Применения степенных рядов.

18.2.6.3.1. Приближённое вычисление значений функций. Идея таких вычислений простая. Пусть известно значение функции в точке Применения степенных рядов. - student2.ru , и функция разлагается в окрестности точки Применения степенных рядов. - student2.ru в ряд Тейлора. Тогда значение функции в точке Применения степенных рядов. - student2.ru , которое надо найти, равно Применения степенных рядов. - student2.ru , и принимается Применения степенных рядов. - student2.ru . Естественно, мы должны гарантировать, что погрешность такого приближения не превышает заданной величины Применения степенных рядов. - student2.ru . Погрешность равна остатку ряда после n-го члена (или остаточному члену формулы Тейлора), поэтому необходимо строить оценку сверху для Применения степенных рядов. - student2.ru (или Применения степенных рядов. - student2.ru ). При оценке Применения степенных рядов. - student2.ru принципиально отличны два случая. Если остаток - знакочередующийся ряд, то Применения степенных рядов. - student2.ru просто оценивается по своему первому члену. Если остаток не является знакочередующимся рядом, то необходимо оценивать всю его сумму. Обычно в этом случае остаток мажорируют сходящейся геометрической прогрессией. В разделе 18.4.2. Знакочередующиеся рядымы рассмотрели и тот, и другой случай при нахождении значений Применения степенных рядов. - student2.ru и Применения степенных рядов. - student2.ru ; в разделе 7.9.2. Приближённые вычисления с помощью формулы Тейлораприведён пример вычисления значения Применения степенных рядов. - student2.ru с погрешностью Применения степенных рядов. - student2.ru . Другие примеры будут рассмотрены ниже.

Интегрирование функций.

1. Как мы знаем, интеграл Применения степенных рядов. - student2.ru аналитически не берётся. Это специальная функция, называемая интегральным синусом и обозначаемая Применения степенных рядов. - student2.ru . Получим разложение этой функции в степенной ряд. Применения степенных рядов. - student2.ru , Применения степенных рядов. - student2.ru , почленно интегрируем: Применения степенных рядов. - student2.ru . Ряд сходится к Применения степенных рядов. - student2.ru при Применения степенных рядов. - student2.ru . Теперь легко вычислить значение этой функции в любой точке. Пусть, например, надо найти Применения степенных рядов. - student2.ru с погрешностью Применения степенных рядов. - student2.ru . Применения степенных рядов. - student2.ru . Ряд знакочередующийся, первый член, меньший Применения степенных рядов. - student2.ru , третий, поэтому Применения степенных рядов. - student2.ru .

2. Найти Применения степенных рядов. - student2.ru . Этот интеграл берётся аналитически. Надо разложить знаменатель на множители Применения степенных рядов. - student2.ru

Применения степенных рядов. - student2.ru , разложить подынтегральную функцию на пять простых дробей, найти восемь неопределённых коэффициентов и т.д., и после этого вычислять значение первообразной в начальной и конечной точках. Поступим по другому. Разложим подынтегральную функцию в ряд Маклорена и почленно проинтегрируем: Применения степенных рядов. - student2.ru , Применения степенных рядов. - student2.ru . Остаток ряда после n-го члена Применения степенных рядов. - student2.ru Применения степенных рядов. - student2.ru . Если Применения степенных рядов. - student2.ru , достаточно взять n=2, и Применения степенных рядов. - student2.ru .

18.2.6.3.3. Интегрирование дифференциальных уравнений с помощью степенных рядов. Пусть дана задача Коши: Применения степенных рядов. - student2.ru ,

Применения степенных рядов. - student2.ru

Решение этой задачи в виде ряда Тейлора ищется так. Применения степенных рядов. - student2.ru . Первые n коэффициентов ряда известны из начальных условий, остальные находятся последовательным дифференцированием уравнения.

Примеры. 1. Применения степенных рядов. - student2.ru . Из уравнения находим Применения степенных рядов. - student2.ru . Дифференцируем уравнение: Применения степенных рядов. - student2.ru . Далее дифференцируем уравнение и находим значение производной в точке Применения степенных рядов. - student2.ru : Применения степенных рядов. - student2.ru , Применения степенных рядов. - student2.ru . Так мы можем вычислить производные любого порядка. Решение задачи Коши: Применения степенных рядов. - student2.ru .

2. Применения степенных рядов. - student2.ru . Находим: Применения степенных рядов. - student2.ru Применения степенных рядов. - student2.ru Применения степенных рядов. - student2.ru Применения степенных рядов. - student2.ru Закономерность понятна. Производные порядка 3n-1 и 3n равны нулю, производная порядка 3n+1 равна Применения степенных рядов. - student2.ru , поэтому Применения степенных рядов. - student2.ru С помощью признака Даламбера легко убедится, что этот ряд сходится при Применения степенных рядов. - student2.ru , следовательно, даёт решение задачи Коши на всей числовой оси.

Наши рекомендации