当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第八章 级数 > 第五节 幂级数 > 无穷可导函数的幂级数展开
好 我们讨论一个问题
一个函数f(x)如何能用幂级数展开
有一个函数f(x)如果能够写成
n从零到正无穷 有一个收敛半径
那么我们就说 在这个收敛域内
一个函数可以用幂级数展开来表示
那么我们就说函数f(x)可以用幂级数表示
简单称函数的幂级数展开
我们先来看看什么样的函数可以用幂级数展开
我们知道 函数如果能用幂级数展开
那么函数就是这个幂级数的和函数
既然是和函数
那么原来我们讲幂级数的分析性质公式我们
这个函数必须是任意阶可导的函数
如果不是任意阶可导的函数
就不需要去想这件事情
它肯定是展不了的
那么是不是任意阶可导的函数都可以展开呢
也不一定
我们给一个函数f(x)
e的负x平方分之1 当x不等于零
等于零 当x等于零的时候
你会发现在x0等于零点
这个函数的任意阶导数都等于零
那么你用一下Taylor展开式之后
发现如果这个函数可以由这个幂级数展开
那么这个an一定要等于f的n阶导数
在x0点取值除以n的阶乘
那么这个函数任意阶导数都等于零
所以的an都等于零
那是不是有这么一个性质呢
f(x)就等于0加上0x加上0x^2
加点点点0x^n加上点点点
不就等于零函数
显然是不对的
所以我们可以知道
这个函数的幂级数展开
对函数本身有要求的
第一要任意阶可导
第二件事情 就是这个函数的幂级数展开
不一定收敛到函数本身
就像这道例题
我们原来讲过有一个叫Taylor公式
带Lagrange余项的Taylor公式
是这么说的
如果这个函数是n+1阶可导的
那么f(x)一定可以写成
Σk从零到n f的k阶导数在x0的取值
除以k的阶乘 乘上x减x0的k次方
加上Lagrange余项
f的n+1阶导数在ξ这一点取值
除以n+1的阶乘 乘上x减x0的n+1次方
我们把这个叫做Lagrange余项
一定是存在这么一个ξ
这个ξ等于x0加上θ(x-x0)
其中这个θ属于(0,1)
这是一元函数微分的时候告诉我们的
所以一个函数能够用一个幂级数展开
显然可以展开
它的充分必要条件
就是Lagrange余项
n趋于正无穷f的n+1阶导数在ξ这一点取值
n+1的阶乘 乘上x减x0的n+1次方
要等于零
因为这个余项不就是和函数
减去前面有限项和
那么这个区域零的话 它就收敛
收敛的话 而且收敛到和函数本身
所以能够展开 充分必要条件就是它等于零
那么我们就可以给这么一个定理
如果说存在这么一个常数M
使得f的任意阶导数对于任意n
和任意的x在我们所讨论的范围内
它的绝对值都是小于等于M
那么我们就可以知道f(x)就可以由这个
幂级数的和函数来表示
或者说余项是趋于零
那么这个余项趋于零当然很简单了
因为x减x0这是n次幂
当n区域无穷的话
底下是n的阶乘 上面是有界函数
所以阶乘显然比幂函数大的多
所以一定是趋于零
下面我们看几个常见函数的幂级数展开
第一个函数
f(x)就等于e的x次幂
那么我们来看看
对于任意的R来讲 正实数
我们来看看在(-R,R)这个区间上
f的任意阶导数就等于e的x次方
因为e的x次方好就好在它任意阶导数都等于它
所以我们可以知道
f的任意阶导数都等于e的x次方
小于等于e的R次方
这就是那个常数
所以对于任意的x属于正负R之间
我们e的x次方一定可以写成Taylor级数的样子
后面无穷求和
等于1加上x除1的阶乘
加上x平方除以2的阶乘一直加
加到x的n次方除以n的阶乘再加点点点
我们这个R实际上是任意一个实数
所以我们这个e的x次方的幂级数展开
对于任意的x属于R都成立
这是我们第一个常见的幂级数展开
第二个展开我们来看看sinx
sinx的导数等于cosx
cosx的导数等于负的sinx
然后再求导数等于负的cosx
一直下来 所以sinx任意阶导数的绝对值
都是小于等于1的
所以用一下这个定理
我们又可以知道sinx
也可以有下面幂级数展开形式
x减去三的阶乘分之x的三次方
加上x的五次方除以五的阶乘加上点点点
加到x的2n+1次方除以2n-1的阶乘
前面有一个系数是-1的n+1次幂
x仍然是在整个实轴上都成立
那么对cosx也有类似的
因为cosx任意阶导数的绝对值都小于等于1
所以它等于1减去2的阶乘分之x的平方
加上4的阶乘x的4次方加上点点点
加上-1的n次方
2n的阶乘x的2n次方再加
这时候x仍然是在整个实轴上都成立
第四个公式
我们来看看1+x的α次方
我们也可不断的求导数
我们最后可以发现
等于1加上αx加上2的阶乘分之
α乘上α-1 x的平方 点点点
加到n的阶乘分之α(α-1)1一直乘
乘到(α-n+1)乘上x的n次方
那么这个收敛范围的话
就根据α不同的值
收敛的范围是有所区别的
如果α是小于-1的话
小于等于-1的话
是在(-1,1)收敛
α在小于0大于-1的话
是在(-1,1]上成立
α大于零的时候
是从[-1,1]的闭区间收敛
作为一个特例α等于-1的时候
也就是说1+x分之一
可写成1减x加x平方减x三次方
加到-1的x的n次方一直加
在(-1,1)这个范围内成立
如果说是1-x分之一
就可以写成1加x加上x的平方
加x的三次方再加上x的n次方
一直加下去 同样在(-1,1)上成立
如果我们再稍微改一下
改成1+x平方分之一
跟这个式子是一样的
只不过把上面那个x
用x的平方来代替
等于1-x的平方加上x的四次方减去x的六次方
加到-1的n次方x的2n次方再加
同样在(-1,1)范围内
那么这是我们很简单的
我们可以用
不断的用导数做
然后最后我们证明Lagrange余项收敛到零的
最后我们可以得到常见的这些函数的
幂级数展开形式
那么我们还知道
幂级数这个东西
再收敛半径内部是可以逐项积分逐项求导
所以利用逐项积分逐项求导的性质
我们还可以得到其他一些
稍微复杂一点的函数的幂级数展开形式
我们再来看一个例题ln(1+x)
我们没有直接的公式来算
但是我们看一下它的导数很简单
就等于1+x分之一
刚才我们已经算过了
它就所以1减x加x平方加上点点点
加到-1的x的n次方
收敛半径 R是等于1的
我们用一下幂级数的逐项积分
我们来看一看ln(1+x)
实际上就等于从零到x
ln(1+t)的导数dt
也就是说从零到x
1+t分之一的积分
那么1+t分之一我们可以知道
它就是从零到x
1减t加t平方加点点点
加到-1的n次方t的n次方
这个级数的积分
我们还知道这个是在收敛半径的内部
是可以逐项积分的
所以它就等于x减去2分之x的平方
加上3分之x三次方加上点点点
加到-1的n次方x的n+1次方除以n+1
一直加下去
我们来看看在(-1,1)一定是对的
我们再来看看这个幂级数的收敛域
当x等于1的时候是一个交错级数
它是收敛的
所以在1这一点我们可以包含在收敛域内
所以收敛域在1是包含的 是闭区间
在-1是开区间
所以这是ln(1+x)的幂级数展开
同样还有办法就是arctanx
arctanx函数很复杂
但是这个导数很简单
1+x的平方分之一
刚才我们已经算过了
就等于1减x的平方加上x的四次方加点点点
加上-1的n次方x的2n次方
同样是在(-1,1)这个范围内是成立的
那么我们同样用一下逐项积分
我们可以知道arctanx就等于
x减去3分之x三次方加上5分之x五次方
加上点点点加到-1的n次方
x的2n+1次方除以2n+1加点点点
那么我们来看看在(-1,1)开区间上一定是对的
把正负1朝里面一代你会发现有问题
这个收敛性是有问题的
好我们来看看在x等于-1和1这一点
后面这个幂级数都是收敛的
所以我们可以把收敛区域稍微推广一点
做到[-1,1]的闭区间
它都是收敛的交错项级数
arctanx也有这种展开形式
所以对幂级数来讲
我们知道有一个收敛半径
在收敛半径的内部
我们还知道有逐项积分逐项求导
这种很有用的工具
所以这些工具都可以帮我们来
求一个函数的幂级数展开
我们再来看一个例题
我们来求1-x分之一括弧平方的幂级数展开
有两个办法可以求
我们先求一个比较简单的办法
我们知道这个函数
就等于1-x分之一的导数
那么1-x分之一我们知道是
1加x加上x平方加上点点点
加到x的n次方加上点点点
这个函数的导数
逐项求导等于1加上两倍的x
加上三倍的x平方
加上点点点加上n倍的x的n-1次方
收敛范围是在(-1,1)之间
所以我们仍然是用了逐项求导的性质
其实我们还可以有第二种办法来求
你想1-x分之一的平方就是1加x加上x平方
一直加加上点点点加到x的n次方加上点点点
括弧的平方
那两个一乘实际上也可以出来
但是你会发现
这个时候非常非常的困难
上面的逐项求导的办法显然简单很多
所以一个函数的幂级数展开
我们有两种办法
第一种叫做直接方法
就是我们刚才说的
像e的x sinx cosx 1+x的α次方
我们直接用导数来做
用Taylor公式然后证明Lagrange余项趋于零
最后我们可以来做
第二种办法就叫做间接展开
所谓间接展开就是用
把一个复杂的函数用一定的方法
把它简化成为简单的函数
而这个简单函数
我们也可以用直接方法做出来幂级数展开
最后做到了
把一个复杂的函数
做成一个幂级数展开
而所有的工具
有这么一些工具可以用
比如说逐项积分 逐项求导
这些都是我们常见的工具
当然还有一些代数工具可以用
比如说把一个复杂函数
看成两个函数的和
然后求Taylor展开之后
求和就可以了
常见的那些代数公式
当然我们也是可以用的
这是一个函数幂级数展开的两种方法
一种是直接展开的公式
和常见的一些间接展开的方法
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习