 4a4(x a)3 nan(x a)n 1 ,

 

 

f (x) 2a2 3 2a3(x a) 4 3a4(x a)2 n(n 1)an(x a)n 2 ,

 

 

f (x) 2

3a

2 3 4(x a) (n 2)(n 1)na (x a)n 3 ,

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

 

 

 

f (n)(x) 2 3 nan 3 4 n(n 1)an 1(x a) .

 

 

 

 

 

 

 

 

При x a имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (a) a0,

 

 

f (a) a1,

 

f (a) 2a2 2!a2,

 

 

 

f (a) 2 3a3 3!a3,

,

 

f (n)(a) 2 3 nan n!an, .

 

Итак,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

0

f (a),

a

 

 

f (a)

,

a

 

f (a)

,

a

 

f (a)

 

, ,

 

a

n

 

f (n)(a)

, .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1!

 

 

2

 

 

2

!

 

3

3!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ряд (2) имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) f (a)

f (a)

(x a) f (a) (x a)

f (n)(a)

(x a)n .

(3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

Ряд (3) — ряд Тейлора для

 

f (x).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M62

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если a 0, то ряд (3) принимает вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

f (0)

f (0)

 

 

 

f (0)

2

 

 

 

f

(n)(0)

 

n

.

(4)

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

1!

 

 

 

 

2!

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ряд Тейлора при а 0 называется рядом Маклорена.

 

 

 

 

 

 

 

Итак, если функция разлагается в ряд Тейлора, то она бесконечно

дифференцируема в точке x a.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим обратную задачу. Пусть f (x) бесконечно дифференци

руема в точке x a. Составим для нее формально ряд Тейлора

 

 

 

f (a)

f (a)

(x a)

f (a)

(x a)2

f (n)(a)

(x a)n .

(5)

 

 

 

 

 

 

 

 

1!

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос: будет ли сумма данного ряда совпадать с функцией f (x)? Ока зывается, что это будет иметь место не всегда.

Составим частичную сумму ряда (5):

Sn(x) f (a) f (a) (x a) f (n)(a) (x a)n. 1! n!

378

Глава 8. Числовые и функциональные ряды

Рассмотрим функцию

Rn(x) f (x) Sn(x).

Rn(x) называется остаточным членом ряда Тейлора.

Теорема. Для того, чтобы бесконечно дифференцируемая функция яв2 лялась суммой составленного для нее ряда Тейлора, необходимо и доста2 точно, чтобы остаточный член ряда Тейлора стремился к 0 при n .

Доказательство. Докажем сначала необходимость. Если f (x) являет ся суммой ряда (5), то Rn(x) — остаток ряда и, следовательно, Rn(x) 0 при n .

Достаточность. Пусть Rn(x) 0 при n . Тогда

lim [f (x) Sn(x)] 0,

n

т. е. f (x) является пределом частичных сумм ряда (5) — является сум мой ряда.

8.5.3. Вывод формулыM62остаточного члена. Ряд Маклорена

Для того, чтобы применять доказанную теорему, нужно знать вид остаточного члена Rn(x). Будем искать остаточный член в виде

Rn(x) (x a)n 1 Q, (n 1)!

где Q — некоторое число, подлежащее определению. Тогда

f (x) f (a) f (a)(x a)

 

 

f (n)(a)

 

 

 

 

n

 

 

 

(x a)n 1

(6)

 

 

 

 

 

(x a)

 

 

 

 

 

 

 

Q.

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(n 1)!

 

Зафиксируем x. Тогда при a t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(t) f (x) f (t) f (t)(x t)

f (n)(t)

(x t)

n

 

 

(x t)n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(n 1)!

 

является функцией только от t. При t a

 

F(a) 0, при t x F(x) 0.

Вычислим F (t):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F (t) f (t) f (t) f (t)(x t) f (t)(x t)

f (t)

(x t)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

3 f (t)

2

 

f (n 1)(t)

 

 

 

 

n

 

(n

1)(x i)n

 

 

 

(x t)

 

 

 

(x t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q.

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(n 1)!

 

Rn(x) f

8.5. Степенные ряды. Ряд Тейлора. Ряд Маклорена

379

Итак, F(t) дифференцируема и на концах интервала [a, x] принима ет равные (нулевые) значения. По теореме Ролля c [a, x], что

F (c) 0, т. е.

f (n 1)(c) (x c)n (x c)n Q 0. n! n!

Таким образом, Q f (n 1)(c) и

(n 1)(c) (x a)n 1, (n 1)!

где c заключено между x и a. Выражение остаточного члена по форму ле (7) называется остаточным членом в форме Лагранжа. При a 0

Rn(x) f (n 1)(c) xn 1, (n 1)!

где c заключено между 0 и x.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак,

 

 

f (a)

(x a) f

(n)(a) (x a)n

f (n 1)(c)

(x a)n 1. (8)

f (x) f (a)

 

 

 

 

1!

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

(n 1)!

(8) — формула Тейлора. При

 

получим формулу Маклорена.

 

 

 

 

 

 

Ma 60

2

 

 

 

 

 

 

8.5.4. Разложение функции ex в ряд Маклорена

Имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) ex, , f (n)(x) ex;

 

 

 

 

 

 

 

f (0) f (0) f (n)(0) f (n 1)(0) 1.

Запишем ряд Маклорена для f (x) ex:

 

 

 

 

 

 

 

 

1 x

x2

 

xn

.

(9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

n!

 

 

 

Определим его область сходимости:

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

un 1

lim

| x |n 1 n!

| x | lim

1

 

| x | 0 1 x.

 

 

 

 

 

n un n (n 1)!| x |n

n n 1

 

 

 

Т. е. область сходимости ряда — вся числовая ось.

380

Глава 8. Числовые и функциональные ряды

 

Выясним, является ли ex суммой ряда (9).

 

Rn(x)

 

ec

xn 1,

 

(n 1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где c заключено между 0 и x, т. е. c | x |, тогда ec e|x | и

 

| R (x)|

e|x |

 

| x |n 1.

 

 

 

 

 

n

 

 

(n 1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| x |n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Но по доказанному ряд F

 

сходится x, т. е. его общий член стре

n!

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мится к 0 при n , но тогда Rn(x) 0. Итак,

 

 

 

 

 

 

 

n

 

ex 1 x

x2

 

xn

.

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

n!

8.6. Разложение некоторыхM62функций в степенные ряды.

Применение степенных рядов к приближенным вычислениям

Разложение в ряд Маклорена функций f(x) = sin x, f(x) = cos x. Биномиаль ный ряд. Разложение в ряд Маклорена функции f(x) = ln (1 + x). Методы, применяемые для разложения функций в степенные ряды. Применение степенных рядов в приближенных вычислениях.

8.6.1. Разложение в ряд Маклорена функций f (x) sin x, f (x) cos x

 

Пусть f (x) sin x. Имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) cos x,

 

f (x) sin x,

 

f (x) cos x,

f IV (x) sin x, .

 

Таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

x5

x7

n 1 x2n 1

 

 

(1)

sin x

x

 

 

 

 

 

 

( 1)

 

 

 

 

.

 

 

 

7!

 

(2n 1)!

Поскольку

3!

 

5!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

un 1

lim

| x|2n 1 (2n 1)!

| x |2

lim

1

 

0,

 

 

 

 

 

 

 

n un

 

n (2n 1)! | x |2n 1

n 2n (2n 1)

 

то ряд (1) сходится при всех x.