Некоторые приложения степенных рядов

Приближенное вычисление значений функции

Пусть требуется вычислить значение функции f(x) при с заданной точностью

Если функцию f(x) в интервале (-R;R) можно разложить в степенной ряд

и , то точное значение равно сумме этого ряда при , т.е.

а приближенное – частичной сумме , т.е.

Точность этого равенства увеличивается с ростом n. Абсолютная погрешность этого приближенного равенства равна модулю остатка ряда, т.е. ,

где

Таким образом, ошибку можно найти, оценив остаток ряда.

Для рядов лейбницевского типа

В остальных случаях (ряд знакопеременный или знакоположительный) составляют ряд из модулей членов ряда и для него стараются найти положительный ряд с большими членами, который легко бы суммировался. И в качестве оценки берут величину остатка этого нового ряда.

Приближенное вычисление определенных интегралов

Бесконечные ряды применяются также для приближенного вычисления неопределенных и определенных интегралов в случаях, когда первообразная не выражается в конечном итоге через элементарные функции либо нахождение первообразной сложно.

Пусть требуется вычислить с точностью до . Если подынтегральную функцию f(x) можно разложить в ряд по степеням x и интервал сходимости (-R;R) включит в себя отрезок [a;b], то для вычисления заданного интеграла можно воспользоваться свойством почленного интегрирования этого ряда. Ошибку вычислений определяют так же, как и при вычислении значений функций.

Приближенное решение дифференциальных уравнений

Если решение дифференциального уравнения не выражается через элементарные функции в конечном виде или способ его решения слишком сложен, то для приближенного решения уравнения можно воспользоваться рядом Тейлора.

Числовые ряды

Основные понятия

Числовым рядом называется выражение вида

где – действительные или комплексные числа, называемые членами ряда, - общим членом ряда.

Ряд считается заданным, если известен общий член ряда , выраженный как функция его номера n: .

Сумма первых n членов ряда называется n -й частичной суммой ряда и обозначается через , т.е.

Если существует конечный предел последовательности частичных сумм ряда , то этот предел называют суммой ряда и говорят, что ряд сходится. Записывают:

Если не существует или = , то ряд называют расходящимся. Такой ряд суммы не имеет.

Рассмотрим некоторые важные свойства рядов:

Свойство 1. Если ряд сходится и его сумма равна S, то ряд

где с – произвольное число, также сходится и его сумма равна cS. Если же ряд расходится и , то и ряд расходится.

Обозначим n -ю частичную сумму ряда через . Тогда

Следовательно,

,

т.е. ряд сходится и имеет сумму cS.

Покажем теперь, что если ряд расходится, , то и ряд расходится. Допустим противное: ряд сходится и имеет сумму .

Тогда

Отсюда получаем:

т.е. ряд сходится, что противоречит условию о расходимости ряда.

Свойство 2. Если сходится ряд и сходится ряд

А их суммы равны и соответственно, то сходятся и ряды

,

причем сумма каждого равна соответственно .

Обозначим n -е частичные суммы рядов , и через , и соответственно. Тогда

т.е. каждый из рядов сходится, и сумма его равна соответственно.

Из свойства 2 вытекает, что сумма (разность) сходящегося и расходящегося рядов есть расходящийся ряд.

Свойство 3. Если к ряду прибавить (или отбросить) конечное число членов, то полученный ряд и ряд сходятся или расходятся одновременно.

Обозначим через S сумму отброшенных членов, через k – наибольший из номеров этих членов. Чтобы не менять нумерацию оставшихся членов ряда, будем считать, что на месте отброшенных членов поставили нули. Тогда при n>k будет выполняться равенство , где – это n -я частичная сумма ряда, полученного из ряда путем отбрасывания конечного числа членов. Поэтому

+ . Отсюда следует, что пределы в левой и правой частях одновременно существуют или не существуют, т.е. ряд сходится (расходится) тогда и только тогда, когда сходятся (расходятся) ряды без конечного числа его членов.

Аналогично рассуждаем в случае приписывания к ряду конечного числа членов.

Ряд

=

называется n -м остатком ряда . Он получается из ряда отбрасыванием n первых его членов. Ряд получается из остатка добавлением конечного числа членов. Поэтому, согласно свойству 3, ряд и его остаток =

одновременно сходятся или расходятся.

Из свойства 3 также следует, что если ряд сходится, то его остаток стремится к нулю при , т.е.