函数展开幂级数VIP专享VIP免费

第四节两类问题:在收敛域内和函数求和展开本节内容:一、泰勒(Taylor)级数二、函数展开成幂级数函数展开成幂级数第十一章一、泰勒(Taylor)级数)()(0xfxf))((00xxxf200)(!2)(xxxfnnxxnxf)(!)(00)()(xRn其中)(xRn(在x与x0之间)称为拉格朗日余项.10)1()(!)1()(nnxxnf则在若函数的某邻域内具有n+1阶导数,此式称为f(x)的n阶泰勒公式,该邻域内有:)(0xf))((00xxxf200)(!2)(xxxfnnxxnxf)(!)(00)(为f(x)的泰勒级数.则称当x0=0时,泰勒级数又称为麦克劳林级数.1)对此级数,它的收敛域是什么？2)在收敛域上,和函数是否为f(x)?待解决的问题:若函数的某邻域内具有任意阶导数,定理1.各阶导数,则f(x)在该邻域内能展开成泰勒级数的充要条件是f(x)的泰勒公式中的余项满足:.0)(limxRnn证明:,)(!)()(000)(nnnxxnxfxf令)()()(1xRxSxfnn)(limxRnn)()(lim1xSxfnn,0)(0xxknkknxxkxfxS)(!)()(000)(1)(0xx设函数f(x)在点x0的某一邻域内具有定理2.若f(x)能展成x的幂级数,则这种展开式是唯一的,且与它的麦克劳林级数相同.证:设f(x)所展成的幂级数为则;2)(121nnxnaxaaxf)0(1fa;)1(!2)(22nnxannaxf)0(!212fa;!)()(nnanxf)0()(!1nnnfa显然结论成立.)0(0fa二、函数展开成幂级数1.直接展开法由泰勒级数理论可知,展开成幂级数的步函数)(xf第一步求函数及其各阶导数在x=0处的值;第二步写出麦克劳林级数,并求出其收敛半径R;第三步判别在收敛区间(－R,R)内)(limxRnn是否为骤如下:展开方法直接展开法—利用泰勒公式间接展开法—利用已知其级数展开式0.的函数展开例1.将函数展开成x的幂级数.解:,)()(xnexf),,1,0(1)0()(nfn1其收敛半径为对任何有限数x,其余项满足e!)1(n1nxxe故,!1!31!21132nxxnxxxenRlim!1n!)1(1nn(在0与x之间)x2!21x3!31xnxn!1故得级数例2.将展开成x的幂级数.解:)()(xfn)0()(nf得级数:x其收敛半径为,R对任何有限数x,其余项满足))1(sin(2n!)1(n1nx12kn),2,1,0(k3!31x5!51x12!)12(11)1(nnnxxsinnkn2,)1(k,012!)12(115!513!31)1(nnnxxxx242111cos1(1)2!4!(2)!nnxxxxn类似可推出:12153!)12(1)1(!51!31sinnnxnxxxx(P220例3)例3.将函数展开成x的幂级数,其中m为任意常数.解:易求出,1)0(f,)0(mf,)1()0(mmf,)1()2)(1()0()(nmmmmfn于是得级数mx12!2)1(xmm由于1limnnnaaRnmnn1lim1nxnnmmm!)1()1(级数在开区间(－1,1)内收敛.因此对任意常数m,11,)(xxF2!2)1(xmmnxnnmmm!)1()1(1!)1()1()1(111)(nxnnmmxmmxFxmxF1)()()1(xFx),(xmFmxxF)1()(xxxxmxxFxF00d1d)()()1ln()0(ln)(lnxmFxF1)0(F推导则为避免研究余项,设此级数的和函数为2!2)1(xmmnxnnmmm!)1()1(xmxm1)1(称为二项展开式.说明：(1)在x＝±1处的收敛性与m有关.(2)当m为正整数时,级数为x的m次多项式,上式就是代数学中的二项式定理.由此得对应1,,2121m的二项展开式分别为xx21112421x364231x)11(x48642531x111x24231x3642531x)11(x486427531xx21111x2x3x)11(xnnx)1(x)11(1112xxxxxn2.间接展开法x11利用一些已知的函数展开式及幂级数的运算性质,例4.将函数展开成x的幂级数.解:因为nnxxx)1(12)11(x把x换成2x211xnnxxx242)1(1)11(x,得将所给函数展开成幂级数.例5.将函数展开成x的幂级数.解:xxf11)()11()1(0xxnnn...