当前课程知识点:微积分(先修课) > 第七章 无穷级数 > 7.8 幂级数的简单应用 > 7.8.1 幂级数的简单应用
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
第八节幂级数的简单应用
我们知道幂级数是一类简单
而且具有很好性质的级数
它在解决数学 物理
和其他应用问题中
有着广泛的应用
本讲将通过几个具体例子
介绍幂级数的几种常见应用
首先我们来介绍
幂级数在求极限问题时的应用
我们通过一道具体的例题
来说明它的应用
例1
我们求sinx减去x
除上x乘上括号里面1减cosx
在x趋向0时的极限
我们知道这个分式极限
在x趋向0时
它的分子和分母都是无穷小量
我们知道这个分式极限
它的分子和分母在x趋向0时
都是无穷小量
所以这是一个0比0型的不定式
我们前面曾经介绍过
利用洛必达法则
可以求这类不定式的极限
现在我们换一个思路
我们利用sinx和cosx的
麦克劳林级数展开
来求这个极限的值
我们将sinx和cosx
写成它们的麦克劳林级数
并将麦克劳林级数
带到这个表达式中
我们就知道
我们要求极限的分式
就可以整理成
分子是负的
3的阶乘分之x3次方
加上5的阶乘分之x5次方
一直按这个规律写下去
分母就是一个
2的阶乘分之x3次方
减去4的阶乘分之x5次方
也一直加下去
这样我们知道它的分子分母
最低次项都是3次方项
我们为了求极限
就将分子分母同时除以x3次方
那么我们要求极限的分式
就变成了分子首项
就是负的3的阶乘分之1
后边每一项都含有x的因子
分母就变成了
首项是2的阶乘分之1这个常数
而后边的每一项
也都带有x这个因子
所以对这个分式我们令x趋向0
我们就会得到最后的极限值
就等于负的3分之1
这个例题的求解过程
体现的就是我们利用函数
在某一点的泰勒级数展开来求
与这个函数有关的
极限问题的处理方法
利用泰勒级数求极限
我们不仅能求得
最后的极限结果
实际上我们仔细分析
这个求解过程
可以发现分子分母
都趋向于0时
作为无穷小量来说
他们的阶是如何变化的
因为泰勒级数
是一个无穷次多项式函数
而对于无穷次多项式函数来说
在他的每一项都趋向于0时
起主要作用的
应该就是他的次数最低的项
下面我们来介绍泰勒级数
在求函数的高阶导数时
它的具体应用
我们看第二道例题
我们假设fx
就等于x乘上arctanx
我们求这个函数
在0这点的一般阶导数
关于这个问题
我们当然不能把fx的
一般阶导函数求出来
在将x等于0代入求值
我们在这用它的麦克劳林级数
来求我们要求的f的一般阶导数
在0这点的值
我们的根据就是
函数它的泰勒级数展开
形式是唯一的
它xn次方的系数都应该是
它这一项对应的泰勒级数
我们来看一下这道题的求解过程
我们知道fx要想写成
麦克劳林级数
主要就是要把arctanx
写成麦克劳林级数
因为arctanx
我们可以表示成是1加t方分之1
在0到x上的定积分
而1加t方分之1
它的麦克劳林级数
我们是知道的
它是一个通项为负1的n次方
乘上t的2n次方的幂级数
我们对这个幂级数的
和函数求积分
利用逐项积分公式
也就是要对它的
每一项求完积分之后
再求和
所以我们利用这个方法就得到了
fx的麦克劳林级数就是
通项是负1的n次方
除上2n加1
再乘上x的2n加2次方
关于a是从0到无穷求和的
这就是fx它的麦克劳林级数
我们要求fx的一般阶导数
在0这点的值
我们就是要看x的
一百次方的系数是什么
在这个幂级数展开中
我们知道x的一百次方的系数
对应的也就是n等于49的情况
所以它的系数
就是负的99分之1
而在麦克劳林公式
它的定义中100次方
它的系数是f的100阶导数
在0这点的值
除上100的阶乘
根据唯一性
这两个系数应该是相等的
这样我们就得到了
f的100阶导数
在0这点的值
就是负的100的阶乘再除上99
这就是利用泰勒级数
来求具体的函数
在指定点的
高阶导数值的一般过程
下边我们来介绍一下
利用幂级数
来求一些特殊数项级数的和
我们也是通过一道具体的例题
来解释一下如何去利用幂级数
求数项级数的和
我们看例3
我们求一个通项是
负1的n减1次方
除上n乘上n减1
对n从2到无穷求和
我们来求这个数项级数的和
我们知道根据
数项级数和的定义
数项级数的和应该就是
数项级数的部分和它的极限
但是我们也知道
对一般的数项级数来说
部分和的表达式
我们是得不到的
所以利用定义我们只能求
简单的数项级数的和
一般的数项级数求和
都是要用其他的
特殊方法来处理
关于这个数项级数
我们为了求它的和
我们可以考虑一个幂级数
这个幂级数的通项
就是在数项级数的通项基础上
再乘上x的n次方
我们知道这个新的幂级数
它的收敛半径
我们求出来是等于1的
而且在x等于正负1时
它对应的数项级数
都是绝对收敛的
所以这个幂级数它的收敛域
是负1到1 b区间
我们记sx是它的和函数
实际上我们可以看出和函数
在1这点的函数值
就是我们要求的数项级数的和
接下来我们就来看
sx的表达式如何求
我们为了用上我们已知的
简单幂级数的和函数
我们通过逐项求导公式
对sx求一次导
就会将分母上的n削掉
我们将x求两阶导
就会将分母上的
n和n减1都削掉
这样我们就得到了
一个熟悉的幂级数
也就是说x的两阶导数
就是一个通项为负1的n减1次方
再乘上xn减2次方
关于n从2到无穷求和的
这个幂级数的和函数
这是一个几何级数
它的和函数我们是可以求出来的
和函数就是负的1除上1加x
我们还知道s′x在x等于0时
它的值得是等于0的
sx在x等0时
它的值也是等0的
所以我们就能够利用s′′
先求出s′x
s′x就等于s′′t
关于t从0到x的积分
也就是等于负的1加t分之1
在0到x这个区间上的积分
我们利用牛顿莱布尼兹公式
得到了它的表达式
是负的ln1加x
类似的sx就等于x′t
在0到x上的定积分
也就等于负的ln1加t
在0到x区间上的定积分
我们利用分布积分公式
就会得到sx的表达式
就是x减去括号里面1加x
再乘上ln1加x
根据sx
它与我们要求的
数项级数的关系
我们知道我们要求的
数项级数的和
就等于sx在1这点的函数值
也就等于1减去2倍的ln2
这就是我们利用幂级数
求特殊数项级数和的一般过程
下面我们再看一道例题
例4
我们假设银行的
年存款利率是5%
而且是以年负复利计息
如果某人一次性
将一笔资金存入银行
如果要保证自存入之后起
第n年年末都能从银行中
提取n万元现金
我们问这个人他存入银行的资金
至少不能少于多少
也就是说他现在
至少要存入多少钱
才能够保证以后每年年末
都能取出相应的n万元
我们来看这道题的解答过程
第一年年末取出的1万元
我们假设他需要
现在存入的钱是a1
a1就应该满足
a1加上a1一年的利息
也就是0.05倍的a1
它就等于1
这样我们就得到了a1
就等于1.05分之1
第二年年末提出的两万元现金
我们假设现在
需要存入的钱是a2
那么a2它就应该
满足1.05的平方
乘上a2 就等于2
这样a2就等于
2除上1.05的平方
类似的我们假设第n年年末
提取的n万元
现在存入的钱是an
那么an它就应该满足
1.05的n次方
乘上an就等于n
这样an也就等于
n除上1.05的n次方
这样我们就知道
此人现在存入的资金
至少应该是a1加a2一直加
加到an继续加
实际上就是一个
以an为通项的数项级数的和
我们为了要求
这个数项级数的和
我们来考虑一个幂级数
这个幂级数它的通项
就是n乘上xn次方
关于n从1到无穷求和
这个幂级数它的和函数
我们就用sx来表示
根据数项级数
和这个幂级数的形式
我们知道sx
在s等于1.05分之1
这点的函数值
就应该是我们要求的
上边这个数项级数的和
我们为了求这个幂级数的和函数
我们将它的通项中
提出一个x
我们只要求通项
是n乘上xn减1次方的
这个幂级数的和函数就可以了
而n乘上xn减1次方
我们可以看作是
x的n次方的导数
我们再根据
幂级数的逐项求导公式
所以我们就可以将sx看作是
x乘上xn次方做通项的
这个幂级数和函数的导数
而以xn次方做通项的幂级数
这是一个几何级数
它的首项是x 公比也是x
所以大家就会求到它的和函数
就是x除上1减x
最后我们就得到了sx的表达式
就是s除上括号里面1减x
括起来的平方
这样我们就得到了
我们要求的幂级数的和函数
我们将x等于1.05分之1
代入sx的表达式
就得到了我们上边
这个数项级数的和
是等于420 单位是万元
也就是说这个人
现在只要存入420万元钱
那么以后每年年末
他都会得到相应的
年份的万元的现金
下面我们来介绍
幂级数在积分计算中的简单应用
我们知道计算定积分时
如果我们要用微分
积分定理
也就是要用牛顿莱布尼兹公式
我们就需要求被积函数的原函数
我们知道并不是所有的
被积函数的原函数
总能用初等表达式给出
即使能够用初等表达式给出的
这样的原函数
有时候
它的表达式也是非常复杂的
真正计算时计算量也是非常大的
事实上我们在求积分时
经常用近似计算的方法
来求定积分的近似值
而幂级数
就是我们要做近似计算时
经常用到的一个有利工具
下面我们看一道例题
例5
我们利用幂级数来求
e的负x平方次方
在0到1这个区间上
定积分的近似值
我们要求误差不大于0.0001
也就是误差
不大于10的负4次方
对于这个定积分来说
尽管它的被积函数
是一个非常简单的连续函数
但是它的被积函数
是没有初等原函数的
所以这个定积分
我们并不能直接用
牛顿莱布尼兹公式得到它的值
下面我们来求它的近似值
我们知道e的负的x平方次方
它的麦克劳林级数展开
就是1减去x平方
加上2的阶乘分之x4次方
这样一直做下去
我们在这个等式两端
关于积分变量从0到x做积分
就会得到1的负的t的平方次方
在0到x上的积分
就等于x减去3分之x3次方
再加上5乘上
2的阶乘分之x5次方
这样一直做下去
在这个等式中
我们令x等于1
就得到了我们要求的定积分
它实际是一个数项级数的和
这个数项级数实际上是一个
满足莱布尼兹条件的交错级数
我们知道满足
莱布尼兹条件的交错级数
我们用它的部分和
来近似这个级数的和的时候
它是有一个很好的
误差估计的结论
也就是说它的误差
是小于下一个未用项的绝对值
也就是说我们如果用
xn来近似x时
那么x减去xn的绝对值
应该小于un加1的绝对值
在这个具体的题目中
我们为了要得到
满足误差要求的近似值
我们只要减1除上2n加1
再乘上n的阶乘
它小于0.0001
只要能够n满足这个不等式
就可以了
在这个不等式中
我们知道只要
n大于等于7就可以
换句话说
我们只要取
n等于7之前的项求和
就能够得到满足条件的
这个定积分的近似值
这些项也就是1减去3分之1
再加上5乘上2的阶乘分之1
最后一项是
13乘上6的阶乘分之1
我们把这一值具体算出来
得到的结果是0.7568
这就是满足误差要求的
这个定积分的近似值
事实上我们利用幂级数
来求定积分的近似值
是一个常用的方法
下面我们看另外一个例子
比如说我们要求sinx比上x
在0到1上的定积分值
这也是一个
不能直接用牛顿莱布尼兹公式
得到积分值的一个定积分
如果我们将
sinx的麦克劳林级数
展开代入
我们知道这个定积分
也是等于一个
莱布尼兹条件下的
交错级数的和
对于这个交错级数来说
通过我们写出的这几项
大家可以看出
如果我们用
这个交错级数的前三项
求这个定积分的近似值
它的误差就已经满足万分之一
就是误差绝对值
不会超过万分之一
如果我们把这个数项级数
前四项的和
来作为这个定积分的近似值
实际上它的误差的绝对值
是不会超过百万分之一的
也就是说我们要求
这个定积分时
只要用sinx的
麦克劳林级数展开
就会得到一个非常高效的
近似计算公式
最后我们来介绍一下幂级数
在求解微分方程时的简单应用
在前面我们曾经介绍过
简单的微分方程
下面我们来看第六道例题
我们解微分方程
y′等于x加上y
满足定解条件y0等于1的解
我们假设这个微分方程的解
可以写成是
麦克劳林级数的形式
也就是通项是
an乘上xn次方的幂级数
根据定点条件y0等于1
我们知道a0是等于1的
我们为了要得到
这个幂级数中的展开系数
我们求y的导数
利用逐项求导公式
就会得到y′就是一个通项是n
乘上an再乘上xn减1次方的
这样的幂级数
我们将y和y′
都带到原来的微分方程
那么原来的微分方程
就变成了左边就是一个通项
是n乘上an再乘上xn减1次方
这么一个幂级数
而右边是x加上一个通项是an
乘上xn次方的幂级数
这是两个无穷次多项式相等的
一个恒等式
我们考虑等式两端对应项的系数
他们应该是相等的
这样就会得到a1等于a0
2倍的a2等于1加a1
3倍的a3就等于a2
在n大于等于3时
它实际上都满足n乘上an
就等于an减1
我们将a0等于1代入
就会得到a1等于1 a2等于1
n大于等于3时 它就等于
an就等于1除上n乘n减1
一直乘到4再乘上3
这样我们就得到了这个解
它的幂级数表示
我们为了与我们熟悉的
函数的幂级数展开联系起来
我们做一个简单的变形
也就是将Y写成两倍的括号里面
是一个通项是n的阶乘分之1
乘上xn次方的幂级数的和
再减去1 再减x
利用我们知道的
1的x次方的麦克劳林展开
我们就知道这个微分方程的解
如果用初等表达式表示
它就等于2倍的1的x次方
减去括号里面1加x
这是我们利用幂级数
来求解微分方程时的处理过程
利用幂级数可以处理
一些特殊的微分方程
它整个的想法
实际上就是利用
幂级数的逐项求导公式
把微分方程的求解问题
转化成求幂级数展开
展开系数的代数方程求解问题
在这一讲中
我们介绍了幂级数在极限求值
高阶导数求值
数项级数求和
以及定积分求值等方面的应用
在极限求值时
主要利用的是幂级数的通项
都是幂函数
幂函数在任意
极限过程下的变化趋势
都是明确的 特别的
还能确定它是无穷小
或无穷大时的阶
一般的在处理
不定时极限求值问题中
幂级数要比洛必达法则更有效
在高阶导数求值时利用的是
函数幂级数展开形式的唯一性
也就是 一定是它的泰勒级数
如果得到了函数
在某点的幂级数展开
根据泰勒级数的定义
利用对应项系数相等
就会得到函数
在展开点的各阶导数值
利用函数项级数
可以求一些数项级数的和
在利用幂级数
求数项级数和时
是将数项级数看作是一个幂级数
在某点的值
如果求出了幂级数的和函数
也就得到了数项级数的和
这又是一个将离散问题
处理成连续问题的例子
由于连续问题可以利用解析运算
从而达到了解决问题的目的
定积分求值
是一个十分困难的问题
但求幂函数的定积分
却是十分容易的
如果能够将被积函数
展开成幂级数
利用幂级数的逐项积分性质
就可以得到
计算定积分近似值的简单方法
下一讲开始我们将学习
微积分中的另外一部分内容
这就是常微分方程
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