Analiza matematyczna 2/Ćwiczenia 4: Ciągi i szeregi funkcyjne. Szereg Taylora

Ciągi i szeregi funkcyjne. Szereg Taylora. Ćwiczenia

Ćwiczenie

Zbadać zbieżność (oraz rodzaj zbieżności) ciągów funkcyjnych:
(1) $f(x)=\frac{\sin x}{n}$ w $\mathbb{ℝ}$
(2) $f(x)=(1-x{)}^n$ w przedziale $[0,1].$

Wskazówka

(1) Wyznaczyć granicę punktową tego ciągu funkcyjnego. Zbadać (bezpośrednio z definicji), czy ciąg ten jest zbieżny jednostajnie do swojej granicy punktowej.
(2) Wyznaczyć granicę punktową tego ciągu funkcyjnego. Czy na podstawie postaci tej granicy punktowej można wnioskować o zbieżności jednostajnej?

{}$◻$

Rozwiązanie

(1) Dla dowolnego ustalonego $x\in \mathbb{ℝ},$ mamy

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \bigg|\frac{\sin x}{n}\bigg| \ \le\ \frac{1}{n} \ \longrightarrow\ 0. }

Zatem

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \forall x\in\mathbb{R}:\ \lim\limits_{n\rightarrow +\infty} f_n(x) \ =\ 0 }

to znaczy $f_n⟶f,$ gdzie $f\equiv 0.$

Aby sprawdzić, czy funkcja $f\equiv 0$ jest granicą jednostajną, obliczamy

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \sup_{x\in \mathbb{R}} \big|f_n(x)-f(x)\big| \ =\ \sup_{x\in \mathbb{R}} \bigg|\frac{\sin x}{n}\bigg| \ =\ \frac{1}{n} \ \longrightarrow\ 0, }

zatem $f\rightrightarrows f\equiv 0$ w $\mathbb{ℝ}.$
{ Rysunek AM2.M04.C.R01 (stary numer AM2.2.10a)}
{ Rysunek AM2.M04.C.R02 (stary numer AM2.2.10b) animacja}
(2) Dla dowolnego $x\in (0,1]$ mamy, $1-x\in [0,1),$ zatem:

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \lim\limits_{n\rightarrow +\infty} f_n(x) \ =\ \lim\limits_{n\rightarrow +\infty} (1-x)^n \ =\ 0, }

gdyż jest to ciąg geometryczny. Dla $x=0,$ mamy $1-x=1,$ zatem

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \lim\limits_{n\rightarrow +\infty} f_n(0) \ =\ \lim\limits_{n\rightarrow +\infty} 1 \ =\ 1. }

Zatem $f_n⟶f,$ gdzie

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle f(x) \ =\ \left\{ \begin{array} {lll} 1 & \textrm{dla} \displaystyle & x=0,\\ 0 & \textrm{dla} \displaystyle & x\in(0,1]. \end{array} \right. }

Ponieważ funkcje $f_n$ są ciągłe dla $n\in \mathbb{\mathbb{N}}$ oraz ich granica punktowa $f$ nie jest funkcją ciągłą, więc $f_n\rightrightarrows ̸f$ (patrz Twierdzenie Uzupelnic t.new.am2.w.04.130|).
{ Rysunek AM2.M04.C.R03 (stary numer AM2.2.11a)}
{ Rysunek AM2.M04.C.R04 (stary numer AM2.2.11b) animacja}

{}$◻$

Ćwiczenie

Zbadać zbieżność (oraz rodzaj zbieżności) ciągu funkcyjnego $f_n(x)=\frac{nx}{n^2+x^2}$ w $\mathbb{ℝ}.$

Wskazówka

Obliczyć punktową granicę $f$ ciągu funkcyjnego. W celu zbadania zbieżności jednostajnej (z definicji) wyznaczyć największą wartość funkcji $|f_n-f|.$

{}$◻$

Rozwiązanie

Dla dowolnego $x\in \mathbb{ℝ},$ mamy

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \big|f_n(x)\big| \ =\ \bigg|\frac{nx}{n^2+x^2}\bigg| \ \le\ \bigg|\frac{nx}{n^2}\bigg| \ =\ \bigg|\frac{x}{n}\bigg| \ \xrightarrow[n\rightarrow+\infty]{}\ 0. }

Zatem $f_n⟶f\equiv 0.$

W celu zbadania czy funkcja $f\equiv 0$ jest granicą jednostajną należy obliczyć

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \sup_{x\in \mathbb{R}} \big|f_n(x)-f(x)\big| \ =\ \sup_{x\in \mathbb{R}} \bigg|\frac{nx}{n^2+x^2}\bigg|. }

W tym celu wyznaczmy wartość największą funkcji $|f_n|.$ Zauważmy, że funkcje $f_n$ są nieparzyste. Aby wyznaczyć ekstrema obliczamy pochodną

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle f_n'(x) \ =\ \frac{n(n^2+x^2)-2nx^2}{(n^2+x^2)^2} \ =\ \frac{n^3-nx^2}{(n^2+x^2)^2} \ =\ \frac{n(n-x)(n+x)}{(n^2+x^2)^2}. }

Zatem ${f_n}^{\prime }(x)=0$ dla $x=n$ oraz $x=-n.$ Ponieważ $f_n(x)\ge 0\text{<mrow data-mjx-texclass="ORD">dla</mrow>}x\ge 0,\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }{f}_n(x)=0,$ więc funkcja $f_n$ ma maksimum globalne dla $x=n$ (i ponieważ jest nieparzysta, więc ma minimum globalne dla $x=-n$). Ponadto $f_n(n)=\frac{n^2}{n^2+n^2}=\frac{1}{2}.$ Zatem

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \sup_{x\in \mathbb{R}} \big|f_n(x)-f(x)\big| \ =\ \frac{1}{2} \not\longrightarrow 0, }

czyli $f_n\rightrightarrows ̸f.$
{ Rysunek AM2.M04.C.R05 (stary numer AM2.2.12a)}
{ Rysunek AM2.M04.C.R06 (stary numer AM2.2.12b) animacja}

{}$◻$

Ćwiczenie

Zbadać zbieżność (zbieżność jednostajną) szeregu funkcyjnego w podanym obszarze:
(1) $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{2+3n^3{x}^2},x\in [a,+\mathrm{\infty })$ (gdzie $a>0$)
(2) $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{\cos nx}{\sqrt[3]{n^4+x^2}},x\in \mathbb{ℝ}$

Wskazówka

(1)--(2) Skorzystać kryterium Weierstrassa zbieżności szeregów funkcyjnych (patrz Twierdzenie Uzupelnic t.new.am2.w.04.150|).

{}$◻$

Rozwiązanie

(1) Ponieważ

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \forall n\in\mathbb{N},\ x\in[a,+\infty):\ \bigg|\frac{1}{2+3n^3x^2}\bigg| \ \le\ \frac{1}{3n^3x^2} \ \le\ \frac{1}{3a^2n^3} }

oraz szereg liczbowy $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{3a^2{n}^3}=\frac{1}{3a^2}\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{n^3}$ jest zbieżny (jako uogólniony szereg harmoniczny z wykładnikiem $\alpha =3>1$; patrz Przykład AM1.Uzupelnic p.new.am1.w.06.150|), więc na mocy kryterium Weierstrassa zbieżności szeregów funkcyjnych (patrz Twierdzenie Uzupelnic t.new.am2.w.04.150|) wnioskujemy, że szereg $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{2+3n^3{x}^2}$ jest zbieżny jednostajnie w obszarze $[a,+\mathrm{\infty }).$
Odpowiedź: Szereg $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{2+3n^3{x}^2}$ jest zbieżny jednostajnie w obszarze $[a,+\mathrm{\infty }).$

(2) Ponieważ

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \forall n\in\mathbb{N},\ x\in\mathbb{R}:\ \bigg|\frac{\cos nx}{\sqrt[3]{n^4+x^2}}\bigg| \ \le\ \frac{1}{\sqrt[3]{n^4+x^2}} \ \le\ \frac{1}{n^{\frac{4}{3}}} }

oraz szereg liczbowy $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{n^{\frac{4}{3}}}$ jest zbieżny (jako uogólniony szereg harmoniczny z wykładnikiem $\alpha =\frac{4}{3}>1$; patrz Przykład AM1.Uzupelnic p.new.am1.w.06.150|), więc na mocy kryterium Weierstrassa zbieżności szeregów funkcyjnych (patrz Twierdzenie Uzupelnic t.new.am2.w.04.150|) wnioskujemy, że szereg $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{\cos nx}{\sqrt[3]{n^4+x^2}}$ jest zbieżny jednostajnie w $\mathbb{ℝ}.$
Odpowiedź: Szereg $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{\cos nx}{\sqrt[3]{n^4+x^2}}$ jest zbieżny jednostajnie w $\mathbb{ℝ}.$

{}$◻$

Ćwiczenie

Zbadać obszar zbieżności szeregu funkcyjnego $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{nx}{e^{nx}}.$

Wskazówka

(1) Zastosować kryterium d'Alemberta (patrz Wniosek AM1.Uzupelnic w.new.am1.w.07.020|), dla szeregu liczbowego przy ustalonym $x\in \mathbb{ℝ}.$

{}$◻$

Rozwiązanie

(1) W celu zastosowania kryterium d'Alemberta obliczamy

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \frac{a_{n+1}}{a_n} \ =\ \frac{(n+1)x}{e^{(n+1)x}}\frac{e^{nx}}{nx} \ =\ \frac{n+1}{n}e^{-x}, }

zatem

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \lim\limits_{n\rightarrow +\infty}\frac{a_{n+1}}{a_n} \ =\ \lim\limits_{n\rightarrow +\infty}\frac{n+1}{n}e^{-x} \ =\ e^{-x}. }

Gdy $e^{-x}<1,$ czyli $x>0,$ to szereg na mocy kryterium d'Alemberta (patrz Wniosek AM1.Uzupelnic w.new.am1.w.07.020|) jest zbieżny.

Gdy $e^{-x}>1,$ czyli $x<0,$ to szereg na mocy kryterium d'Alemberta (patrz Wniosek AM1.Uzupelnic w.new.am1.w.07.020|) jest rozbieżny.

Pozostaje do sprawdzenia przypadek $x=0.$ Wówczas otrzymujemy szereg zerowy $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}0,$ który jest zbieżny.
Odpowiedź: Obszarem zbieżności szeregu $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{nx}{e^{nx}}$ jest przedział $[0,+\mathrm{\infty }).$

{}$◻$

Ćwiczenie

Zbadać obszar zbieżności szeregu funkcyjnego $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{1+x^n}.$

Wskazówka

Rozważyć osobno przypadki: $|x|>1,|x|<1,x=1$ i $x=-1.$ Skorzystać z kryterium porównawczego (patrz Twierdzenie AM1.Uzupelnic t.new.am1.w.06.090|) oraz sprawdzić warunek konieczny zbieżności szeregów.

{}$◻$

Rozwiązanie

Dla $|x|>1,$ mamy

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle |1+x^n| \ >\ |x|^n-1 \ >\ |x|^n-\frac{|x|^n}{2} \ =\ \frac{|x|^n}{2}, }

zatem

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \bigg|\frac{1}{1+x^n}\bigg| \ <\ \frac{2}{|x|^n}. }

Ponieważ $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{2}{|x{|}^n}=2\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{|x{|}^n}$ jest szeregiem geometrycznym zbieżnym (gdyż $|x|>1$), zatem na mocy kryterium porównawczego (patrz Twierdzenie AM1.Uzupelnic t.new.am1.w.06.090|), szereg $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{1+x^n}$ jest w tym przypadku zbieżny.

Dla $|x|<1,$ mamy

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \frac{1}{1+x^n} \ >\ \frac{1}{1-|x|} }

a zatem szereg liczbowy nie spełnia warunku koniecznego zbieżności szeregów. Więc w tym przypadku szereg jest rozbieżny.

Dla $x=-1$ szereg nie jest określony.

Dla $x=1$ mamy szereg $\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{1}{2},$ który jest rozbieżny, gdyż nie spełnia warunku koniecznego zbieżności szeregów.
Odpowiedź: Obszarem zbieżności szeregu jest $\mathbb{ℝ}\setminus [-1,1].$

{}$◻$

Ćwiczenie

Rozwinąć w szereg Maclaurina następujące funkcje:
(1) $f(x)=x^3+5x^2+13x+1$
(2) $f(x)={\sin }^{2}x$

Wskazówka

(1) Wyznaczyć kolejne pochodne funkcji $f$ w $0.$
(2) Wyznaczyć kolejne pochodne funkcji $f$ w $0$ oraz wyprowadzić ogólny wzór na $f^{(n)}(0).$

{}$◻$

Rozwiązanie

(1) Liczymy kolejne pochodne funkcji $f$ oraz pochodne dla $x_0=0$:

$\begin{array}{cclc}f(x)& =x^3+5x^2+13x+1& f(0)& =1,\\ f^{\prime }(x)& =3x^2+10x+13& f^{\prime }(0)& =13,\\ f^{″}(x)& =6x+10& f^{″}(0)& =10,\\ f^{‴}(x)& =6& f^{‴}(0)& =6,\\ f^{(n)}(x)& =0& f^{(n)}(0)& =0\text{<mrow data-mjx-texclass="ORD">dla</mrow>}n\ge 4.\end{array}$

Podstawiając do wzoru na szereg Maclaurina, mamy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned S(x) &= f(0) +\frac{1}{1!}f'(0)x +\frac{1}{2!}f''(0)x^2 +\frac{1}{3!}f'''(0)x^3 +\frac{1}{4!}f^{(4)}(0)x^4 +\ldots\\ &= 1+13x+\frac{10}{2}x^2+\frac{6}{6}x^3 \ =\ 1+13x+5x^2+x^3. \endaligned}

Zauważmy, że otrzymany szereg Maclaurina jest skończony oraz jest równy wyjściowemu wielomianowi, to znaczy $S(x)=f(x)$ dla każdego $x\in \mathbb{ℝ}.$ Nie jest to przypadek, jak zobaczymy na następnym wykładzie.

(2) Liczymy kolejne pochodne funkcji $f$:

$\begin{array}{cc}f(x)& ={\sin }^{2}x,\\ f^{\prime }(x)& =2\sin x\cos x=\sin 2x,\\ f^{″}(x)& =2\cos 2x,\\ f^{‴}(x)& =-4\sin 2x,\\ f^{(4)}(x)& =-8\cos 2x,\\ f^{(5)}(x)& =16\sin 2x,\end{array}$

oraz ogólnie dla $n\ge 1,$ mamy

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle f^{(n)}(x) \ =\ \left\{ \begin{array} {lll} -2^{n-1}\cos 2x & \textrm{dla} \displaystyle & n=4k,\\ 2^{n-1}\sin 2x & \textrm{dla} \displaystyle & n=4k+1,\\ 2^{n-1}\cos 2x & \textrm{dla} \displaystyle & n=4k+2,\\ -2^{n-1}\sin 2x & \textrm{dla} \displaystyle & n=4k+3,\\ \end{array} \right. \qquad f^{(n)}(0) \ =\ \left\{ \begin{array} {lll} -2^{n-1} & \textrm{dla} \displaystyle & n=4k,\\ 0 & \textrm{dla} \displaystyle & n=4k+1,\\ 2^{n-1} & \textrm{dla} \displaystyle & n=4k+2,\\ 0 & \textrm{dla} \displaystyle & n=4k+3,\\ \end{array} \right. }

lub krócej

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle f^{(n)}(0) \ =\ \left\{ \begin{array} {lll} (-1)^{k+1}2^{2k-1} & \textrm{dla} \displaystyle & n=2k\\ 0 & \textrm{dla} \displaystyle & n=2k+1.\\ \end{array} \right. }

Zatem szereg Maclaurina jest postaci

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle S(x) \ =\ \displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{f^{(n)}}{n!}x^n \ =\ \displaystyle \sum_{k=1}^{\infty} \frac{(-1)^{k+1}2^{2k-1}}{(2k)!}x^{2k}. }

Można dodatkowo sprawdzić, że obszarem zbieżności tego szeregu jest $\mathbb{ℝ}.$ Na kolejnym wykładzie dowiemy się, że sumą tego szeregu jest wyjściowa funkcja $f(x)={\sin }^{2}x.$

{}$◻$

Ćwiczenie

Rozwinąć funkcję $f(x)=\frac{1}{1-x}$ w szereg Maclaurina.

Wskazówka

Wyznaczyć kolejne pochodne funkcji $f$ w $0$ oraz wyprowadzić ogólny wzór na $f^{(n)}(0).$

{}$◻$

Rozwiązanie

Liczymy kolejne pochodne funkcji $f$ oraz pochodne dla $x_0=0$:

$\begin{array}{cclc}f(x)& =\frac{1}{1-x},& f(0)& =1,\\ \\ f^{\prime }(x)& =\frac{1}{(1-x{)}^2},& f^{\prime }(0)& =1!,\\ \\ f^{″}(x)& =\frac{1\cdot 2}{(1-x{)}^3},& f^{″}(0)& =2!,\\ \\ f^{‴}(x)& =\frac{1\cdot 2\cdot 3}{(1-x{)}^4},& f^{‴}(0)& =3!,\\ \\ f^{(n)}(x)& =\frac{1\cdot 2\cdot \dots \cdot n}{(1-x{)}^n},& f^{(n)}(0)& =n!\text{<mrow data-mjx-texclass="ORD">dla</mrow>}n\ge 1.\end{array}$

Podstawiając do wzoru na szereg Maclaurina, mamy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned S(x) &= f(0) +\frac{1}{1!}f'(0)x +\frac{1}{2!}f''(0)x^2 +\frac{1}{3!}f'''(0)x^3 +\frac{1}{4!}f^{(4)}(0)x^4 +\ldots\\ &= 1+x+x^2+x^3+\ldots \ =\ \displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} x^n. \endaligned}

Zauważmy, że otrzymany szereg Maclaurina jest szeregiem geometrycznym (dla każdego $x\in \mathbb{ℝ}$) oraz jego obszarem zbieżności jest przedział $(-1,1).$ Ze wzoru na sumę szeregu geometrycznego, widzimy także, że $S(x)=f(x)$ dla $x\in (-1,1)$

{}$◻$

Ćwiczenie

Rozwinąć następujące funkcje w szereg Taylora o środku w punkcie $x_0$:
(1) $f(x)=x^3+5x^2+13x+1,x_0=1$
(2) $f(x)=\frac{1}{x},x_0=3$

Wskazówka

(1)--(2) Wyznaczyć kolejne pochodne funkcji $f$ w punkcie $x_0$ oraz wyprowadzić ogólny wzór na $f^{(n)}(0).$

{}$◻$

Rozwiązanie

(1) Liczymy kolejne pochodne funkcji $f$ oraz pochodne dla $x_0=1$:

$\begin{array}{cclc}f(x)& =x^3+5x^2+13x+1& f(1)& =20,\\ f^{\prime }(x)& =3x^2+10x+13& f^{\prime }(1)& =26,\\ f^{″}(x)& =6x+10& f^{″}(1)& =16,\\ f^{‴}(x)& =6& f^{‴}(1)& =6,\\ f^{(n)}(x)& =0& f^{(n)}(1)& =0\text{<mrow data-mjx-texclass="ORD">dla</mrow>}n\ge 4.\end{array}$

Podstawiając do wzoru na szereg Taylora, mamy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned S(x) &= f(0) +\frac{1}{1!}f'(0)(x-1) +\frac{1}{2!}f''(0)(x-1)^2 +\frac{1}{3!}f'''(0)(x-1)^3 +\frac{1}{4!}f^{(4)}(0)(x-1)^4 +\ldots\\ &= 20+26(x-1)+\frac{16}{2}(x-1)^2+\frac{6}{6}(x-1)^3\\ &= 20+26(x-1)+8(x-1)^2+(x-1)^3. \endaligned}

Zauważmy, że otrzymany szereg Taylora jest skończony (czyli jest wielomianem), więc jego obszarem zbieżności jest $\mathbb{ℝ}.$ Oczywiście gdybyśmy wykonali działania w powyższym wielomianie to otrzymalibyśmy postać w jakiej podana była funkcja $f,$ zatem $S(x)=f(x)$ dla $x\in \mathbb{ℝ}.$

(2) Liczymy kolejne pochodne funkcji $f$ oraz pochodne dla $x_0=3$:

$\begin{array}{cclc}f(x)& =\frac{1}{x},& f^{\prime }(3)& =\frac{1}{3^1}=\frac{0!}{3^1},\\ \\ f^{\prime }(x)& =\frac{-1}{x^2},& f^{″}(3)& =\frac{-1}{3^2}=\frac{-1!}{3^2},\\ \\ f^{″}(x)& =\frac{1\cdot 2}{x^3},& f^{‴}(3)& =\frac{2!}{3^3},\\ \\ f^{‴}(x)& =\frac{-1\cdot 2\cdot 3}{x^4},& f^{(4)}(3)& =\frac{-3!}{3^4},\\ \\ f^{(n)}(x)& =\frac{(-1{)}^{n}n!}{x^{n+1}},& f^{(n)}(3)& =\frac{(-1{)}^{n}n!}{3^{n+1}}\text{<mrow data-mjx-texclass="ORD">dla</mrow>}n\ge 0.\end{array}$

Podstawiając do wzoru na szereg Taylora, mamy

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle S(x) \ =\ \displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} \frac{f^{(n)}(3)}{n!}(x-3)^n\\ \ =\ \displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n n!}{3^{n+1}n!}(x-3)^n \ =\ \displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{(x-3)^n}{3^{n+1}} }

Łatwo sprawdzić, że obszarem zbieżności powyższego szeregu jest przedział $(0,6).$

{}$◻$

Ćwiczenie

Rozwinąć funkcję $f(x)=\ln x$ w szereg Taylora o środku w punkcie $x_0=1.$

Wskazówka

Wyznaczyć kolejne pochodne funkcji $f$ w punkcie $x_0$ oraz wyprowadzić ogólny wzór na $f^{(n)}(0).$

{}$◻$

Rozwiązanie

Liczymy kolejne pochodne funkcji $f$ oraz pochodne dla $x_0=1$:

$\begin{array}{cclc}f(x)& =\ln x,& f(1)& =0,\\ \\ f^{\prime }(x)& =\frac{1}{x},& f^{\prime }(1)& =1=0!,\\ \\ f^{″}(x)& =\frac{-1}{x^2},& f^{″}(1)& =-1=-1!,\\ \\ f^{‴}(x)& =\frac{1\cdot 2}{x^3},& f^{‴}(1)& =2!,\\ \\ f^{(4)}(x)& =\frac{-1\cdot 2\cdot 3}{x^4},& f^{(4)}(1)& =-3!,\\ \\ f^{(n)}(x)& =\frac{(-1{)}^{n-1}(n-1)!}{x^n},& f^{(n)}(1)& =(-1{)}^{n-1}(n-1)!\text{<mrow data-mjx-texclass="ORD">dla</mrow>}n\ge 1.\end{array}$

Podstawiając do wzoru na szereg Taylora, mamy

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle S(x) \ =\ \displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} \frac{f^{(n)}(1)}{n!}(x-1)^n\\ \ =\ \displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}(n-1)!}{n!}(x-1)^n \ =\ \displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\frac{(x-1)^n}{n} }

Łatwo sprawdzić, że obszarem zbieżności powyższego szeregu jest przedział $(0,2].$

{}$◻$