MA.7.3 幂级数和Taylor展开式

Chap 7 - 3 幂级数和Taylor展开式

一、幂级数的收敛域

定义形如

n=0an(xx0)n=a0+a1(xx0)++an(xx0)n+

的函数项级数称为幂级数, 其中 x0R,ai 称为系数

 令 t=xx0, 可变为 n=0antn

Abel 第 I 定理

  1. n=0anxnx0(0) 收敛, 则当 |x|<|x0| 时绝对收敛;
  2. n=0anxnx1 发散, 则当 |x|>|x1| 时幂级数发散.

Proof

(1)

n=1anx0n 收敛知: anxn0(x) (必要条件)
从而有界: M>0 ,使 |anx0n|M
|anxn|M|xx0|nn=0M|xx0|n 收敛
比较判别法得:n=0|anxn| 收敛

(2)
(反证)若 x2 使 |x0|>|x1|x2 是收敛点

由(1)知 x1是绝对收敛点,从而是收敛点,矛盾

推论 (幂级数收敛域情况)

幂级数收敛域情况

幂级数 n=0anxn 的收敛仅有三种可能情况:

  1. 仅在 x=0 收敛;

  2. 在区间 (R,R) 内绝对收敛, 而在 |x|>R 发散;

  3. (,+) (绝对) 收敛.

三种情况可视为以原点为中心的区间, 其长度的一半 R 称为收敛半径, (R,R) 称为收敛区间.

Proof

若非(1)(3),下证必为(2)
由非(1)知: x0(0) 为收敛点
由非(2)知: x1 为发散点
R 为收敛点到原点的尽量大 sup
E={|x| | xn=0anxn}
|x0|E (收敛)且E有上界 |x1|
由确界原理: R=supER

  1. x(R,R) 时, |x|<R ,据 sup 定义
    x0 是收敛点,且 |x0|>|x|
    由Abel. I: x为绝对收敛点
  2. |x|>R 时,即 xE 即x为发散点。

二、收敛半径的计算

收敛半径公式

收敛半径公式

limn|an+1||an|=Llimn|an|n=L, 则幂级数 n=0anxn 的收敛半径

R=1L={0,L=+,1L,0<L<+,+,L=0.

Tips

系数模:比值法(根值法)

Proof

|an+1xn+1||anxn|=|an+1||an||x|

(1)
L=+x0limn|an+1an||x|=+
|anxn|0 从而 anxn 发散

0<L<+
|x|<1L(达朗贝尔)L|x|<1
n=0|anxn| 绝对收敛

|x|>1LL|x|>1
|anxn|0 从而 anxn

L=0xR.L|x|=0 绝对收敛

|anxn|n=|an|n|x|L|x|
Example

例1 求下列幂级数的收敛域

 (1) n=1(x1)n2nn; (2) n=1(2n)!(n!)2x2n

中心非原点: 平移
(1) 比值(系数模)

 由 an=12nn,limn|an+1an|=limn2nn2n+1(n+1)=12R=2 又当 x=1 时 n=1(2)n2nn=n=1(1)nn 收敛.  当 x=3 时 n=1(2)n2nn=n=11n 发散 

收敛域: [1,3)

(2) x2n? #缺项幂级数 不能用比值法、根值法求收敛半径

  1. X看作参数(比值法), 寻找取值
  2. 变量替换: t=x2
n=1(2n)!(n!)2tnL=limn[2(n+1)]!(n!)2[(n+1)!]2(2n)!=limn(2n+2)(2n+1)(n+1)2=4R=14

t=14n=1(2n)!(n!)214n 比值法失效: Raabe

limnn(bnbn+11)=limnn((n!)2(2n)!14n(2n+2)![(n+1)!]24n+11)=limnn[2(n+1)(2n+1)1]=limnn12n+1=12<1

 Raabe n=1(2n)!(n!)214n 发散
0<x2=t<14 时, 即 x(12,12) 时收敛

Example

例2n=0an(x1)nx=1 处条件收敛, 求其收敛区间

Abel.I Th.|x1|<|11|=2 时,即 1<x<3
冥级数收敛故 R42=2
R>2 ,则 x=1(1R,1+R) 为绝对收敛点
(1 为条件收敛点) 矛盾
R=2 ,收敛区间 (1,3)

由上题:

Corollary

幂级数若有条件收敛点,则其到中心的距离就是收敛半径

Abel 第 II 定理

Abel 第 II 定理

n=0anxn 收敛半径为 R, 则它在 (R,R)内闭一致收敛; 若 x=R 时收敛, 则它在 [0,R] 一致收敛

(1)

[a,b](R,R) 则 γ=max{|a|,|b|}<Rx[a,b] 有 |x|<γ ,故 |anXn||anXn|r[R,R]r 奴. 收敛 n=0|a0rn| 收敛 n=1anxn1[a,b]uc

W. Th.

即在 (R,R) 内闭U.C.

(2) 端点,无法使用W. Th.

anXn=anRn(xR)n

其中 n=1anRn 收敛 U1c1[0,k] (不合 x )
又奴 x[0,R].{(xR)n} 关于n怛
0(xR)1 即一致有界
 Abel  U.C.

三、幂级数的性质

P286定理 1.7.2

幂级数的和函数 S(x) 在收敛区间 (R,R) 内可导, 并有

S(x)=n=1nanxn1,

且求导后的幂级数的收敛半径仍为 R.

Proof 摘自教材 P281

先求 n=1nanxn1 的收敛半径. 任取 x0(R,R), 存在 r:|x0|< r<R, 级数 n=1anrn 收敛, 因此 |anrn|<M 有界, 所以

|nanx0n1|=|anrn|nr|x0r|n1Mnr|x0r|n1.

(n=1nqn1 收敛:根/比值法)
因为 n=1nr|x0r|n1|x0|<r 时收敛, 所以幂级数 n=1nanxn1x0 绝对收敛. 也就是说 n=1nanxn1 的收敛半径 RR.

如果 R>R, 取 x0:R>x0>R, 使得 n=1|nanx0n1| 收敛. 因为

x0|nanx0n1|=|nanx0n||anx0n|,

所以 n=1|anx0n| 收敛, 矛盾(x0在收敛区间外部:发散), 因此 R=R.
作为幂级数, n=1nanxn1(R,R) 的任意闭子区间上一致收敛, 所以定理的结论在任意闭子区间上成立, 故在 (R,R) 内每一点成立.

Corollary

推论 7.43 幂级数的和函数 S(x)(R,R) 内有任意阶导数, 而且

S(k)(x)=n=1n(n1)(n2)(nk+1)anxnk

其收敛半径也为 R


定理 7.44 幂级数的和函数 S(x)(R,R) 内可积, 且有

0xS(t)dt=0x(n=0antn)dt=n=00xantn dt=n=0ann+1xn+1, x(R,R),

并且积分后得到的幂级数的收敛半径仍为 R.

Analysis

积分求导半径不变,由上可知

Theorem

f(x)=n=0anxnx(R,R), 则

  1. f(x)C(R,R);

  2. f(x)D(R,R), 且可逐项求导, 即 x(R,R) :

f(x)=(n=0anxn)=n=0(anxn)=n=1nanxn1
  1. 可逐项积分, 即 x(R,R) :
0xf(t)dt=0x(n=0antn)dt=n=00xantn dt=n=0ann+1xn+1

Analysis

点态收敛(和函数定义已知)+导数级数连续、一致收敛(收敛半径仍然是R)

连续(条件已知)+一致收敛=>只需证内闭一致收敛即可

Abel 第 III 定理

Abel 第 III 定理

f(x)=n=0anxnx(R,R],
f(x)x=R 处左连续, 即

limxRn=0anxn=n=0anRn

Example

例3 求下列幂级数的和函数
(1) n=1xnn;
(2) n=1nxn;
(3) n=0xnn!

n=1xnn

Solution

求导:
f(x)=n=1xnnx(1,1)f(x)=n=1(xnn)=n=1xn1=11x

f(x)=f(0)0+0xf(t)dt=0xdt1t=0xd(1t)1t=ln(1t)|0x=ln11x

又当 x=1n=1(1)nn 收敛, 由 Abel. II
f(x)x=1 右连续
即:

n=1(1)nn=f(1)=limx1+f(x)=limx1+ln11x=ln12

从而

n=1xnn={ln11x,x(1,1)ln12,x=1

n=1xnn=ln11x,x[1,1)

若令 x=x

n=1(1)nxnn=ln11+x=ln(1+x)(1<x1)

即:

n=1(1)n1xnn=ln(1+x)(1<x1)

例如

112+1314+=ln2

(2) R=1. 令 f(x):n=1nxn,x(1,1)

提出来积分

f(x)=xn=1nxn1=xn=1(xn) 由(1)知 =x(n=1xn)=x(x1x)=x(1x)2

(3) R=+Ωs^f(x)=n=0xnn!,xR

f(x)=1+x+x22!+f(x)=n=1xn1(n1)!=n=n1n=0xnn!=f(x)

f(x)f(x)=1

两边积分:

ln|f(x)|=x+c0

f(x)=±ex+c0=defcex(c=±ec0)

由于 f(0)=1 ,代入得 c=1 ,即

f(x)=e^x, \quad x \in \mathbb{R} $${ #102djc}

四、幂级数的运算

Theorem

n=0anxnn=0bnxn 收敛半径分别为 R1R2, 记

R=min{R1,R2}, 则当 x(R,R)

n=0(an±bn)xn=n=0anxn±n=0bnxnn=0anxnn=0bnxn=n=0cnxn

其中 cn=k=0nakbnk

Proof

i=0Aii=0Bi=n=0Cn 其中 Cn=n=0AkBnk=xnk=0nakbnk=defxncn 故 i=0aixij=0bjxj=n=0cnxn
Example

例4 求幂级数 n=12n+(3)nnxn 的和函数

Solution

n=12nn=ln112x, (12x<12)
n=1(3)nnxn=n=1(3x)nn=ln11+3x, (13<x13)

原式=ln1(12x)(1+3x), (13<x13)

Note

i=0xij=0xj=n=0cnxn=n=n+1n=1nxn1
其中 cn=k=0n11=n+1

1(1x)2=n=1nxn1, x(1,1)

五、函数的Taylor展开式

f(x)x0 任意阶可微, 则称

f(x)n=0f(n)(x0)n!(xx0)n

fx0 处的 Taylor级数.

x0=0 时称为 Maclaurin级数

注意 记号 “~” 的含义, 能否换为 “=” ?

Question

f 满足何条件时, 其Taylor级数收敛于 f(x) ?

回顾 Taylor 公式

f(x)=k=0nf(k)(x0)k!(xx0)k+Rn(x)

Taylor 级数

Theorem

fC()(I), 其中 I=(x0R,x0+R), 则在 I

f(x)=n=0f(n)(x0)n!(xx0)n 充分必要条件 limnRn(x)=0

由于计算 limnRn(x) 困难, 为此介绍下面的定理

充分条件

Theorem

fC()(I), 且 nN,xI:|f(n)(x)|M, 则

f(x)=n=0f(n)(x0)n!(xx0)n(xI)

Lagrange 型余项: Rn(x)=f(n+1)(x)(n+1)!(xx0)n+1(xI)

|Rn(x)|=|f(n+1)(x)|(n+1)!|xx0|n+1M|xx0|n+1(n+1)!x is given n+0
Question

fI 上可展开为幂级数, 则该幂级数与其Taylor级数有何关系?

定理(唯一性)

唯一性

f(x)=n=0an(xx0)n,x(x0R,x0+R)

则有

an=f(n)(x0)n!

f(x)=a0+a1(xx0)+a2(xx0)2+
中令 x=x0a0=f(x0)
对上式求导(逐项求导)

f(x)=a1+2a2(xx2)+

x=x0an:f(x0)
继续求导

f(k)(x)=x=kn(n1)(nk+1)an(xx,)nk

单独写出 x=k

f(k)(x)=k!ak+n=k+1n(n1)++(nk+1)an(xx0)nk

x=x0

f(k)(x)=k!ak+0ak=f(k)(x)l!

常用初等函数的幂级数

Formula

  1. ex=1+x+x22!+x33!++xnn!+=n=0xnn!(xR)
  2. sinx=xx33!+x55!+(1)n1x2n1(2n1)!+(xR)
    任意阶绝对值有界(1),满足
  3. cosx=1x22!+x44!+(1)nx2n(2n)!+
  4. ln(1+x)=xx22+x33x44+
  5. #二项式函数 (1+x)α=1+αx+α(α1)2!x2++α(α1)(αn+1)n!xn+
    (1<x<1) 上恒成立
    端点情形α={0,x[1,1](1,0),x(1,1]1,x(1,1)

特别地, 有

α:=1,x:=x11x=1+x+x2++xn+=n=0xn(1<x<1),几何级数α:=12,x:=x11x=1+n=1(2n1)!!(2n)!!xn(1x<1)
(1x)12=1+(12)(x)+(12)(32)2!(x)2++(12)(32)(12n+1)n!(1)n(x)n(1)n+=1+n=112×32××2n12n!xn=1+n=1(2n1)!!2n×n!=1+n=1(2n1)!!(2n)!!
Example

例5f(x)=arctanxx0=0 展成幂级数

f(x)=11+x2=n=0(x2)n,x(1,1)arctan(x)=f(x)=f(0)+0xf(t)dt=0x(n=0(1)nt2n)dt=n=0(1)n0xt2ndt=n=0(1)n2n+1x2n+1=xx33+x55

*当 x=1 时。

n=0(1)n2n+1(W2 敛 )=limx1arctanx( Abel II) =π4

由此

arctanx=n=0(1)n2n+1x2n+1,1x<1113+1517+=π4

例6f(x)=arcsinxx0=0 展成幂级数

f(x)=11x2=1+n=1(2n1)!!(2n)!!x2nx(1,1) 故 arcsinx=f(x)=f(0)+0xf(t)dt=x+n=1(2n1)!!(2n)!!x2n+12n+1 当 x=1 时 1+n=1(2n+1)!!(2n)!!12n+1an/2 站  比值失效 Raabeanan+1=(2n1)!!(2n)!!2n+32n+1(2n+2)!!(2n+1)!!=(2n+3)(2n+2)(2n+1)2

n(anan+11)=n6n+5(2n+1)232>1

1+n=1(2n1)!!(2n)!!12n+1=limx1arcsinx=π2

函数的幂级数展开方法

Note

直接法 先求 f(n)(x0), 再利用Taylor公式;

间接法 利用已知的幂级数展开式, 再结合变量

代换、逐项可导、逐项可积性.

Example

例7 将下列函数在 x0 处展成幂级数

  1. 1x23x+2,x0=0
  2. 1x2,x0=1
  3. lnx,x0=3
  1. 1x23x+2,x0=0
f(x)=1(x2)(x1)=12x+11x=1211x2+11x=n=0(12)(x2)n+n=0xn(x(2,2)(1,1))=n=0[12n+1+1]xn, (1<x<1)
  1. 1x2,x0=1
1x2=(1x)=[11+(x1)]=(n=0(1)n(x1)n),(1<x<1)=n=0(1)n+1n(x1)n1
  1. lnx,x0=3
lnx=ln[3+(x3)]=ln3+ln(1+x33)=ln3+n=1(1)nn(x3)n3n, (1<x331)(0<x6)
Example

例8f(x)=n=0(1)n(n!)2(x1)n, 求级数 n=0f(n)(1) 的和.

根据唯一性

f(n)(1)n!=(1)n(n!)2f(n)n!

从而

n=0f(n)=n=0(1)nn!=e1
Exercise

Ex.f(x)=xex2f(n)(0)(n=0,1,2)

利用幂级数可导出Euler公式

Formula

eix=cosx+isinx

Let x:=ix(合法性见复变函数)eix=n=0(ix)nn!=k=0(ix)2k+1(2k+1)!(ix)2k(2k)!=周期性k=0(1)k(2k)!x2k+ik=0(1)k(2k+1)!=cosx+isinx

x=π,

eiπ=1eiπ+1=0

(数学中 “最美” 等式)