8.8: Серія Тейлора
У розділі 8.6 ми показали, як певні функції можуть бути представлені функцією рядів потужності. У 8.7 ми показали, як ми можемо наближати функції з поліномами, враховуючи, що є достатньо похідної інформації. У цьому розділі ми поєднуємо ці поняття: якщо функціяf(x) нескінченно диференційовна, ми покажемо, як представляти її за допомогою функції степеневого ряду.
Визначення 39 серій Тейлора та Маклорина
Нехайf(x) є похідні від усіх замовлень наx=c.
- Серія Тейлораf(x), cзосереджена на∞∑n=0f(n)(c)n!(x−c)n.
- Налаштуванняc=0 дає серії Maclaurinf(x):∞∑n=0f(n)(0)n!xn.
Різниця між поліномом Тейлора та рядом Тейлора полягає в тому, що перший є поліномом, що містить лише скінченну кількість членів, тоді як останній - це ряд, підсумовування нескінченної множини термінів. При створенні полінома Тейлора ступеняn для функціїf(x) вx=c, нам потрібно було оцінитиf, і першіn похідніf, вx=c .При створенні ряду Тейлораf, це допомагає знайти закономірність, яка описуєnth похідне відf atx=c .Ми демонструємо це в наступних двох прикладах.
Приклад8.8.1: The Maclaurin series of f(x)=cosx
Знайдіть серію Маклоренf(x)=cosx.
Розв'язок У прикладі 8.7.4 ми знайшли8th ступінь полінома Маклорена відcosx .При цьому ми створили таблицю, наведену на малюнку 8.29.

Зверніть увагу, якf(n)(0)=0 колиn непарний,f(n)(0)=1 колиn ділиться на4, аf(n)(0)=−1 колиn парний, але не ділиться на 4. Таким чином, серіяcosx Маклорен
1−x22+x44!−x66!+x88!−⋯
Ми можемо піти далі і написати це як підсумок. Оскільки нам потрібні лише терміни, де потужність парна, ми пишемо ряд потужності з точки зоруx2n:x
∞∑n=0(−1)nx2n(2n)!.
Приклад8.8.2: The Taylor series of f(x)=lnx at x=1
Знайдіть серію Тейлора зf(x)=lnx центром наx=1.
Рішення
Рисунок 8.30 показуєnth похіднуlnx оціненої приx=1 forn=0,…,5 разом з виразом дляnth терміна:\[f\,^{(n)}(1) = (-1)^{n+1}(n-1)!\quad \text{for n≥1.}\] Пам'ятайте, що саме це відрізняє ряд Тейлора від поліномів Тейлора; нас дуже цікавить знаходження закономірності дляnth терміна, а не просто знаходження скінченної множини коефіцієнтів для полінома.

Оскількиf(1)=ln1=0 ми пропускаємо перший термін і починаємо підсумовування зn=1, даючи серії Тейлора дляlnx, зосереджені наx=1, як
∞∑n=1(−1)n+1(n−1)!1n!(x−1)n=∞∑n=1(−1)n+1(x−1)nn.
Важливо зазначити, що визначення 39 визначає ряд Тейлора, заданий функцієюf(x); однак ми ще не можемо констатувати, щоf(x) дорівнює його ряду Тейлора. Ми виявимо, що «більшу частину часу» вони рівні, але потрібно враховувати умови, які дозволяють зробити висновок про це.
Теорема 76 стверджує, що похибка між функцієюf(x) та її поліномом Тейлораnth —ступеняpn(x) єRn(x), де
|Rn(x)|≤max|f(n+1)(z)|(n+1)!|(x−c)(n+1)|.
ЯкщоRn(x) йде до 0 для кожногоx в інтервалі, колиIn наближається до нескінченності, ми робимо висновок, що функція дорівнює її розширенню рядів Тейлора.
теорема 77 функція і рівність рядів Тейлора
Дозволятиf(x) мати похідні всіх порядків вx=c, нехайRn(x) буде, як зазначено в теоремі 76, і нехайI буде інтервал, на якому серія Тейлораf(x) сходиться.
Якщоlimn→∞Rn(x)=0 для всіхx вI, то\[f(x) = \sum_{n=0}^\infty \frac{f\,^{(n)}(c)}{n!}(x-c)^n\ \text{ on I.}\]
Продемонстровано використання цієї теореми на прикладі.
Приклад8.8.3: Establishing equality of a function and its Taylor series
Покажіть, щоf(x)=cosx дорівнює його серії Маклорена, як показано в прикладі 8.8.1, для всіхx.
Рішення
За заданим значеннямx величина терміна похибкиRn(x) обмежена
|Rn(x)|≤max|f(n+1)(z)|(n+1)!|xn+1|.
Оскільки всіcosx похідні від є±sinx або±cosx, чиї величини обмежені1, ми можемо констатувати
|Rn(x)|≤1(n+1)!|xn+1|
що має на увазі
−|xn+1|(n+1)!≤Rn(x)≤|xn+1|(n+1)!.
Для будь-якогоx,limn→∞xn+1(n+1)!=0. Застосовуючи теорему стискання до рівняння\ ref {eq:coseqtaylor}, ми робимо висновок, щоlimn→∞Rn(x)=0 для всіхx, а значить
\[\cos x = \sum_{n=0}^\infty (-1)^{n}\frac{x^{2n}}{(2n)!}\quad \text{for all x}.\]
Природно припустити, що функція дорівнює її ряду Тейлора на інтервалі збіжності ряду, але це не так. Для того щоб правильно встановити рівність, потрібно використовувати теорему 77. Це трохи розчаровує, оскільки ми розробили прекрасні методи визначення інтервалу збіжності степеневого ряду, і доведення того, щоRn(x)→0 може бути громіздким, оскільки він має справу з похідними функції високого порядку.
Є хороші новини. Функція,f(x) яка дорівнює її серії Тейлора, зосереджена в будь-якій точці області, як кажутьf(x), є аналітичною функцією, і більшість, якщо не всі, функції, які ми стикаємося в цьому курсі, є аналітичними функціями. Взагалі кажучи, будь-яка функція, яку створюється з елементарними функціями (поліномами, експоненціальними, тригонометричними функціями тощо), яка не є кусково визначеною, є, ймовірно, аналітичною. Для більшості функцій ми припускаємо, що функція дорівнює її ряду Тейлора на інтервалі збіжності ряду і використовуємо теорему 77 лише тоді, коли ми підозрюємо, що щось може працювати не так, як очікувалося.
Розробляємо ряд Тейлора для ще однієї важливої функції, потім наведемо таблицю ряду Тейлора для ряду загальних функцій.
Приклад8.8.4: The Binomial Series
Знайдіть серію Маклоренf(x)=(1+x)k,k≠0.
Рішення
Колиk є натуральним числом, ряд Маклорен є кінцевим. Наприклад, колиk=4, у нас є
f(x)=(1+x)4=1+4x+6x2+4x3+x4.
Коефіцієнтиx колиk є додатним цілим числом відомі як біноміальні коефіцієнти, даючи ряд, який ми розробляємо його назву.
Колиk=1/2, миf(x)=√1+x має.Знаючи серійне подання цієї функції дасть корисний спосіб наближення√1.3, наприклад.
Щоб розробити ряд Маклоренаf(x)=(1+x)k для будь-якого значенняk≠0, ми розглядаємо похідніf оцінюваних приx=0:
Таким чином, серія Maclaurinf(x)=(1+x)k для
1+k+k(k−1)2!+k(k−1)(k−2)3!+…+k(k−1)⋯(k−(n−1))n!+…
Важливо визначити інтервал сходження цього ряду. З
an=k(k−1)⋯(k−(n−1))n!xn,
застосовуємо тест співвідношення:
\ [\ почати {вирівнювати*}
\ lim\ limits_ {n\ to\ infty}\ розрив {|a_ {n+1} |} {|a_n|} &=\ lim\ limits_ {n\ to\ infty}\ вліво |\ frac {k (k-1)\ cdots (k-n)} {(n+1)!} x^ {n+1}\ праворуч |\ Великий/\ ліво|\ frac {k (k-1)\ cdots\ великий (k- (n-1)\ великий)} {n!} x^n\ праворуч |\\
&=\ lim\ limits_ {n\ to\ infty}\ ліворуч |\ frac {k-n} {n} х\ праворуч |\\
&= |x|.
\ end {вирівнювати*}\]
Серія сходиться абсолютно, коли межа тесту коефіцієнта менше 1; отже, ми маємо абсолютну збіжність, коли|x|<1.
Перебуваючи поза межами цього тексту, інтервал збіжності залежить відk значення.Whenk>0, інтервал збіжності[−1,1] становить.When−1<k<0, інтервал збіжності[−1,1) становить.Ifk≤−1, інтервал збіжності дорівнює(−1,1).
Ми дізналися, що поліноми Тейлора пропонують спосіб наближення «важко обчислити» функції з поліномом. Серія Тейлора пропонує спосіб точного представлення функції з серією. Ймовірно, можна побачити використання хорошого наближення; чи є використання представлення функції саме як ряд?
Хоча ми не повинні випускати з уваги математичну красу серій Тейлора (що є достатньою підставою для їх вивчення), є і практичне застосування. Вони забезпечують цінний інструмент для вирішення різноманітних задач, включаючи проблеми, пов'язані з інтеграцією та диференціальними рівняннями.
У Key Idea 32 (на наступній сторінці) ми наведемо таблицю ряду Тейлора ряду загальних функцій. Потім ми наведемо теорему про «алгебру степеневих рядів», тобто про те, як ми можемо об'єднати ряди степенів для створення енергетичних рядів нових функцій. Це дозволяє нам знайти ряд функцій Тейлора, як,f(x)=excosx знаючи серію Тейлораex іcosx.
Перш ніж досліджувати функції об'єднання, розглянемо ряд Тейлора для функції арктангенса (див. Ключ Ідея 32). Знаючи цеtan−1(1)=π/4, ми можемо використовувати цей ряд для наближення значенняπ:
\ [\ почати {вирівняти}
\ розрив {\ пі} 4 &=\ tan^ {-1} (1) = 1-\ frac13+\ frac15-\ frac17+\ frac19-\ cdots\\\ pi &= 4
\ ліворуч (1-\ frac13+\ frac15-\ frac17+\ frac19-\ cdots\ праворуч)
\ кінець {вирівнювання}\]
На жаль, саме це розширенняπ сходиться дуже повільно. Перші 100 термінів приблизніπ як3.13159, що не особливо добре.
КЛЮЧОВА ІДЕЯ 32 ВАЖЛИВІ РОЗШИРЕННЯ СЕРІЇ ТЕЙЛОРА
ТЕОРЕМА 78 АЛГЕБРА ПОТУЖНИХ РЯДІВ
Нехайf(x)=∑∞n=0anxn іg(x)=∑∞n=0bnxn сходяться абсолютно для|x|<R, і нехайh(x) будуть безперервними.
- f(x)±g(x)=∑∞n=0(an±bn)xn\ квадроцикл для|x|<R.
- f(x)g(x)=(∑∞n=0anxn)(∑∞n=0bnxn)=∑∞n=0(a0bn+a1bn−1+…anb0)xn for |x|<R.
- f(h(x))=∑∞n=0an(h(x))n for |h(x)|<R.
Приклад8.8.5: Combining Taylor series
Випишіть перші 3 терміни серії Тейлора дляf(x)=excosx використання Key Idea 32 та теореми 78.
Рішення
Ключова ідея 32 повідомляє нам, що
ex=1+x+x22!+x33!+⋯andcosx=1−x22!+x44!+⋯.
Застосовуючи теорему 78, ми знаходимо, що
\ (\ begin {вирівнювання}
e^x\ cos х &=\ лівий (1+x+\ frac {x^2} {2!} +\ гідророзриву {x^3} {3!} +\ cdots\ праворуч)\ ліворуч (1-\ frac {x^2} {2!} +\ гідророзриву {x^4} {4!} +\ cdots\ праворуч). \\
\ text {Розподілити} &\ text {вираз правої руки по лівому краю:}\\
&= 1\ left (1-\ frac {x^2} {2!} +\ гідророзриву {x^4} {4!} +\ cdots\ праворуч) +х\ ліворуч (1-\ frac {x^2} {2!} +\ гідророзриву {x^4} {4!} +\ cdots\ праворуч) +\ frac {x^2} {2!} \ ліворуч (1-\ розриву {x^2} {2!} +\ гідророзриву {x^4} {4!} +\ cdots\ праворуч)\\
&+\ frac {x^3} {3!} \ ліворуч (1-\ розриву {x^2} {2!} +\ гідророзриву {x^4} {4!} +\ cdots\ праворуч) +\ frac {x^4} {4!} \ ліворуч (1-\ розриву {x^2} {2!} +\ гідророзриву {x^4} {4!} +\ cdots\ право) +\ cdots\\
&\ text {Розподілити знову і збирати подібні терміни.} \\
&= 1 + х -\ розрив {x^3} {3} -\ розрив {x^4} {6} -\ гідророзриву {x^5} {30} +\ гідророзриву {x^7} {630} +\ cdots
\ end {вирівнювання}\)
Хоча цей процес трохи виснажливий, він набагато швидше, ніж оцінка всіх необхідних похіднихexcosx і обчислення серії Тейлора безпосередньо.
Оскільки серія дляex іcosx обидва сходяться(−∞,∞), так само і розширення серії дляexcosx.
Приклад8.8.6: Creating new Taylor series
Використовуйте теорему 78 для створення рядів дляy=sin(x2) іy=ln(√x).
Рішення
Враховуючи, що
sinx=∞∑n=0(−1)nx2n+1(2n+1)!=x−x33!+x55!−x77!+⋯,
ми простоx2 підставляємоx в серії, даючи
sin(x2)=∞∑n=0(−1)n(x2)2n+1(2n+1)!=x2−x63!+x105!−x147!⋯.
Оскільки серія Тейлора дляsinx має нескінченний радіус зближення, так само і серія Тейлора дляsin(x2).
Розширення Тейлора дляlnx наведеного в Key Idea 32 зосереджено наx=1, тому миx=1 також будемоln(√x) центрувати серію.
З
lnx=∞∑n=1(−1)n+1(x−1)nn=(x−1)−(x−1)22+(x−1)33−⋯,
ми замінюємо√xx для отримання
ln(√x)=∞∑n=1(−1)n+1(√x−1)nn=(√x−1)−(√x−1)22+(√x−1)33−⋯.
Хоча це не строго силовий ряд, це ряд, який дозволяє нам вивчитиln(√x) функцію.Оскільки інтервал збіжностіlnx є(0,2], а діапазон√x включення(0,4] є(0,2], інтервал збіжності цього ряду розширенняln(√x) є(0,4].
Примітка: У прикладі 8.8.6 можна створити серію, простоln(√x) визнавши цеln(√x)=ln(x1/2)=1/2lnx, і, отже, помноживши серію Тейлора дляlnx1/2 по.Цей приклад був обраний для демонстрації інших аспектів серії, таких як той факт, що інтервал конвергенції змінюється.
Приклад8.8.7: Using Taylor series to evaluate definite integrals
Використовуйте серію Тейлораe−x2 для оцінки∫10e−x2 dx.
Рішення
При вивченні числового інтегрування ми дізналися, щоe−x2 не має антипохідної, що виражається в терміні елементарних функцій. Це означає, що будь-який певний інтеграл цієї функції повинен мати своє значення наближене, а не обчислене точно.
Ми можемо швидко виписати серію Тейлора дляe−x2 використання серії Тейлораex:
\ [\ почати {вирівнювати*}
e^x &=\ sum_ {n=0} ^\ infty\ розрив {x^n} {n!} = 1+х+\ гідророзриву {x^2} {2!} +\ гідророзриву {x^3} {3!} +\ cdots
\\ текст {і так} &\\
e^ {-x^2} &=\ sum_ {n=0} ^\ infty\ FRAC {(-x^2) ^n} {n!} \\
&=\ sum_ {n=0} ^\ infty (-1) ^n\ розрив {x^ {2n}} {n!} \\
&= 1-x^2+\ гідророзриву {x^4} {2!} -\ гідророзриву {x^6} {3!} +\ точки.
\ end {вирівнювати*}\]
Ми використовуємо теорему 75 для інтеграції:
∫e−x2 dx=C+x−x33+x55⋅2!−x77⋅3!+⋯+(−1)nx2n+1(2n+1)n!+⋯
Це антипохіднеe−x2; хоча ми можемо записати його як ряд, ми не можемо виписати його з точки зору елементарних функцій. Оцінити певний інтеграл можна∫10e−x2 dx за допомогою цього антипохідного; підставляючи 1 і 0 для,x а віднімання дає
∫10e−x2 dx=1−13+15⋅2!−17⋅3!+19⋅4!⋯.
Підсумовуючи 5 членів, показаних вище, дають наближення0.74749. Оскільки це змінний ряд, ми можемо використовувати теорему про наближення змінних рядів (Теорема 71), щоб визначити, наскільки точним є це наближення. Наступний член ряду -1/(11⋅5!)≈0.00075758 .Таким чином, ми знаємо, що наше наближення знаходиться в межах0.00075758 фактичного значення інтеграла. Це, можливо, набагато менше роботи, ніж використання Правило Сімпсона для наближення значення інтеграла.
Приклад8.8.8: Using Taylor series to solve differential equations
Розв'яжіть диференціальне рівнянняy′=2y через степеневий ряд і використовуйте теорію ряду Тейлора для розпізнавання розв'язку з точки зору елементарної функції.
Рішення
Перші 5 членів степеневого ряду розв'язку цього диференціального рівняння ми знайшли у прикладі 8.6.5 розділу 8.6. Це:
a0=1,a1=2,a2=42=2,a3=82⋅3=43,a4=162⋅3⋅4=23.
Ми включаємо «неспрощені» вирази для коефіцієнтів, знайдених у прикладі 8.6.5, оскільки шукаємо закономірність. Можна показати, щоan=2n/n! .Таким чином, рішення, записане як силовий ряд, є
y=∞∑n=02nn!xn=∞∑n=0(2x)nn!.
Використовуючи ключову ідею 32 та теорему 78, ми визнаємоf(x)=e2x:
ex=∞∑n=0xnn!⇒e2x=∞∑n=0(2x)nn!.
Знайти закономірність у коефіцієнтах, які відповідають послідовному розширенню відомої функції, наприклад, показаних у Key Idea 32, може бути важко. Що робити, якщо коефіцієнти в попередньому прикладі були наведені в їх зменшеному вигляді; як ми могли б ще відновити функціюy=e2x?
Припустимо, що все, що ми знаємо, це
a0=1,a1=2,a2=2,a3=43,a4=23.
Визначення 39 стверджує, що кожен термін розширення функції Тейлора включає в себеn! .Це дозволяє сказати, що
a2=2=b22!,a3=43=b33!,anda4=23=b44!
для деяких значеньb2,b3 іb4.
Вирішуючи ці значення, ми бачимоb2=4,b4=16 що,b3=8 і.Тобто ми відновлюємо шаблон, який ми бачили раніше, дозволяючи нам писати
\ [\ почати {вирівнювати*}
f (x) =\ sum_ {n=0} ^\ infty a_nx^n &=\ sum_ {n=0} ^\ infty\ frac {b_n} {n!} x^n\\
&= 1+2x+\ гідророзриву {4} {2!} x^2 +\ гідророзриву {8} {3!} x^3+\ гідророзриву {16} {4!} x^4 +\ cdots
\ кінець {вирівнювати*}\]
Звідси легше розпізнати, що ряд описує експоненціальну функцію.
Існують простіші, більш прямі способи вирішення диференціальногоy′=2y рівняння.Ми застосували методи степеневих рядів до цього рівняння, щоб продемонструвати його корисність, і продовжили показувати, як іноді ми можемо відновити рішення з точки зору елементарних функцій, використовуючи теорію Тейлора серія. Більшість диференціальних рівнянь, з якими стикаються в реальних наукових та інженерних ситуаціях, набагато складніші, ніж цей, але енергетичні ряди можуть запропонувати цінний інструмент у пошуку або, принаймні, апроксимації рішення.
У цій главі введені послідовності, які представляють собою впорядковані списки чисел, за якими слідують ряди, в яких ми складаємо члени послідовності. Ми швидко побачили, що такі суми не завжди складаються в «нескінченність», а скоріше сходяться. Ми вивчали тести на збіжність, потім закінчили главу формальним способом визначення функцій на основі рядів. Такі «послідовно визначені функції» є цінним інструментом у вирішенні цілого ряду різних завдань у всій науці та техніці.
У наступних розділах з'являються нові способи визначення кривих на площині, окрім використання функцій форми.y=f(x) Криві, створені цими новими методами, можуть бути красивими, корисними та важливими.