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7.6.1 函数的幂级数

下一节:7.7.1 泰勒级数

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7.6.1 函数的幂级数课程教案、知识点、字幕

同学们 大家好

欢迎来到大学先修课

微积分课程

今天我们介绍第七章无穷级数

第六节函数的幂级数

我们在前面

已经学习了幂级数的基本知识

知道幂级数

在收敛区间之内绝对收敛

它的和函数定义了一个函数

我们自然要问

怎样能够得到幂级数的和函数

又怎样才能得到一个函数的幂级数展开

同时将一个函数写成幂级数

又有什么用处

本讲将从最熟悉的几何级数出发

经过一些运算

得出几个简单函数的幂级数表示

同时还要介绍幂级数

最重要的解析性质

即幂级数和函数的连续性

可导性和可积性

首先我们介绍

我们前面得到的

几何级数的简单应用

我们知道当x绝对值小于1时

我们知道以xn次方

做通项的几何级数

它的和函数

就等于1除上1减x

在这个表达式中

我们利用变量替换的思想

就可以得到

下面几个常用的表达式

如果将x换成是负x

我们就得到1加x分之1

就等于1减x加上x平方

再减去x3次方等等

这个等式成立的范围

仍然是x绝对值小于1

如果我们在第一个等式中

把x换成是x平方

我们就得到1减x平方分之1

就等于1加上x平方

加x4次方 一直加下去

这个等式成立的范围

仍然是x绝对值小于1

如果我们在第一个等式中

将x变成负的x平方

就会进一步得到

1加x平方分之1

就等于1减去x平方

加x4次方 减掉x6次方

这样一直加下去

成立的范围

仍然是x绝对值小于1

我们得到的这几个级数展开式

是我们在处理

函数展开为级数时

经常用到的一个常用结论

下面我们看几道具体的题目

例1

我们将函数2减3x分之1

展开成0这点的幂级数

并求这个幂级数的收敛半径

我们做代数变形

将2减3x分之1

写成2分之1乘上

1减掉2分之3x分之1

我们将2分之3x

看作是一个整体

我们利用1减t分之1

在t等于0这点的幂级数展开

我们就得到了

1减2分之3x分之1

它就等于1加上2分之3x

再加上2分之3x括起来的平方

这样一直加下去

就得到了这个函数

可以写成是一个通项为3的n次方

除上2的n次方

再乘上x的n次方

关于n从零到无穷求和的

这么一个幂级数

这个等式成立的范围

是2分之3x绝对值小于1

所以我们就可以

将我们原来的函数

2减3x分之1

写成是通项为3的n次方

除上2的n加1次方

再乘上x的n次方

关于n从0到无穷求和

也就将这个函数展开成了

0这点的幂级数形式

这个等式成立的范围

是x的绝对值小于3分之2

所以它的收敛半径

就是R等于3分之2

下面我们看第二道例题

我们将下面这个函数

展开成0这点的幂级数

并求这个幂级数的收敛半径

这个函数它的分母

是一个二次多项式

我们将这个函数的分母

分解成x加1乘上x加2

我们进一步将这个分数拆项

写成是x加1分之1

减去x加2分之1

我们知道1加x分之1

可以写成0这点的幂级数

它的通项是负1的n加1次方

乘上xn次方

对n从0到无穷求和

成立的范围是x绝对值小于1

对于2加x分之1

我们与例1中的处理方法类似

我们将它写成2分之1

乘上1 除上1加上2分之x

我们将2分之x

作为一个整体

进一步就得到

它就等于2分之1

乘上括号里面

1减x加上2分之x

括起来的平方

这样一直加下去

也就是我们将2加x分之1

写成了一个0这点的幂级数

它的通项是负1的n加1次方

乘上xn次方

再除上2的n加1次方

对n从0到无穷求和

它成立的范围是x绝对值小于2

有了这两个幂级数展开之后

我们要求的

这个函数的幂级数展开

就利用收敛级数的运算性质

最后的通项是负1的n加1次方

乘上括号里面1减去

2的n加1次方分之1

再乘上xn次方

对n从0到无穷求和

这个等式成立的范围

是x绝对值小于1

这个幂级数

它的收敛半径R是等于1的

关于例1和例2

我们处理的问题

我们主要做的是

代数运算和代数变形

也就是将函数通过代数运算

和代数变形

变成我们熟悉的函数

利用我们熟悉的函数

它的幂级数展开

写出我们要求的

函数的幂级数展开形式

我们需要说明的是

在将函数展开为幂级数时

除了用代数运算之外

得到函数幂级数的

展开的更有利的工具

是求导运算和积分运算

我们知道一个幂级数

在它的收敛域上

定义了一个和函数

和函数的导数和积分

如何表述出幂级数

是否可以通过对幂级数本身

逐项求导和积分得到

所有这些问题

在我们介绍了下面的

幂级数的有关性质之后

都会得到解决

下面我们介绍

幂级数和函数的常用性质

第一个性质

和函数的连续性

我们不加证明的给出一个结论

定理21

在零这点的幂级数的和函数

在它的收敛域上是连续的

也就是说对收敛域中的

任何一点x0来说

我们先求和

后关于x趋向x0取极限

与先关于x曲线x0取极限后求和

是相等的

也就是说对幂级数来说

求和运算与极限运算

是满足交换率的

当然对于x0那点的幂级数

它的和函数在收敛域上

也是连续的

下面我们看第二条性质

关于和函数的可积性

和幂级数的逐项积分公式

定理22

以an乘上xn次方

做通项的幂级数的和函数

在它的收敛域内

任何的闭区间ab上

都是可积的

而且他和函数的定积分值

就等于它每一项定积分值的和

也就是说先求和后求积分

与先求积分后求和是相等的

特别的 如果x

是在这个幂级数的收敛域内

我们就有这个幂级数

它的和函数在0到x上的定积分

就等于它的通项

在0到x的定积分 再求和

也就等于an除上n加1

再乘上xn加1次方

关于n从0到无穷求和

这个等式

这就是我们常用的

幂级数的逐项积分公式

在这个等式的右端

出现了一个新的幂级数

这个幂级数

就称为是原来这个

幂级数的积分级数

因为逐项积分公式

对于原来幂级数的收敛域中的

任何一点x都是成立的

这就说明积分级数的收敛半径

不小于原来级数的收敛半径

下面我们来看和函数的

第三条性质

也就是和函数的可导性

和逐项求导公式

定理23

以an xn次方做通项的幂级数

它的和函数在它的收敛区间

负R到R内是连续可导的

连续可导指的是

存在连续的导函数

而且它的和函数的导数

就等于每一项求完导之后再求和

也就等于以n乘上an

再乘上xn减1次方

做通项的一个新的幂级数

最后这个级数的求和

关于n是从1到无穷的

这个公式就是所谓的

逐项求导公式

也就是说对于幂级数来说

在收敛区间内部

先求和 后求导

与先求导 后求和是相等的

在这我们得到的

右边这个新的幂级数

就成为是原来

这个幂级数的导级数

由于逐项求导公式

对收敛区间内的任何一点

都是成立的

这说明导级数的收敛半径

是不小于原来

幂级数的收敛半径的

考虑到前面给出的

积分级数收敛半径

与原来级数收敛半径的关系

我们知道幂级数与它的导级数

以及他的积分级数

收敛半径是相等的

这三个级数他们的收敛性

只可能在收敛区间的

端点上有所差别

下面我们利用逐项积分

和逐项求导的性质

来处理几个函数

展开为幂级数的问题

例3

我们将函数fx等于

1减x括起来平方分之1

展开成0这点的幂级数

我们知道1减x分之1

它的导数就等于

1减x括起来平方分之1

我们还知道1减x分之1

在0这点的幂级数展开

就等于1加x加x平方

这样一直加下去

我们对上面这个等式两边求导

利用逐项求导公式

我们就得到了

1减x括起来平方分之1

就等于1加上两倍x

加上三倍x平方

这样一直加下去

也就得到了一个

以n乘上xn减1次方做通项

关于n从1到无穷求和的幂级数

这就是这个函数

在0这点的幂级数展开

这个等式成立的范围

是x绝对值小于1

接下来我们看第四道例题

我们将函数fx等于ln1加x

展开成0这点的幂级数

并求这个幂级数的收敛域

我们知道1加x的自然对数

它的导数就是1加x分之1

在0这点的幂级数展开

我们是知道的

它就等于1减x

加x平方减x三次方等等

我们对这个等式两端

从0到x做积分

我们知道ln1是等0的

所以利用牛顿莱布尼兹公式

我们就知道ln1加x

就等于1加t分之1

从0到x做定积分

我们将1加t分之1的

级数展开代入

再利用逐项积分公式

我们就会得到

它就等于x减去2分之x平方

加上3分之x3次方

这样一直做下去

也就得到了一个通项

为负1的n减1次方乘上xn次方

除上n

关于n从1到无穷求和的幂级数

关于这个幂级数

我们可以求出它的收敛半径是1

而且我们知道

这个幂级数在负1那边

对应的是调和级数

是发散的

在x等1那边对应的是

满足莱布尼兹条件的交错级数

它是收敛的

所以我们最后求得的收敛域

就是负1到1

半开半闭区间

关于在例4中

我们得到的ln1加x的

幂级数展开形式

我们通过取特殊的x的值

可以得到两个有意思的结论

第一个我们在这个展开式中

我们令x就等于2分之1

这时候我们就会得到ln2的

一个级数形式的表示

这个数项级数

它的通项是n乘上2的n次方分之1

关于n从1到无穷求和

如果在ln1加x的展开式中

我们让x等于1代入

就会直接得到ln2的

另外一个级数表示

它的通项就是1减2分之1

加3分之1 再减4分之1等等

实际上我们在级数理论中

关于ln2 它还有许多

其他的幂级数表示

它的任何一个级数表示

都是相应的给出了

求ln2近似值的一个方法

但是 不同的级数表示

它的效率是不一样的

下面我们看第五道例题

例5 我们求函数fx等于arctanx

在0这点的幂级数展开

我们知道反正切函数的导数

就等于1加x平方分之1

前面我们已经得到了

1加x平方分之1

在0这点的幂级数展开

我们又知道arctanx

在x等0这点的值是等0的

我们利用牛顿莱布尼兹公式

就知道arctanx就等于

1加t的平方分之1

在0到x这个区间上的定积分

我们将1加t的平方分之1

它的幂级数展开代入

再利用逐项积分公式

我们就得到了一个以

负1的n次方乘上x2n加1次方

再除上2n加1做通项

关于n从零到无穷求和

这么一个幂级数

这就是我们要求的arctanx

在0这点的幂级数展开

这个等式成立的范围是

x的绝对值

小于等于1

也就是负1到1这个闭区间

在这个展开式中

如果我们取x等于3分之根3

就会得到圆周率π的

一个级数表示

也就是6分之π

就等于3分之根3

再乘上一个级数的和

这个级数的通项是负1的n次方

除上2n加1括起来

再乘上3的n次方

关于n从0到无穷求和

这个公式也给出了

一个求π的近似值的方法

如果在arctanx的幂级数展开中

我们取x等于1

就会得到π的

另外一个幂级数表示

也就是4分之π

等于1减去3分之1

加5分之1减7分之1等等

π的这个级数表示形式

要比上面的级数

表示形式来得简单

这也是求π的近似值的

一个常用方法

最后我们来看利用幂级数展开

求积分近似值的一个例子

我们计算1加t的4次方分之1

在0到0.1这个区间上

定积分的近似值

我们要求从理论上讲误差

不超过10的负6次方

我们知道1加t的4次方分之1

它在0这点的幂级数展开

是1减去t的4次方

加上t的8次方

再减去t的12次方等等

这个等式成立的范围

是t的绝对值小于1

我们在这个等式两边

从0到x做积分

并利用逐项积分公式

我们就得到1加t的四次方分之1

在0到x上的积分

就等于x减去5分之x5次方

再加上9分之x9次方等等

在这个表达式中

我们取x等0.1

就得到了我们要求的

定积分值的一个级数表示

这个级数我们知道它是一个

满足莱布尼兹条件的交错级数

根据莱布尼兹条件下交错级数

部分和近似级数和的

误差估计公式

我们知道这个交错项级数

取前两项的和

与它和的精确制误差

就不会超过第三项的绝对值

大家可以看到

在这个级数中第三项的绝对值

也就是0.1的9次方除上9

它是远远小于10的负6次方的

所以我们最后要求的近似值

就是将这个级数中

前两项的值加起来就可以了

也就是我们要求的近似值

是0.1减去5分之0.1的5次方

也就约等于0.099998

在这一讲中

首先从我们熟悉的几何级数出发

利用收敛级数的代数运算性质

及变量替换的思想

将两个简单函数表示成了幂级数

对幂级数除了能做单数运算外

能否对其做解析运算

也就是能否对其做极限运算

求导运算和积分运算

幂级数和函数的连续性

可导性和可积性

正好回答了这些问题

连续性给出了逐项极限运算性质

可导性给出了逐项求导公式

可积性给出了逐项积分公式

从形式上看

有限个函数求和的极限运算

求导运算和积分运算性质

幂级数都是满足的

下一讲将介绍函数的泰勒级数

谢谢同学们

下一讲 再见

微积分(先修课)课程列表:

第零章 绪论

-0.1 绪论

--0.1.1 绪论

第一章 极限

-1.1 极限概念引例

--1.1.1 极限问题举例

--第1.1节测试 极限概念引例

-1.2 极限的概念

--1.2.1 极限的概念(1)

--1.2.2 极限的概念(2)

--1.2.3 极限的概念(3)

--1.2.4 极限的概念(4)

--1.2.5 极限的概念(5)

--第1.2节测试 极限的概念

-1.3 极限的性质

--1.3.1 极限的性质(1)

--1.3.2 极限的性质(2)

--第1.3节测试 极限的性质

-1.4 极限的运算

--1.4.1 极限的运算

--第1.4节测试 极限的运算

-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理

--1.5.1 夹逼定理与单调有界收敛定理(1)

--1.5.2 夹逼定理与单调有界收敛定理(2)

--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理

--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理

-1.6 两个重要的极限

--1.6.1 两个重要的极限(1)

--1.6.2 两个重要的极限(2)

--第1.6节测试 两个重要的极限

-1.7 无穷小量

--1.7.1 无穷小量(1)

--1.7.2 无穷小量(2)

--第1.7节测试 无穷小量

第二章 连续函数

-2.1 连续函数的概念

--2.1.1 函数在一点连续的概念

--2.1.2 在一点的单侧连续性

--2.1.3 间断点的分类

--第2.1节测试 连续函数的概念

-2.2. 初等函数的连续性结论

--2.1.1 连续函数的运算性质

--第2.2节测试 初等函数的连续性结论

-2.3 连续函数的性质

--2.3.1 局部性质和零点存在定理

--2.3.2 闭区间上连续函数的性质

--第2.3节测试 连续函数的性质

第三章 导数与微分

-3.1 导数与导函数

--3.1.1 导数与导函数(1)

--3.1.2 导数与导函数(2)

--第3.1节测试 导数与导函数

-3.2 微分

--3.2.1 微分

--第3.2节测试 微分

-3.3 导数的运算

--3.3.1 导数的四则运算

--3.3.2 复合函数的链导法则

--3.3.3 反函数求导法

--第3.3节测试 导数的运算

-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法

--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法

--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法

-3.5 高阶导数

--3.5.1 高阶导数

--第3.5节测试 高阶导数

第四章 微分中值定理和导数的应用

-4.1 极值和极值点

--4.1.1 极值和极值点

--第4.1节测试 极值和极值点

-4.2 微分中值定理

--4.2.1 微分中值定理(1)

--4.2.2 微分中值定理(2)

--第4.2节测试 微分中值定理

-4.3 洛必达法则

--4.3.1 洛必达法则(1)

--4.3.2 洛必达法则(2)

--第4.3节测试(1) 洛必达法则

--第4.3节测试(2) 洛必达法则

-4.4 函数单调性的判定

--4.4.1 函数单调性的判定

--第4.4节测试 函数单调性的判断

-4.5 函数的极值及其求法

--4.5.1 函数的极值及其求法

--第4.5节测试 函数的极值及其求法

-4.6 函数的最值及其应用

--4.6.1 函数的最值及其应用

--第4.6节测试 函数的最值及其应用

-4.7 曲线的凸性和拐点

--4.7.1 函数的凸性和拐点(1)

--4.7.2 函数的凸性和拐点(2)

--第4.7节测试 函数的凸性和拐点

-4.8 曲线的渐近线

--4.8.1 曲线渐近线

--第4.8节测试 曲线的渐近线

-4.9 泰勒(Taylor)公式

--4.9.1 泰勒(Taylor)公式(1)

--4.9.2 泰勒(Taylor)公式(2)

--4.9.3 泰勒(Taylor)公式(3)

--第4.9节测试 泰勒公式

-4.10 原函数与微分方程初步

--4.10.1原函数与微分方程初步(1)

--4.10.2 原函数与微分方程初步(2)

--第4.10节测试 原函数与微分方程初步

第五章 定积分

-5.1 定积分问题举例

--5.1.1 定积分问题举例

-5.2 定积分的概念

--5.2.1 定积分的概念(1)

--5.2.2 定积分的概念(2)

--第5.2节测试 定积分的概念

-5.3 定积分的基本性质

--5.3.1 定积分的性质(1)

--5.3.2 定积分的性质(2)

--第5.3节测试 定积分的性质

-5.4 微积分基本定理

--5.4.1 微积分基本定理(1)

--5.4.2 微积分基本定理(2)

--第5.4节测试 微积分基本定理

-5.5 定积分的几何应用

--5.5.1 定积分的几何应用(1)

--5.5.2 定积分的几何应用(2)

--第5.5节测试 定积分的几何应用

-5.6 定积分的物理应用

--5.6.1 定积分的物理应用

第六章 积分法与反常积分

-6.1 换元积分法

--6.1.1 换元积分法(1)

--6.1.2 换元积分法(2)

--6.1.3 换元积分法(3)

--第6.1节测试 换元积分法

-6.2 分部积分法

--6.2.1 分部积分法(1)

--6.2.2 分部积分法(2)

--第6.2节测试 分部积分法

-6.3 有理函数的积分法

--6.3.1 有理函数的积分法(1)

--6.3.2 有理函数的积分法(2)

--第6.3节测试 有理函数的积分法

-6.4 定积分应用举例

--6.4.1 定积分应用举例

--第6.4节测试 定积分应用举例

-6.5 反常积分

--6.5.1 反常积分(1)

--6.5.2 反常积分(2)

--6.5.3 反常积分(3)

--6.5.4 反常积分(4)

--第6.5节测试 反常积分

第七章 无穷级数

-7.1 无穷级数

--7.1.1 无穷级数

--第7.1节测试 无穷级数

-7.2 正项级数

--7.2.1 正项级数

-7.3 比值判敛法和根式判敛法

--7.3.1 比值判敛法和根式判敛法

--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法

-7.4 一般项级数

--7.4.1 一般项级数(1)

--7.4.2 一般项级数(2)

--第7.4节测试 一般项级数

-7.5 幂级数

--7.5.1 幂级数

-7.6 函数的幂级数

--7.6.1 函数的幂级数

--第7.6节测试 函数的幂级数

-7.7 泰勒级数

--7.7.1 泰勒级数

--第7.7节测试 泰勒级数

-7.8 幂级数的简单应用

--7.8.1 幂级数的简单应用

第八章 常微分方程

-8.1 一阶可求解常微分方程

--8.1.1 一阶可求解常微分方程

--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程

-8.2 一阶线性微分方程

-- 8.2.1 一阶线性微分方程(1)

--8.2.2 一阶线性微分方程(2)

--第8.2节测试 一阶线性微分方程

-8.3 二阶线性常系数微分方程

--8.3.1 二阶线性常系数微分方程(1)

--8.3.2 二阶线性常系数微分方程(2)

--8.3.3 二阶线性常系数微分方程(3)

--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程

-8.4 常系数微分方程简单应用举例

--8.4.1 常系数微分方程简单应用举例(1)

--8.4.2 常系数微分方程简单应用举例(2)

期末考试

-期末考试

--期末考试说明

-期末考试--期末考试

7.6.1 函数的幂级数笔记与讨论

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