当前课程知识点:微积分(先修课) > 第七章 无穷级数 > 7.6 函数的幂级数 > 7.6.1 函数的幂级数
同学们 大家好
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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
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 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
--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
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--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
--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
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--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
--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
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 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
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--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
--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
--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
--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
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 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
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 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
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 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
--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
--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
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试