Применения степенных рядов.
18.2.6.3.1. Приближённое вычисление значений функций. Идея таких вычислений простая. Пусть известно значение функции в точке , и функция разлагается в окрестности точки
в ряд Тейлора. Тогда значение функции в точке
, которое надо найти, равно
, и принимается
. Естественно, мы должны гарантировать, что погрешность такого приближения не превышает заданной величины
. Погрешность равна остатку ряда после n-го члена (или остаточному члену формулы Тейлора), поэтому необходимо строить оценку сверху для
(или
). При оценке
принципиально отличны два случая. Если остаток - знакочередующийся ряд, то
просто оценивается по своему первому члену. Если остаток не является знакочередующимся рядом, то необходимо оценивать всю его сумму. Обычно в этом случае остаток мажорируют сходящейся геометрической прогрессией. В разделе 18.4.2. Знакочередующиеся рядымы рассмотрели и тот, и другой случай при нахождении значений
и
; в разделе 7.9.2. Приближённые вычисления с помощью формулы Тейлораприведён пример вычисления значения
с погрешностью
. Другие примеры будут рассмотрены ниже.
Интегрирование функций.
1. Как мы знаем, интеграл аналитически не берётся. Это специальная функция, называемая интегральным синусом и обозначаемая
. Получим разложение этой функции в степенной ряд.
,
, почленно интегрируем:
. Ряд сходится к
при
. Теперь легко вычислить значение этой функции в любой точке. Пусть, например, надо найти
с погрешностью
.
. Ряд знакочередующийся, первый член, меньший
, третий, поэтому
.
2. Найти . Этот интеграл берётся аналитически. Надо разложить знаменатель на множители
, разложить подынтегральную функцию на пять простых дробей, найти восемь неопределённых коэффициентов и т.д., и после этого вычислять значение первообразной в начальной и конечной точках. Поступим по другому. Разложим подынтегральную функцию в ряд Маклорена и почленно проинтегрируем:
,
. Остаток ряда после n-го члена
. Если
, достаточно взять n=2, и
.
18.2.6.3.3. Интегрирование дифференциальных уравнений с помощью степенных рядов. Пусть дана задача Коши: ,
Решение этой задачи в виде ряда Тейлора ищется так. . Первые n коэффициентов ряда известны из начальных условий, остальные находятся последовательным дифференцированием уравнения.
Примеры. 1. . Из уравнения находим
. Дифференцируем уравнение:
. Далее дифференцируем уравнение и находим значение производной в точке
:
,
. Так мы можем вычислить производные любого порядка. Решение задачи Коши:
.
2. . Находим:
Закономерность понятна. Производные порядка 3n-1 и 3n равны нулю, производная порядка 3n+1 равна
, поэтому
С помощью признака Даламбера легко убедится, что этот ряд сходится при
, следовательно, даёт решение задачи Коши на всей числовой оси.