- •Учебный модуль №10 «ряды» Введение
- •Дидактические цели обучения
- •Учебно-методическая карта модуля
- •Графическая схема модуля
- •Информационная таблица «Ряды» «Важные сведения из пределов»
- •10.1. Числовые ряды. Сходимость и сумма ряда
- •Ряды «эталоны»
- •Знакопеременные ряды
- •Степенные ряды
- •Ряд Фурье
- •10.2. Простейшие свойства числовых рядов
- •10.3. Необходимое условие сходимости ряда. Гармонический ряд
- •10.4. Ряды с положительными членами. Теоремы сравнения
- •10.5. Признаки Даламбера и Коши
- •10.6. Знакочередующиеся ряды. Признак Лейбница
- •10.7. Знакопеременные ряды. Абсолютно и условно сходящиеся ряды
- •10.8. Функциональные ряды. Область сходимости
- •10.9. Степенные ряды. Теорема Абеля. Интервал и радиус сходимости степенных рядов
- •10.10. Интегрирование и дифференцирование степенных рядов
- •10.11. Ряды Тейлора и Маклорена. Условия разложения функции в ряд Тейлора
- •10.12. Разложение по степеням х функций
- •10.13. Приложение рядов к приближенным вычислениям
- •10.14. Ряды Фурье. Коэффициенты Фурье
- •10.15. Разложение в ряд Фурье четных и нечетных функций
- •10.16. Разложение в ряд Фурье функций, заданных на
- •10.17. О разложении в ряд Фурье непериодических функций
- •Вопросы к экзамену по модулю №10
10.12. Разложение по степеням х функций
,
sin
x,
cos
x,
Рассмотрим примеры разложения некоторых функций в ряд Маклорена.
,
а
=
0.
Так как
,
а
,
то
,
где
.
Покажем, что
для любого х.
Для этого рассмотрим степенной ряд
и покажем, что он абсолютно сходится
для всех
.
Действительно,
.
Так как ряд сходится для всех х, то из необходимого признака сходимости следует, что для всех .
Функция
для всех х
0 удовлетворяет неравенству
.
Если
,
то
,
так как 0 <
< 1.
Тогда
,
как произведение функции ограниченной
на бесконечно малую.
Следовательно,
для всех значений х
полученный ряд Маклорена сходится и
представляет функцию
.
,
а =
0.
,
,
,
,
…,
.
Тогда
,
,
,
,
,
… и мы имеем разложение
в ряд Маклорена
,
где
(С
находится между 0 и х).
,
так как
,
а
.
,
а =
0.
Аналогично, как в предыдущем примере, получаем
,
где
(С
находится между 0 и х).
Очевидно, .
Биномиальный ряд и его частные случаи.
Разложим в ряд
Маклорена функцию
,
где m
- произвольное постоянное число.
Здесь оценка остаточного члена представляет некоторые трудности, и потому к оценке условий разложимости подойдем несколько иначе.
Сначала формально
найдем коэффициенты разложения
в ряд Маклорена.
;
;
;
,
………………………………………………,
.
Поэтому
Этот ряд называется биномиальным, найдем его интервал сходимости.
.
Значит, ряд сходится
абсолютно при
.
Покажем, что суммой этого ряда является
.
В самом деле,
нетрудно проверить, что функция f(x),
определяемая биномиальным рядом,
является решением задачи Коши для
дифференциального уравнения
,
f(0)=1.
Но решением этой же задачи является
функция
,
так как
и
.
Отсюда в силу единственности решения
задачи Коши получаем
,
,
т.е. биномиальный ряд сходится абсолютно
в интервале (1,
1) к
.
На концах интервала для некоторых т
ряд сходится, для некоторых
расходится, об этом сказано в практической
части модуля.
Заметим, что если m – целое положительное число, то биномиальный ряд превращается в бином Ньютона.
Рассмотрим частные случаи биномиального ряда:
при m = 1 получаем
;
при m =
имеем
;
при m =
Применим разложение
биномиального ряда к разложению других
функций. Разложим в ряд Маклорена
функцию
.
Подставляя в
последнее равенство вместо х
выражение
,
получим
На основании теоремы об интегрировании степенных рядов получаем:
Этот ряд сходится
для
.
10.13. Приложение рядов к приближенным вычислениям
Приближенное вычисление значений функций
Допустим, что
функция f(x)
в окрестности точки х0
разлагается в ряд Тейлора. Тогда точное
ее значение f(x0)
может быть вычислено по ряду Тейлора,
а приближенное ее значение – по частичной
сумме этого ряда. Возникающую при этом
ошибку можно оценивать при помощи
остаточного члена
,
либо непосредственно оценивая остаток
ряда. Если получился числовой ряд
знакочередующимся, то по теореме
Лейбница ошибка не превышает первого
отброшенного члена ряда, взятого по
абсолютной величине; в случае
знакоположительного ряда
подбирают другой ряд (обычно геометрическую
прогрессию), члены которого больше
членов остатка и сумму которого можно
найти.
Пример
10.13.1. Вычислить
с точностью до 10-4.
Решение. Имеем
.
Воспользуемся биномиальным рядом при
,
.
Получили
знакочередующийся ряд, остаток которого
не превышает первого отброшенного
члена. Так как
,
то с указанной точностью
,
так что
.
Пример 10.13.2. Вычислить число е с точностью 10-5.
Решение.
.
Пусть х =
1.
.
Остаточный член
имеет вид
(0<<1).
Тогда
.
Решая подбором n последнее неравенство, получим n = 8, т.е.
.
Покажем, как можно оценивать ошибку, пользуясь остатком ряда.
.
Получилась оценка
в три раза более точная, чем
.
Вычисление определенных интегралов
Существуют определенные интегралы, у которых первообразные от подынтегральных функций не выражаются через элементарные функции. Такие интегралы иногда удобно вычислять приближенно с помощью рядов. Покажем на примере, как это делается.
Пример
10.13.3. Вычислить
.
Решение. Здесь
первообразная от
не является элементарной функцией.
Используем разложение
(-
< x
< ).
Пусть
,
тогда
(-
<
x
<
),
а
С помощью этого равенства можно для любого а вычислить данный интеграл с любой заданной точностью.
Применение рядов к решению дифференциальных уравнений
Если интегрирование дифференциального уравнения не сводится к квадратурам, то прибегают к приближенным методам. Одним из таких методов является представление решения в виде ряда Тейлора; сумма конечного числа членов этого ряда будет приближенно равняться искомому частному решению.
Пусть, например, требуется найти решение дифференциального уравнения второго порядка
,
удовлетворяющее начальным условиям
.
Допустим, что решение у = f(x) существует и представимо в виде ряда Тейлора
Нам нужно найти f(x0), f(x0), f''(x0), …. Это можно сделать при помощи условий и уравнения .
Действительно, из условий следует
;
из уравнения получаем
.
Дифференцируя обе части уравнения по х, получим
и, подставляя
значения
,
,
и
,
получаем
.
Дифференцируя соотношение еще раз, найдем
и.т.д.
Найденные значения производных подставляем в равенство . Для тех значений х, для которых этот ряд сходится, он представляет решение уравнения.
Пример
10.13.4. Найти решение уравнения
,
удовлетворяющее начальным условиям
у(0)=1,
у(0)=2.
Решение. Имеем f(0)=1, f(0)=2.
Из данного уравнения
находим
;
далее
,
;
,
;
,
.
…………………………………………………………
Подставляя
найденные значения производных в ряд
Маклорена, получаем приближенное
решение
Если уравнение
линейное, то удобнее искать коэффициенты
разложения частного решения по методу
неопределенных коэффициентов. Для
этого подставляем ряд
в дифференциальное уравнение и
приравниваем коэффициенты, стоящие
при одинаковых степенях х,
в обеих частях уравнения.
Пример 10.13.5. Найти решение уравнения
,
удовлетворяющее начальным условиям у(0) = 0, у(0) = 1.
Решение. Решение ищем в виде степенного ряда
На основании начальных условий находим С0 = 0, С1 = 1.
Следовательно,
,
,
.
Приравниваем коэффициенты при одинаковых степенях х:
,
откуда С2=0,
, откуда
С3=1,
, откуда
С4=0,
…………………………………………………………..
, откуда
.
………………………………………………………………….
Следовательно,
,
,
,
…,
,
… .
С4=0, С6=0, …, С2n=0, … .
Подставляя найденные коэффициенты, получаем искомое решение
Полученный ряд сходится при всех значениях х.
Заметим, что
найденное частное решение можно выразить
через элементарные функции: вынося х
за скобку, получим в скобках разложение
в ряд функции
.
Следовательно,
.
