Разложить периодическую функцию в ряд фурье. Ряд Фурье
Которые уже порядком поднадоели. И я чувствую, что настал момент, когда из стратегических запасов теории пора извлечь новые консервы. Нельзя ли разложить функцию в ряд как-нибудь по-другому? Например, выразить отрезок прямой линии через синусы и косинусы? Кажется невероятным, но такие, казалось бы, далекие друг от друга функции поддаются
«воссоединению». Помимо примелькавшихся степеней в теории и практике существуют и другие подходы к разложению функции в ряд.
На данном уроке мы познакомимся с тригонометрическим рядом Фурье, коснёмся вопроса его сходимости и суммы и, конечно же, разберём многочисленные примеры на разложение функций в ряд Фурье. Искренне хотелось назвать статью «Ряды Фурье для чайников», но это было бы лукавством, поскольку для решения задач потребуются знания других разделов математического анализа и некоторый практический опыт. Поэтому преамбула будет напоминать подготовку космонавтов =)
Во-первых, к изучению материалов страницы следует подойти в отличной форме. Выспавшимися, отдохнувшими и трезвыми. Без сильных эмоций по поводу сломанной лапы хомячка и навязчивых мыслей о тяготах жизни аквариумных рыбок. Ряд Фурье не сложен с точки зрения понимания, однако практические задания требуют просто повышенной концентрации внимания – в идеале следует полностью отрешиться от внешних раздражителей. Ситуация усугубляется тем, что не существует лёгкого способа проверки решения и ответа. Таким образом, если ваше самочувствие ниже среднего, то лучше заняться чем-нибудь попроще. Правда.
Во-вторых, перед полётом в космос необходимо изучить приборную панель космического корабля. Начнём со значений функций, которые должны щёлкаться на автомате:
При любом натуральном значении :
1) . И в самом деле, синусоида «прошивает» ось абсцисс через каждое «пи»:
. В случае отрицательных значений аргумента результат, само собой, будет таким же: .
2) . А вот это знали не все. Косинус «пи эн» представляет собой эквивалент «мигалки»:
Отрицательный аргумент дела не меняет: 
.
Пожалуй, достаточно.
И, в-третьих, уважаемый отряд космонавтов, необходимо уметь… интегрировать
.
В частности, уверенно подводить функцию под знак дифференциала
, интегрировать по частям
и быть в ладах с формулой Ньютона-Лейбница
. Начнём важные предполётные упражнения. Категорически не рекомендую пропускать, чтобы потом не плющило в невесомости:
Пример 1
Вычислить определённые интегралы
где принимает натуральные значения.
Решение : интегрирование проводится по переменной «икс» и на данном этапе дискретная переменная «эн» считается константой. Во всех интегралах подводим функцию под знак дифференциала :
Короткая версия решения, к которой хорошо бы пристреляться, выглядит так:
Привыкаем:
Четыре оставшихся пункта самостоятельно. Постарайтесь добросовестно отнестись к заданию и оформить интегралы коротким способом. Образцы решений в конце урока.
После КАЧЕСТВЕННОГО выполнения упражнений надеваем скафандры
и готовимся к старту!
Разложение функции в ряд Фурье на промежутке
Рассмотрим некоторую функцию , которая определена
по крайне мере на промежутке (а, возможно, и на бОльшем промежутке). Если данная функция интегрируема на отрезке , то её можно разложить в тригонометрический ряд Фурье
:
, где – так называемые коэффициенты Фурье
.
При этом число называют периодом разложения , а число – полупериодом разложения .
Очевидно, что в общем случае ряд Фурье состоит из синусов и косинусов:
Действительно, распишем его подробно:
Нулевой член ряда принято записывать в виде .
Коэффициенты Фурье рассчитываются по следующим формулам:
Прекрасно понимаю, что начинающим изучать тему пока малопонятны новые термины: период разложения , полупериод , коэффициенты Фурье и др. Без паники, это не сравнимо с волнением перед выходом в открытый космос. Во всём разберёмся в ближайшем примере, перед выполнением которого логично задаться насущными практическими вопросами:
Что нужно сделать в нижеследующих заданиях?
Разложить функцию в ряд Фурье. Дополнительно нередко требуется изобразить график функции , график суммы ряда , частичной суммы и в случае изощрённых профессорский фантазий – сделать что-нибудь ещё.
Как разложить функцию в ряд Фурье?
По существу, нужно найти коэффициенты Фурье , то есть, составить и вычислить три определённых интеграла .
Пожалуйста, перепишите общий вид ряда Фурье и три рабочие формулы к себе в тетрадь. Я очень рад, что у некоторых посетителей сайта прямо на моих глазах осуществляется детская мечта стать космонавтом =)
Пример 2
Разложить функцию в ряд Фурье на промежутке . Построить график , график суммы ряда и частичной суммы .
Решение : первая часть задания состоит в разложении функции в ряд Фурье.
Начало стандартное, обязательно записываем, что:
В данной задаче период разложения , полупериод .
Разложим функцию в ряд Фурье на промежутке :
Используя соответствующие формулы, найдём коэффициенты Фурье . Теперь нужно составить и вычислить три определённых интеграла . Для удобства я буду нумеровать пункты:
1) Первый интеграл самый простой, однако и он уже требует глаз да глаз:
2) Используем вторую формулу:
Данный интеграл хорошо знаком и берётся он по частям
: 
При нахождении использован метод подведения функции под знак дифференциала .
В рассматриваемом задании сподручнее сразу использовать формулу интегрирования по частям в определённом интеграле
:
Пара технических замечаний. Во-первых, после применения формулы всё выражение нужно заключить в большие скобки
, так как перед исходным интегралом находится константа . Не теряем её
! Скобки можно раскрыть на любом дальнейшем шаге, я это сделал в самую последнюю очередь. В первом «куске» 
проявляем крайнюю аккуратность в подстановке, как видите, константа не при делах, и пределы интегрирования подставляются в произведение . Данное действие выделено квадратными скобками. Ну а интеграл второго «куска» формулы вам хорошо знаком из тренировочного задания;-)
И самое главное – предельная концентрация внимания!
3) Ищем третий коэффициент Фурье:
Получен родственник предыдущего интеграла, который тоже интегрируется по частям
:
Этот экземпляр чуть сложнее, закомментирую дальнейшие действия пошагово:
(1) Выражение полностью заключаем в большие скобки . Не хотел показаться занудой, слишком уж часто теряют константу .
(2) В данном случае я немедленно раскрыл эти большие скобки. Особое внимание
уделяем первому «куску»: константа курит в сторонке и не участвует в подстановке пределов интегрирования ( и ) в произведение . Ввиду загромождённости записи это действие снова целесообразно выделить квадратными скобками. Со вторым «куском» 
всё проще: здесь дробь появилась после раскрытия больших скобок, а константа – в результате интегрирования знакомого интеграла;-)
(3) В квадратных скобках проводим преобразования , а в правом интеграле – подстановку пределов интегрирования.
(4) Выносим «мигалку» из квадратных скобок: , после чего раскрываем внутренние скобки: .
(5) Сокращаем 1 и –1 в скобках, проводим окончательные упрощения.
Наконец-то найдены все три коэффициента Фурье:
Подставим их в формулу 
:
При этом не забываем разделить пополам. На последнем шаге константа («минус два»), не зависящая от «эн», вынесена за пределы суммы.
Таким образом, мы получили разложение функции в ряд Фурье на промежутке : 
Изучим вопрос сходимости ряда Фурье. Я объясню теорию, в частности теорему Дирихле , буквально «на пальцах», поэтому если вам необходимы строгие формулировки, пожалуйста, обратитесь к учебнику по математическому анализу (например, 2-й том Бохана; или 3-й том Фихтенгольца, но в нём труднее) .
Во второй части задачи требуется изобразить график , график суммы ряда и график частичной суммы .
График функции представляет собой обычную прямую на плоскости
, которая проведена чёрным пунктиром: 
Разбираемся с суммой ряда . Как вы знаете, функциональные ряды сходятся к функциям. В нашем случае построенный ряд Фурье 
при любом значении «икс»
сойдётся к функции , которая изображена красным цветом. Данная функция терпит разрывы 1-го рода
в точках , но определена и в них (красные точки на чертеже)
Таким образом: 
. Легко видеть, что заметно отличается от исходной функции , именно поэтому в записи 
ставится значок «тильда», а не знак равенства.
Изучим алгоритм, по которому удобно строить сумму ряда.
На центральном интервале ряд Фурье сходится к самой функции (центральный красный отрезок совпадает с чёрным пунктиром линейной функции).
Теперь немного порассуждаем о природе рассматриваемого тригонометрического разложения. В ряд Фурье 
входят только периодические функции (константа, синусы и косинусы), поэтому сумма ряда 
тоже представляет собой периодическую функцию
.
Что это значит в нашем конкретном примере? А это обозначает то, что сумма ряда 
– непременно периодична
и красный отрезок интервала обязан бесконечно повторяться слева и справа.
Думаю, сейчас окончательно прояснился смысл фразы «период разложения ». Упрощённо говоря, через каждые ситуация вновь и вновь повторяется.
На практике обычно достаточно изобразить три периода разложения, как это сделано на чертеже. Ну и ещё «обрубки» соседних периодов – чтобы было понятно, что график продолжается.
Особый интерес представляют точки разрыва 1-го рода
. В таких точках ряд Фурье сходится к изолированным значениям, которые расположены ровнёхонько посередине «скачка» разрыва (красные точки на чертеже). Как узнать ординату этих точек? Сначала найдём ординату «верхнего этажа»: для этого вычислим значение функции в крайней правой точке центрального периода разложения: . Чтобы вычислить ординату «нижнего этажа» проще всего взять крайнее левое значение этого же периода: 
. Ордината среднего значения – это среднее арифметическое суммы «верха и низа»: . Приятным является тот факт, что при построении чертежа вы сразу увидите, правильно или неправильно вычислена середина.
Построим частичную сумму ряда и заодно повторим смысл термина «сходимость». Мотив известен ещё из урока о сумме числового ряда
. Распишем наше богатство подробно:
Чтобы составить частичную сумму необходимо записать нулевой + ещё два члена ряда. То есть,
На чертеже график функции изображен зелёным цветом, и, как видите, он достаточно плотно «обвивает» полную сумму . Если рассмотреть частичную сумму из пяти членов ряда , то график этой функции будет ещё точнее приближать красные линии, если сто членов – то «зелёный змий» фактически полностью сольётся с красными отрезками и т.д. Таким образом, ряд Фурье сходится к своей сумме .
Интересно отметить, что любая частичная сумма – это непрерывная функция , однако полная сумма ряда всё же разрывна.
На практике не так уж редко требуется построить и график частичной суммы. Как это сделать? В нашем случае необходимо рассмотреть функцию на отрезке , вычислить её значения на концах отрезка и в промежуточных точках (чем больше точек рассмотрите – тем точнее будет график). Затем следует отметить данные точки на чертеже и аккуратно изобразить график на периоде , после чего «растиражировать» его на соседние промежутки. А как иначе? Ведь приближение – это тоже периодическая функция… …чем-то мне её график напоминает ровный ритм сердца на дисплее медицинского прибора.
Выполнять построение, конечно, не сильно удобно, так как и приходится проявлять сверхаккуратность, выдерживая точность не меньше, чем до половины миллиметра. Впрочем, читателей, которые не в ладах с черчением, обрадую – в «реальной» задаче выполнять чертёж нужно далеко не всегда, где-то в 50% случаев требуется разложить функцию в ряд Фурье и всё.
После выполнения чертежа завершаем задание:
Ответ
: 
Во многих задачах функция терпит разрыв 1-го рода прямо на периоде разложения:
Пример 3
Разложить в ряд Фурье функцию , заданную на отрезке . Начертить график функции и полной суммы ряда.
Предложенная функция задана кусочным образом (причём, заметьте, только на отрезке )
и терпит разрыв 1-го рода
в точке . Можно ли вычислить коэффициенты Фурье? Без проблем. И левая и правая части функции интегрируемы на своих промежутках, поэтому интегралы в каждой из трёх формул следует представить в виде суммы двух интегралов. Посмотрим, например, как это делается у нулевого коэффициента:
Второй интеграл оказался равным нулю, что убавило работы, но так бывает далеко не всегда.
Аналогично расписываются два других коэффициента Фурье.
Как изобразить сумму ряда? На левом интервале чертим отрезок прямой , а на интервале – отрезок прямой (жирно-жирно выделяем участок оси ). То есть, на промежутке разложения сумма ряда совпадает с функцией везде, кроме трёх «нехороших» точек. В точке разрыва функции ряд Фурье сойдётся к изолированному значению, которое располагается ровно посередине «скачка» разрыва. Его нетрудно увидеть и устно: левосторонний предел: , правосторонний предел: 
и, очевидно, что ордината средней точки равна 0,5.
В силу периодичности суммы , картинку необходимо «размножить» на соседние периоды, в частности изобразить то же самое на интервалах и . При этом, в точках ряд Фурье сойдётся к срединным значениям.
По сути-то ничего нового здесь нет.
Постарайтесь самостоятельно справиться с данной задачей. Примерный образец чистового оформления и чертёж в конце урока.
Разложение функции в ряд Фурье на произвольном периоде
Для произвольного периода разложения , где «эль» – любое положительное число, формулы ряда Фурье и коэффициентов Фурье отличаются немного усложнённым аргументом синуса и косинуса:
Если , то получаются формулы промежутка , с которых мы начинали.
Алгоритм и принципы решения задачи полностью сохраняются, но возрастает техническая сложность вычислений:
Пример 4
Разложить функцию в ряд Фурье и построить график суммы.
Решение : фактически аналог Примера №3 с разрывом 1-го рода в точке . В данной задаче период разложения , полупериод . Функция определена только на полуинтервале , но это не меняет дела – важно, что оба куска функции интегрируемы.
Разложим функцию в ряд Фурье:
Поскольку функция разрывна в начале координат, то каждый коэффициент Фурье очевидным образом следует записать в виде суммы двух интегралов:
1) Первый интеграл распишу максимально подробно:
2) Тщательным образом вглядываемся в поверхность Луны:
Второй интеграл берём по частям
:
На что следует обратить пристальное внимание, после того, как мы звёздочкой открываем продолжение решения?
Во-первых, не теряем первый интеграл 
, где сразу же выполняем подведение под знак дифференциала
. Во-вторых, не забываем злополучную константу перед большими скобками и не путаемся в знаках
при использовании формулы 
. Большие скобки, всё-таки удобнее раскрывать сразу же на следующем шаге.
Остальное дело техники, затруднения может вызвать только недостаточный опыт решенияинтегралов.
Да, не зря именитые коллеги французского математика Фурье возмущались – как это тот посмел раскладывать функции в тригонометрические ряды?! =) К слову, наверное, всем интересен практический смысл рассматриваемого задания. Сам Фурье работал над математической моделью теплопроводности, а впоследствии ряд, названный его именем стал применяться для исследования многих периодических процессов, коих в окружающем мире видимо-невидимо. Сейчас, кстати, поймал себя на мысли, что не случайно сравнил график второго примера с периодическим ритмом сердца. Желающие могут ознакомиться с практическим применением преобразования Фурье в сторонних источниках. …Хотя лучше не надо – будет вспоминаться, как Первая Любовь =)
3) Учитывая неоднократно упоминавшиеся слабые звенья, разбираемся с третьим коэффициентом:
Интегрируем по частям:
Подставим найдённые коэффициенты Фурье в формулу 
, не забывая поделить нулевой коэффициент пополам:
Построим график суммы ряда. Кратко повторим порядок действий: на интервале строим прямую , а на интервале – прямую . При нулевом значении «икс» ставим точку посередине «скачка» разрыва и «тиражируем» график на соседние периоды:
На «стыках» периодов сумма также будет равна серединам «скачка» разрыва .
Готово. Напоминаю, что сама функция по условию определена только на полуинтервале и, очевидно, совпадает с суммой ряда на интервалах
Ответ :
Иногда кусочно-заданная функция бывает и непрерывна на периоде разложения. Простейший образец: 
. Решение (см. 2-й том Бохана)
такое же, как и двух предыдущих примерах: несмотря на непрерывность функции
в точке , каждый коэффициент Фурье выражается суммой двух интегралов.
На промежутке разложения точек разрыва 1-го рода и/или точек «стыка» графика может быть и больше (две, три и вообще любое конечное количество). Если функция интегрируема на каждой части, то она также разложима в ряд Фурье. Но из практического опыта такую жесть что-то не припоминаю. Тем не менее, встречаются более трудные задания, чем только что рассмотренное, и в конце статьи для всех желающих есть ссылки на ряды Фурье повышенной сложности.
А пока расслабимся, откинувшись в креслах и созерцая бескрайние звёздные просторы:
Пример 5
Разложить функцию в ряд Фурье на промежутке и построить график суммы ряда.
В данной задаче функция непрерывна на полуинтервале разложения, что упрощает решение. Всё очень похоже на Пример №2. С космического корабля никуда не деться – придётся решать =) Примерный образец оформления в конце урока, график прилагается.
Разложение в ряд Фурье чётных и нечётных функций
С чётными и нечётными функциями процесс решения задачи заметно упрощается. И вот почему. Вернёмся к разложению функции в ряд Фурье на периоде «два пи» 
и произвольном периоде «два эль» 
.
Предположим, что наша функция чётна. Общий же член ряда, как вы видите, содержит чётные косинусы и нечётные синусы. А если мы раскладываем ЧЁТНУЮ функцию, то зачем нам нечётные синусы?! Давайте обнулим ненужный коэффициент: .
Таким образом, чётная функция раскладывается в ряд Фурье только по косинусам
:
Поскольку интегралы от чётных функций по симметричному относительно нуля отрезку интегрирования можно удваивать, то упрощаются и остальные коэффициенты Фурье.
Для промежутка :
Для произвольного промежутка:
К хрестоматийным примерам, которые есть практически в любом учебнике по матанализу, относятся разложения чётных функций 
. Кроме того, они неоднократно встречались и в моей личной практике:
Пример 6
Дана функция . Требуется:
1) разложить функцию в ряд Фурье с периодом , где – произвольное положительное число;
2) записать разложение на промежутке , построить функцию и график полной суммы ряда .
Решение : в первом пункте предлагается решить задачу в общем виде, и это очень удобно! Появится надобность – просто подставьте своё значение.
1) В данной задаче период разложения , полупериод . В ходе дальнейших действий, в частности при интегрировании, «эль» считается константой
Функция является чётной, а значит, раскладывается в ряд Фурье только по косинусам: 
.
Коэффициенты Фурье ищем по формулам 
. Обратите внимание на их безусловные преимущества. Во-первых, интегрирование проводится по положительному отрезку разложения, а значит, мы благополучно избавляемся от модуля 
, рассматривая из двух кусков только «икс». И, во-вторых, заметно упрощается интегрирование.
Два:
Интегрируем по частям:
Таким образом:
, при этом константу , которая не зависит от «эн», выносим за пределы суммы.
Ответ
: 
2) Запишем разложение на промежутке , для этого в общую формулу подставляем нужное значение полупериода :
Если функция f(x) имеет на некотором интервале, содержащем точку а , производные всех порядков, то к ней может быть применена формула Тейлора:
где r n – так называемый остаточный член или остаток ряда, его можно оценить с помощью формулы Лагранжа:
, где число x заключено между х
и а
.
Если для некоторого значения х r n ®0 при n ®¥, то в пределе формула Тейлора превращается для этого значения в сходящийся ряд Тейлора :
Таким образом, функция f(x) может быть разложена в ряд Тейлора в рассматриваемой точке х , если:
1) она имеет производные всех порядков;
2) построенный ряд сходится в этой точке.
При а =0 получаем ряд, называемый рядом Маклорена :
Пример 1 f(x)= 2 x .
Решение . Найдем значения функции и ее производных при х =0
f(x) = 2 x , f(0) = 2 0 =1;
f¢(x) = 2 x ln2, f¢(0) = 2 0 ln2= ln2;
f¢¢(x) = 2 x ln 2 2, f¢¢(0) = 2 0 ln 2 2= ln 2 2;
f (n) (x) = 2 x ln n 2, f (n) (0) = 2 0 ln n 2= ln n 2.
Подставляя полученные значения производных в формулу ряда Тейлора, получим:
Радиус сходимости этого ряда равен бесконечности, поэтому данное разложение справедливо для -¥<x <+¥.
Пример 2 х +4) для функции f(x)= e x .
Решение . Находим производные функции e x и их значения в точке х =-4.
f(x) = е x , f(-4) = е -4 ;
f¢(x) = е x , f¢(-4) = е -4 ;
f¢¢(x) = е x , f¢¢(-4) = е -4 ;
f (n) (x) = е x , f (n) ( -4) = е -4 .
Следовательно, искомый ряд Тейлора функции имеет вид:
Данное разложение также справедливо для -¥<x <+¥.
Пример 3 . Разложить функцию f(x) =lnx в ряд по степеням (х- 1),
(т.е. в ряд Тейлора в окрестности точки х =1).
Решение . Находим производные данной функции.
Подставляя эти значения в формулу, получим искомый ряд Тейлора:
С помощью признака Даламбера можно убедиться, что ряд сходится при
½х- 1½<1. Действительно,
Ряд сходится, если ½х- 1½<1, т.е. при 0<x <2. При х =2 получаем знакочередующийся ряд, удовлетворяющий условиям признака Лейбница. При х =0 функция не определена. Таким образом, областью сходимости ряда Тейлора является полуоткрытый промежуток (0;2].
Приведем полученные подобным образом разложения в ряд Маклорена (т.е. в окрестности точки х =0) для некоторых элементарных функций:
(2) 
,
(3) 
,
(последнее разложение называют биномиальным рядом)
Пример 4 . Разложить в степенной ряд функцию
Решение . В разложении (1) заменяем х на –х 2 , получаем:
Пример 5
. Разложить в ряд Маклорена функцию 
Решение
. Имеем 
Пользуясь формулой (4), можем записать:
подставляя вместо х в формулу –х , получим:
Отсюда находим:
Раскрывая скобки, переставляя члены ряда и делая приведение подобных слагаемых, получим
Этот ряд сходится в интервале
(-1;1), так как он получен из двух рядов, каждый из которых сходится в этом интервале.
Замечание .
Формулами (1)-(5) можно пользоваться и для разложения соответствующих функций в ряд Тейлора, т.е. для разложения функций по целым положительным степеням (х-а ). Для этого над заданной функцией необходимо произвести такие тождественные преобразования, чтобы получить одну из функций (1)-(5), в которой вместо х стоит k(х-а ) m , где k – постоянное число, m – целое положительное число. Часто при этом удобно сделать замену переменной t =х-а и раскладывать полученную функцию относительно t в ряд Маклорена.
Этот метод иллюстрирует теорему о единственности разложения функции в степенной ряд. Сущность этой теоремы состоит в том, что в окрестности одной и той же точки не может быть получено два различных степенных ряда, которые бы сходились к одной и той же функции, каким бы способом ее разложение ни производилось.
Пример 6 . Разложить функцию в ряд Тейлора в окрестности точки х =3.
Решение . Эту задачу можно решить, как и раньше, с помощью определения ряда Тейлора, для чего нужно найти производные функции и их значения при х =3. Однако проще будет воспользоваться имеющимся разложением (5):
Полученный ряд сходится при 
или –3<x-
3<3, 0<x
< 6 и является искомым рядом Тейлора для данной функции.
Пример 7
. Написать ряд Тейлора по степеням (х
-1) функции 
.
Решение .
Ряд сходится при 
, или -2 < x
£ 5.
Если функция f(x) имеет на некотором интервале, содержащем точку а, производные всех порядков, то к ней может быть применена формула Тейлора:
,
где r n
– так называемый остаточный член или остаток ряда, его можно оценить с помощью формулы Лагранжа:
, где число x заключено между х и а.
Правила ввода функций :
Если для некоторого значения х
r n
→0 при n
→∞, то в пределе формула Тейлора превращается для этого значения в сходящийся ряд Тейлора
:
,
Таким образом, функция f(x) может быть разложена в ряд Тейлора в рассматриваемой точке х, если:
1) она имеет производные всех порядков;
2) построенный ряд сходится в этой точке.
При а =0 получаем ряд, называемый рядом Маклорена
:
,
Разложение простейших (элементарных) функций в ряд Маклорена:
Показательные функции
, R=∞
Тригонометрические функции
, R=∞
, R=∞
, (-π/2 < x < π/2), R=π/2
Функция actgx не разлагается по степеням x, т.к. ctg0=∞
Гиперболические функции
Логарифмические функции
, -1
Биномиальные ряды
.
Пример №1
. Разложить в степенной ряд функцию f(x)=
2 x
.
Решение
. Найдем значения функции и ее производных при х
=0
f(x)
= 2 x
, f(0)
= 2 0
=1;
f"(x)
= 2 x
ln2, f"(0)
= 2 0
ln2= ln2;
f""(x)
= 2 x
ln 2 2, f""(0)
= 2 0
ln 2 2= ln 2 2;
…
f (n) (x)
= 2 x
ln n
2, f (n) (0)
= 2 0
ln n
2= ln n
2.
Подставляя полученные значения производных в формулу ряда Тейлора, получим:
Радиус сходимости этого ряда равен бесконечности, поэтому данное разложение справедливо для -∞<x
<+∞.
Пример №2
. Написать ряд Тейлора по степеням (х
+4) для функции f(x)=
e x
.
Решение
. Находим производные функции e x
и их значения в точке х
=-4.
f(x)
= е x
, f(-4)
= е -4
;
f"(x)
= е x
, f"(-4)
= е -4
;
f""(x)
= е x
, f""(-4)
= е -4
;
…
f (n) (x)
= е x
, f (n) ( -4)
= е -4
.
Следовательно, искомый ряд Тейлора функции имеет вид:
Данное разложение также справедливо для -∞<x
<+∞.
Пример №3
. Разложить функцию f(x)
=lnx
в ряд по степеням (х-
1),
(т.е. в ряд Тейлора в окрестности точки х
=1).
Решение
. Находим производные данной функции.
f(x)=lnx , , , , 
f(1)=ln1=0, f"(1)=1, f""(1)=-1, f"""(1)=1*2,..., f (n) =(-1) n-1 (n-1)!
Подставляя эти значения в формулу, получим искомый ряд Тейлора:
С помощью признака Даламбера можно убедиться, что ряд сходится при ½х-1½<1 . Действительно,
Ряд сходится, если ½х-
1½<1, т.е. при 0<x
<2. При х
=2 получаем знакочередующийся ряд, удовлетворяющий условиям признака Лейбница. При х=0 функция не определена. Таким образом, областью сходимости ряда Тейлора является полуоткрытый промежуток (0;2].
Пример №4
. Разложить в степенной ряд функцию .
Пример №5
. Разложить в ряд Маклорена функцию Замечание
.
Этот метод основан на теореме о единственности разложения функции в степенной ряд. Сущность этой теоремы состоит в том, что в окрестности одной и той же точки не может быть получено два различных степенных ряда, которые бы сходились к одной и той же функции, каким бы способом ее разложение ни производилось. Пример №5а
. Разложить в ряд Маклорена функцию , указать область сходимости.
Дробь 3/(1-3x) можно рассматривать как сумму бесконечно убывающей геометрической прогрессии знаменателем 3x, если |3x| < 1. Аналогично, дробь 2/(1+2x) как сумму бесконечно убывающей геометрической прогрессии знаменателем -2x, если |-2x| < 1. В результате получим разложение в степенной ряд
Пример №6
. Разложить функцию в ряд Тейлора в окрестности точки х =3.
Пример №7
. Написать ряд Тейлора по степеням (х -1) функции ln(x+2) .
Пример №8
. Разложить функцию f(x)=sin(πx/4) в ряд Тейлора в окрестности точки x =2.
Пример №1
. Вычислить ln(3) с точностью до 0,01.
Пример №2
. Вычислить с точностью до 0,0001.
Пример №3
. Вычислить интеграл ∫ 0 1 4 sin (x) x с точностью до 10 -5 .
Пример №4
. Вычислить интеграл ∫ 0 1 4 e x 2 с точностью до 0,001.
В теории функциональных
рядов центральное место занимает раздел,
посвященный разложению функции в ряд. Таким образом,
ставится задача: по заданной функции
требуется
найти такой степенной ряд который на некотором
интервале сходился и его сумма была
равна
Эта задача называется
задачей
разложения функции в степенной ряд.
Необходимым
условием разложимости функции в степенной
ряд
является
её дифференцируемость бесконечное
число раз – это следует из свойств
сходящихся степенных рядов. Такое
условие выполняется, как правило, для
элементарных функций в их области
определения. Итак, предположим,
что функция
Допустим, что
функцию где а
0 ,а
1 ,а
2 ,...,а
п
,...
– неопределенные
(пока) коэффициенты. Положим в равенстве
(*) значение х
= х
0 ,
тогда получим Продифференцируем
степенной ряд (*) почленно и полагая здесь
х = х
0 ,
получим При следующем
дифференцировании получим ряд полагая х
= х
0 ,
получим После п
-кратного
дифференцирования получим Полагая в последнем
равенстве х
= х
0 ,
получим
Итак, коэффициенты
найдены подставляя которые
в ряд (*), получим Полученный
ряд называется рядом
Тейлора
для функции
Таким образом, мы
установили, что если
функцию можно разложить в степенной
ряд по степеням (х - х
0 ),
то это разложение единственно и полученный
ряд обязательно является рядом Тейлора.
Заметим,
что ряд Тейлора можно получить для любой
функции, имеющей производные любого
порядка в точке х
= х
0 .
Но это еще
не означает, что между функцией и
полученным рядом можно поставить знак
равенства, т.е. что сумма ряда равна
исходной функции. Во-первых, такое
равенство может иметь смысл только в
области сходимости, а полученный для
функции ряд Тейлора может и расходиться,
во-вторых, если ряд Тейлора будет
сходиться, то его сумма может не совпадать
с исходной функцией. Сформулируем
утверждение, с помощью которого будет
решена поставленная задача. Если функция
где
R
n
(х
)-остаточный
член формулы Тейлора – имеет вид (форма
Лагранжа)
где
точка
ξ
лежит между
х и х
0 . Отметим, что между
рядом Тейлора и формулой Тейлора имеется
различие: формула Тейлора представляет
собой конечную сумму, т.е. п
-
фиксированное
число. Напомним, что сумма
ряда S
(x
)
может быть
определена как предел функциональной
последовательности частичных сумм
S
п
(x
)
на некотором
промежутке Х
: Согласно этому,
разложить функцию в ряд Тейлора означает
найти такой ряд, что для любого х
X
Запишем формулу
Тейлора в виде,
где Заметим, что Если
Тем самыммы доказали
критерий
разложимости функции в ряд Тейлора.
Для того, чтобы
в некотором промежутке функция
f
(х)
разлагалась в ряд Тейлора, необходимо
и достаточно, чтобы на этом промежутке
С помощью
сформулированного критерия можно
получить достаточные
условия
разложимости функции в ряд Тейлора.
Если в
некоторой
окрестности точки х
0
абсолютные величины всех производных
функции ограничены одним и тем же числом
М
≥ 0,
т.е.
Из вышеизложенного
следует алгоритм
разложения
функции
f
(x
)
в ряд Тейлора
в
окрестности точки х
0 :
1.
Находим
производные функции f
(x
):
f(x),
f’(x), f”(x), f’”(x), f
(n)
(x),…
2. Вычисляем значение
функции и значения её производных в
точке х
0 f(x
0
),
f’(x
0
),
f”(x
0
),
f’”(x
0
),
f
(n)
(x
0
),…
3. Формально
записываем ряд Тейлора и находим область
сходимости полученного степенного
ряда. 4. Проверяем
выполнение достаточных условий, т.е.
устанавливаем, для каких х
из области
сходимости, остаточный член R
n
(x
)
стремится
к нулю при
Разложение функций
в ряд Тейлора по данному алгоритму
называют разложением
функции в ряд Тейлора по определению
или
непосредственным
разложением.
Разложение в ряд Фурье четных и нечетных функций разложение функции заданной на отрезке в ряд по синусам или по косинусам Ряд Фурье для функции с произвольным периодом Комплексная запись ряда Фурье Ряды Фурье по общим ортогональным системам функций Ряд Фурье по ортогональной системе Минимальное свойство коэффициентов Фурье Неравенство Бесселя Равенство Парсеваля
Замкнутые системы Полнота и замкнутость систем Разложение в ряд Фурье четных и нечетных функций
Функция f(x), определенная на отрезке \-1, где I > 0, называется четной, если
График четной функции симметричен относительно оси ординат.
Функция f(x), определенная на отрезке J), где I > 0, называется нечетной, если
График нечетной функции симметричен относительно начала координат. Пример.
а) Функция
является четной на отрезке |-jt, jt), так как
для всех х е
б) Функция
является нечетной, так как
Разложение в ряд Фурье четных и нечетных функций разложение функции заданной на отрезке в ряд по синусам или по косинусам Ряд Фурье для функции с произвольным периодом Комплексная запись ряда Фурье Ряды Фурье по общим ортогональным системам функций Ряд Фурье по ортогональной системе Минимальное свойство коэффициентов Фурье Неравенство Бесселя Равенство Парсеваля
Замкнутые системы Полнота и замкнутость систем
в) Функция
f(x)=x2-x,
где не принадлежит ни к четным, ни к нечетным функциям, так как
Пусть функция f(x), удовлетворяющая условиям теоремы 1, является четной на отрезке х|. Тогда
для всех
т.е. /(ж) cos nx является четной функцией, a f(x)sinnx - нечетной. Поэтому
коэффициенты Фурье четной функции /(ж) будут равны
Следовательно, ряд Фурье четной функции имеет вид
00
Если f(x) - нечетная функция на отрезке [-тг, ir|, то произведение f(x)cosnx будет нечетной функцией, а произведение f(x) sin пх - четной функцией. Поэтому будем иметь
Таким образом, ряд Фурье нечетной функции имеет вид
Пример 1. Разложить в ряд Фурье на отрезке -х ^ х ^ п функцию
4 Так как эта функция четная и удовлетворяет условиям теоремы 1, то ее ряд Фурье имеет вид
Находим коэффициенты Фурье. Имеем
Применяя дважды интегрирование по частям, получим, что
Значит, ряд Фурье данной функции выглядит так: или, в развернутом виде,
Это равенство справедливо для любого х € , так как в точках х = ±ir сумма ряда совпадает со значениями функции f(x) = х2, поскольку
Графики функции f(x) = х и суммы полученного ряда даны на рис.
Замечание. Этот ряд Фурье позволяет найти сумму одного из сходящихся числовых рядов, а именно, при х = 0 получаем, что
Пример 2. Разложить в ряд Фурье на интервале функцию /(х) = х.
Функция /(х) удовлетворяет условиям теоремы 1, следовательно ее можно разложить в ряд Фурье, который в силу нечетности этой функции будет иметь вид
Интегрируя по частям, находим коэффициенты Фурье
Следовательно, ряд Фурье данной функции имеет вид
Это равенство имеет место для всех х В точках х - ±тг сумма ряда Фурье не совпадает со значениями функции /(х) = х, так как она равна
Вне отрезка [-*, я-] сумма ряда является периодическим продолжением функции /(х) = х; ее график изображен на рис. 6.
§ 6. Разложение функции, заданной на отрезке, в ряд по синусам или по косинусам
Пусть ограниченная кусочно-монотонная функция / задана на отрезке . Значения этой функции на отрезке 0| можно доопределить различным образом. Например, можно определить функцию / на отрезке тс] так, чтобы /. В этом случае говорят, что) «продолжена на отрезок 0] четным образом»; ее ряд Фурье будет содержать только косинусы. Если же функцию /(ж) определить на отрезке [-л-, тс] так, чтобы /(, то получится нечетная функция, и тогда говорят, что / «продолжена на отрезок [-*, 0] нечетным образом»; в этом случае се ряд Фурье будет содержать только синусы.
Итак, каждую ограниченную кусочно-монотонную функцию /(ж), определенную на отрезке , можно разложить в ряд Фурье и по синусам, и по косинусам.
Пример 1. Функцию
разложить в ряд Фурье: а) по косинусам; б) по синусам.
М Данная функция при ее четном и нечетном продолжениях в отрезок |-х,0) будет ограниченной и кусочно-монотонной.
а) Продолжим /(z) в отрезок 0)
а) Продолжим j\x) в отрезок (-тг,0|
четным образом (рис. 7), тогда ее ряд Фурье i будет иметь вид
П=1
где коэффициенты Фурье равны соответственно
для
Следовательно,
б) Продолжим /(z) в отрезок [-x,0] нечетным образом (рис. 8). Тогда ее ряд Фурье
§7. Ряд Фурье для функции с произвольным периодом
Пусть функция fix) является периодической с периодом 21,1 ^ 0. Для разложения ее в ряд Фурье на отрезке где I > 0, сделаем замену переменной, положив
х = jt. Тогда функция F(t) = / ^tj будет периодической функцией аргумента t с
периодом и ее можно разложить на отрезке в ряд Фурье
Возвращаясь к переменной ж, т. е. положив, получим
Все теоремы, справедливые для рядов Фурье периодических функций с периодом 2тг, остаются в силе и для периодических функций с произвольным периодом 21. В частности, сохраняет свою силу и достаточный признак разложимости функции в ряд Фурье.
Пример 1. Разложить в ряд Фурье периодическую функцию с периодом 21, заданную на отрезке [-/,/] формулой
(рис.9).
Так как данная функция четная, то ее ряд Фурье имеет вид
Подставляя в ряд Фурье найденные значения коэффициентов Фурье, получим
Отметим одно важное свойство периодических функций.
Теорема 5. Если функция имеет период Т и интегрируема, то для любого числа а выполняется равенство
m. е. интеграл no отрезку, длина которого равна периоду Т, имеет одно и то же значение независимо от положения этого отрезка на числовой оси.
В самом деле,
Делаем замену переменной во втором интеграле, полагая. Это дает
и следовательно,
Геометрически это свойство означает, что в случае площади заштрихованных на рис. 10 областей равны между собой.
В частности, для функции f(x) с периодом получим при
Разложение в ряд Фурье четных и нечетных функций разложение функции заданной на отрезке в ряд по синусам или по косинусам Ряд Фурье для функции с произвольным периодом Комплексная запись ряда Фурье Ряды Фурье по общим ортогональным системам функций Ряд Фурье по ортогональной системе Минимальное свойство коэффициентов Фурье Неравенство Бесселя Равенство Парсеваля
Замкнутые системы Полнота и замкнутость систем
Пример 2. Функция
x является периодической с периодом
В силу нечетности данной функции без вычисления интегралов можно утверждать, что при любом
Доказанное свойство, в частности, показывает, что коэффициенты Фурье периодической функции f(x) с периодом 21 можно вычислять по формулам
где а - произвольное действительное число (отметим, что функции cos - и sin имеют период 2/).
Пример 3. Разложить в ряд Фурье заданную на интервале функцию
с периодом 2х (рис. 11).
4 Найдем коэффициенты Фурье данной функции. Положив в формулах найдем, что
для Следовательно, ряд Фурье будет выглядеть так:
В точке х = jt (точка разрыва первого рода) имеем
§8. Комплексная запись ряда Фурье
В этом параграфе используются некоторые элементы комплексного анализа (см. главу XXX, где все, производимые здесь действия с комплексными выражениями, строго обоснованы).
Пусть функция f(x) удовлетворяет достаточным условиям разложимости в ряд Фурье. Тогда на отрезке ж] ее можно представить рядом вида
Используя формулы Эйлера
Подставляя эти выражения в ряд (1) вместо cos пх и sin пху будем иметь
Введем следующие обозначения
Тогда ряд (2) примет вид
Таким образом, ряд Фурье (1) представлен в комплексной форме (3).
Найдем выражения коэффициентов через интегралы. Имеем
Аналогично находим
Окончательно формулы для с„, с_п и со можно записать так:
. .
Коэффициенты с„ называются комплексными коэффициентами Фурье функции
Для периодической функции с периодом) комплексная форма ряда Фурье примет вид
где коэффициенты Сп вычисляются по формулам
Сходимость рядов (3) и (4) понимается так: ряды (3) и (4) называются сходящимися для данного значения ж, если существуют пределы
Пример. Разложить в комплексный ряд Фурье функцию периода
Данная функция удовлетворяет достаточным условиям разложимости в ряд Фурье. Пусть
Найдем комплексные коэффициенты Фурье этой функции. Имеем
для нечетных для четных n,
или,короче.
Подставляя значения), окончательно получим
Заметим, что этот ряд можно записать и так:
Ряды Фурье
по общим ортогональным системам функций
9.1. Ортогональные системы функций
Обозначим через множество всех (действительных) функций, определенных
и интегрируемых на отрезке [а, 6] с квадратом, т. е. таких, для которых существует интеграл
В частности, все функции f(x), непрерывные на отрезке [а, 6], принадлежат 6], и значения их интегралов Лебега совпадают со значениями интегралов Римана.
Определение. Система функций, где, называется ортогональной на отрезке [а, Ь\, если
Условие (1) предполагает, в частности, что ни одна из функций не равна тождественно нулю.
Интеграл понимается в смысле Лебега.
и назовем величину нормой функции
Если в ортогональной системе для всякого п имеем, то система
функций называется ортонормированной.
Если система {у>„(ж)} ортогональна, то система
Пример 1. Тригонометрическая система
ортогональна на отрезке. Система функций
является ортонормированной системой функций на, Пример 2. Косинус-система
и синус-система
ортонормирована.
Введем обозначение
являются ортогональными на отрезке (0, f|, но не ортонормированными (при I Ф- 2). так как их нормы
COS
Пример 3. Многочлены, определяемые равенством, называются многочленами (полиномами) Лежандра. При п = 0 имеем
Можно доказать, что функции
образуют ортонормированную систему функций на отрезке.
Покажем, например, ортогональность полиномов Лежандра. Пусть т > п. В этом случае, интегрируя п раз по частям, находим
поскольку для функции t/m = (z2 - I)m все производные до порядка m - I включительно обращаются в нуль на концах отрезка [-1,1).
Определение. Система функций {pn(x)} называется ортогональной на интервале (а, Ь) свесом р(х), если:
1) для всех п = 1,2,... существуют интегралы
Здесь предполагается, что весовая функция р(х) определена и положительна всюду на интервале (а, Ь) за возможным исключением конечного числа точек, где р(х) может обращаться в нуль.
Выполнив дифференцирование в формуле (3), находим. Можно показать, что многочлены Чебышева-Эрмита ортогональны на интервале
Пример 4. Система функций Бесселя {jL(pix)^ ортогональна на интервале нули функции Бесселя
Пример 5. Рассмотрим многочлены Чебышева-Эрмита, которые могут быть определены при помощи равенства. Ряд Фурье по ортогональной системе
Пусть ортогональная система функций в интервале (a, 6) и пусть ряд
(cj = const) сходится на этом интервале к функции f(x):
Умножая обе части последнего равенства на - фиксировано) и интегрируя по ж от а до 6, в силу ортогональности системы получим, что
Эта операция имеет, вообще говоря, чисто формальный характер. Тем не менее, в некоторых случаях, например, когда ряд (4) сходится равномерно, все функции непрерывны и интервал (a, 6) конечен, эта операция законна. Но для нас сейчас важна именно формальная трактовка. Итак, пусть задана функция. Образуем числа с* по формуле (5) и напишем
Ряд, стоящий в правой части, называется рядом Фурье функции f(x) относительно системы {^п(я)}- Числа Сп называются коэффициентами Фурье функции f(x) по этой системе. Знак ~ в формуле (6) означает лишь, что числа Сп связаны с функцией /(ж) формулой (5) (при этом не предполагается, что ряд справа вообще сходится, а тем более сходится к функции f(x)). Поэтому естественно возникает вопрос: каковы свойства этого ряда? В каком смысле он «представляет» функцию f(x)?
9.3. Сходимость в среднем
Определение. Последовательность, сходится к элементу ] в среднем, если
норма в пространстве
Теорема 6. Если последовательность } сходится равномерно, то она сходится и в среднем.
М Пусть последовательность {)} сходится равномерно на отрезке [а, Ь] к функции /(х). Это означает, что для всякого при всех достаточно больших п имеем
Следовательно,
откуда вытекает наше утверждение.
Обратное утверждение неверно: последовательность {} может сходиться в среднем к /(х), но не быть равномерно сходящейся. Пример. Рассмотрим последовательность
пх
Легко видеть, что
Но эта сходимость не равномерна: существует е, например, такое, что сколь бы большим ни было л, на отрезке ,
Разложение в ряд Фурье четных и нечетных функций разложение функции заданной на отрезке в ряд по синусам или по косинусам Ряд Фурье для функции с произвольным периодом Комплексная запись ряда Фурье Ряды Фурье по общим ортогональным системам функций Ряд Фурье по ортогональной системе Минимальное свойство коэффициентов Фурье Неравенство Бесселя Равенство Парсеваля
Замкнутые системы Полнота и замкнутость систем
и пусть Обозначим через с* коэффициенты Фурье функции /(х) по ортонормированной системе
ь
Рассмотрим линейную комбинацию
где n ^ 1 - фиксированное целое число, и найдем значения постоянных, при которых интеграл
принимает минимальное значение. Запишем его подробнее
Интефируя почленно, в силу ортонормированности системы получим
Первые два слагаемых в правой части равенства (7) не зависят, а третье слагаемое неотрицательно. Поэтому интеграл (*) принимает минимальное значение при ак = ск
Интеграл
называют средним квадратичным приближением функции /(х) линейной комбинацией Тп(х). Таким образом, среднее квадратичное приближение функции/\ принимает минимальное значение, когда. когда Тп(х) есть 71-я частичная сумма ряда Фурье функции /(х) по системе {. Полагая ак = ск, из (7) получаем
Равенство (9) называется тождеством Бесселя. Так как его левая часть неотрицательна, то из него следует неравенство Бесселя
Поскольку я здесь произвольно, то неравенство Бесселя можно представить в усиленной форме
т. е. для всякой функции / ряд из квадратов коэффициентов Фурье этой функции по ортонормированной системе } сходится. Так как система
ортонормирована на отрезке [-х, тг], то неравенство (10) в переводе на привычную запись тригонометрического ряда Фурье дает соотношение
do
справедливое для любой функции /(х) с интегрируемым квадратом.
Если f2(x) интегрируема, то в силу необходимого условия сходимости ряда в левой части неравенства (11) получаем, что. Равенство Парсе валя
Для некоторых систем {^„(х)} знак неравенства в формуле (10) может быть заменен (для всех функций /(х) 6 Ч) знаком равенства. Получаемое равенство
называется равенством Парсеваля-Стеклова (условием полноты).
Тождество Бесселя (9) позволяет записать условие (12) в равносильной форме
Тем самым выполнение условия полноты означает, что частичные суммы Sn(x) ряда Фурье функции /(х) сходятся к функции /(х) в среднем, т.е. по норме пространства 6].
Определение. Ортонормированная система { называется полной в Ь2[ау Ь], если всякую функцию
можно с любой точностью приблизить в среднем линейной комбинацией вида
с достаточно большим числом слагаемых, т. е. если для всякой функции/(х) € Ь2[а, Ь\ и для любого е > 0 найдется натуральное число nq и числа а\, а2у..., такие, что
No
Из приведенных рассуждений следует
Теорема 7. Если ортонормированием система } полна в пространстве ряд Фурье всякой функции / по этой системе сходится к f(x) в среднем, т. е. по норме
Можно показать, что тригонометрическая система
полна в пространстве, Отсюда следует утверждение.
Теорема 8. Если функция /о ее тригонометрический ряд Фурье сходится к ней в среднем.
9.5. Замкнутые системы. Полнота и замкнутость систем
Определение. Ортонормированная система функций \, называется замкнутой, если в пространстве Li\a, Ь) не существует отличной от нуля функции, ортогональной ко всем функциям
В пространстве L2\a, Ь\ понятия полноты и замкнутости ортонормированных систем совпадают.
Упражнения
1. Разложите в ряд Фурье в интервале (-я-, ж) функцию
2. Разложите в ряд Фурье в интервале (-тг, тг) функцию
3. Разложите в ряд Фурье в интервале (-тг, тг) функцию
4. Разложите в ряд Фурье в интервале (-jt, тг) функцию
5. Разложите в ряд Фурье в интервале (-тг, тг) функцию f(x) = ж + х.
6. Разложите в ряд Фурье в интервале (-jt, тг) функцию
п
7. Разложите в ряд Фурье в интервале (-тг, ж) функцию /(х) = sin2 х.
8. Разложите в ряд Фурье в интервале (-тг, jt) функцию f(x) = у 9. Разложите в ряд Фурье в интервале (-тт, -к) функцию /(х) = | sin х|.
10. Разложите в ряд Фурье в интервале (-я-, тг) функцию /(х) = §.
11. Разложите в ряд Фурье в интервале (-тг, тг) функцию f(x) = sin §.
12. Разложите в ряд Фурье функцию f(x) = п -2х, заданную в интервале (0, х), продолжив ее в интервал (-х, 0): а) четным образом; б) нечетным образом.
13. Разложите в ряд Фурье по синусам функцию /(х) = х2, заданную в интервале (0, х).
14. Разложите в ряд Фурье функцию /(х) = 3-х, заданную в интервале (-2,2).
15. Разложите в ряд Фурье функцию f(x) = |х|, заданную в интервале (-1,1).
16. Разложите в ряд Фурье по синусам функцию f(x) = 2х, заданную в интервале (0,1).
Решение
. В разложении (1) заменяем х на -х 2 , получаем:
, -∞
.
Решение
. Имеем
Пользуясь формулой (4), можем записать:
подставляя вместо х в формулу –х, получим:
Отсюда находим: ln(1+x)-ln(1-x) = -
Раскрывая скобки, переставляя члены ряда и делая приведение подобных слагаемых, получим
. Этот ряд сходится в интервале (-1;1), так как он получен из двух рядов, каждый из которых сходится в этом интервале.
Формулами (1)-(5) можно пользоваться и для разложения соответствующих функций в ряд Тейлора, т.е. для разложения функций по целым положительным степеням (х-а
). Для этого над заданной функцией необходимо произвести такие тождественные преобразования, чтобы получить одну из функций (1)-(5), в которой вместо х
стоит k(х-а
) m , где k – постоянное число, m – целое положительное число. Часто при этом удобно сделать замену переменной t
=х-а
и раскладывать полученную функцию относительно t в ряд Маклорена.
Решение. Сначала найдем 1-x-6x 2 =(1-3x)(1+2x) , .
на элементарные:
с областью сходимости |x| < 1/3.
Решение
. Эту задачу можно решить, как и раньше, с помощью определения ряда Тейлора, для чего нужно найти производные функции и их значения при х
=3. Однако проще будет воспользоваться имеющимся разложением (5):
=
Полученный ряд сходится при или –3
Решение
.
Ряд сходится при , или -2 < x < 5.
Решение
. Сделаем замену t=х-2:
Воспользовавшись разложением (3), в котором на место х подставим π / 4 t, получим:
Полученный ряд сходится к заданной функции при -∞< π / 4 t<+∞, т.е. при (-∞
, (-∞Приближенные вычисления с помощью степенных рядов
Степенные ряды широко используются в приближенных вычислениях. С их помощью с заданной точностью можно вычислять значения корней, тригонометрических функций, логарифмов чисел, определенных интегралов. Ряды применяются также при интегрировании дифференциальных уравнений.
Рассмотрим разложение функции в степенной ряд:
Для того, чтобы вычислить приближенное значение функции в заданной точке х
, принадлежащей области сходимости указанного ряда, в ее разложении оставляют первые n
членов (n
– конечное число), а остальные слагаемые отбрасывают:
Для оценки погрешности полученного приближенного значения необходимо оценить отброшенный остаток r n (x) . Для этого применяют следующие приемы:
Решение
. Воспользуемся разложением , где x=1/2 (см. пример 5 в предыдущей теме):
Проверим, можем ли мы отбросить остаток после первых трех членов разложения, для этого оценим его с помощью суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии:
Таким образом, мы можем отбросить этот остаток и получаем
Решение
. Воспользуемся биномиальным рядом. Так как 5 3 является ближайшим к 130 кубом целого числа, то целесообразно число 130 представить в виде 130=5 3 +5.
так как уже четвертый член полученного знакочередующегося ряда, удовлетворяющего признаку Лейбница, меньше требуемой точности:
, поэтому его и следующие за ним члены можно отбросить.
Многие практически нужные определенные или несобственные интегралы не могут быть вычислены с помощью формулы Ньютона-Лейбница, ибо ее применение связано с нахождением первообразной, часто не имеющей выражения в элементарных функциях. Бывает также, что нахождение первообразной возможно, но излишне трудоемко. Однако если подынтегральная функция раскладывается в степенной ряд, а пределы интегрирования принадлежат интервалу сходимости этого ряда, то возможно приближенное вычисление интеграла с наперед заданной точностью.
Решение
. Соответствующий неопределенный интеграл не может быть выражен в элементарных функциях, т.е. представляет собой «неберущийся интеграл». Применить формулу Ньютона-Лейбница здесь нельзя. Вычислим интеграл приближенно.
Разделив почленно ряд для sinx
на x
, получим:
Интегрируя этот ряд почленно (это возможно, так как пределы интегрирования принадлежат интервалу сходимости данного ряда), получаем:
Так как полученный ряд удовлетворяет условиям Лейбница и достаточно взять сумму первых двух членов, чтобы получить искомое значение с заданной точностью.
Таким образом, находим
.
Решение
.
. Проверим, можем ли мы отбросить остаток после второго члена полученного ряда.
≈0.0001<0.001. Следовательно, 
.
,
т.е.
=
..
имеет производные любого порядка. Можно
ли её разложить в степенной ряд, если
можно, то как найти этот ряд? Проще
решается вторая часть задачи, с неё и
начнем.
можно представить в виде суммы степенного
ряда, сходящегося в интервале, содержащем
точкух
0 :
=
..
(*)
.
=
..
.
=
..
,
откуда
.
,
откуда
,
,
,
…,
,….,
.
3.2. Достаточные условия разложимости функции в ряд Тейлора
в некоторой
окрестности точки х
0
имеет производные до (n
+
1)-го
порядка включительно, то в этой окрестности
имеет место
формула
Тейлора
.
определяет ту
ошибку, которую мы получаем, заменяй
функцию f
(x
)
многочленом
S
n
(x
).
,
то
,т.е. функция
разлагается в ряд
Тейлора. Инаоборот,
если
,
то
.
,
где
R
n
(x
)
- остаточный член ряда Тейлора.
,
т
о в этой
окрестности функция разлагается в ряд
Тейлора.
или
.
