Sisältö. Funktiojonot ja -sarjat 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 15

Samankaltaiset tiedostot
7 Funktiosarjoista. 7.1 Funktiosarjojen suppeneminen

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT Funktiojonot 1

5 Epäoleellinen integraali

II.1. Suppeneminen., kun x > 0. Tavallinen lasku

TEHTÄVÄ 1. Olkoon (f n ) jono jatkuvia funktioita f n : [a, b] R, joka suppenee välillä [a, b] tasaisesti kohti funktiota f : [a, b] R.

Matematiikan tukikurssi

ANALYYSI 3. Tero Kilpeläinen

Sarjat ja integraalit

Riemannin integraalista

Sisältö. Integraali 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 20

Käydään läpi: ääriarvo tarkastelua, L Hospital, integraalia ja sarjoja.

2 Epäoleellinen integraali

1+kx 2, x [0, 1] 4. f k (x) = (sin x) k, x R Tehtävä 2. Osoita suoraan määritelmään perustuen, että funktiojono (f k ), missä

Riemannin integraali

ANALYYSI I, kevät 2009

ANALYYSI I, kevät 2009

Sarjojen tasainen suppeneminen

ANALYYSIN TEORIA A JA B

1. Derivaatan Testi. Jos funktio f on jatkuva avoimella välillä ]a, b[ ja x 0 ]a, b[ on kriit. tai singul. piste niin. { f (x) > 0, x ]a, x 0 [

3 Integraali ja derivaatta

Matematiikan tukikurssi

5 Riemann-integraali ANALYYSI B, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Ala- ja yläintegraali

ANALYYSI I, kevät 2009

Analyysi 2. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Kevät Anna sellainen välillä ] 2, 2[ jatkuva ja rajoitettu funktio f, että

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 7: Integraali ja analyysin peruslause

Integroimistehtävät, 10. syyskuuta 2005, sivu 1 / 29. Perustehtäviä. Tehtävä 1. Osoita, että vakiofunktio f(x) c on Riemann-integroituva välillä

a = x 0 < x 1 < x 2 < < x n = b f(x) dx = I. lim f(x k ) x k=1

MS-A010{2,3,4,5} (SCI,ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 7: Integraali ja analyysin peruslause

2 Riemann-integraali. 2.1 Porrasfunktion integraali. Aloitetaan integraalin täsmällinen määrittely tutkimalla porrasfunktion integraalia.

Analyysin perusteet kauppatieteilijöille P

2.4 Pienimmän neliösumman menetelmä

10. MÄÄRÄTYN INTEGRAALIN KÄYTTÖ ERÄIDEN PINTA-ALOJEN LASKEMISESSA

i 2 n 3 ( (n 1)a (i + 1) 3 = 1 +

Lebesguen integraali - Rieszin määritelmä

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 8: Integraalifunktio ja epäoleellinen integraali

1 Jonot. 2 Sarjat. 3 Jatkuvuus. 4 Derivaatta. 5 Taylor-polynomit ja -sarjat. 1.2 Jonot. jossa

x k 1 Riemannin summien käyttö integraalin approksimointiin ei ole erityisen tehokasta; jatkuvasti derivoituvalle funktiolle f virhe b

1 Jonot. 2 Sarjat. 3 Jatkuvuus. 4 Derivaatta. 5 Taylor-polynomit ja -sarjat. 1.2 Jonot. jossa

Ville Turunen: Mat Matematiikan peruskurssi P1 3. välikokeen alueen teoriatiivistelmä 2007

Viikon aiheet. Pinta-ala

6 Integraalilaskentaa

Pertti Koivisto. Analyysi C

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

4. Reaalifunktioiden määrätty integraali

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 8: Integraalifunktio ja epäoleellinen integraali

1 Jonot. 2 Sarjat. 3 Jatkuvuus. 4 Derivaatta. 5 Taylor-polynomit ja -sarjat. 1.2 Jonot. jossa

Numeerinen integrointi.

lim + 3 = lim = lim (1p.) (3p.) b) Lausekkeen täytyy supistua (x-2):lla, joten osoittajan nollakohta on 2.

1 Jonot. 2 Sarjat. 3 Jatkuvuus. 4 Derivaatta. 5 Taylor-polynomit ja -sarjat / Jonot / 200. jossa / 200

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Kertausta ja täydennystä

1 Jonot. 2 Sarjat. 3 Jatkuvuus. 4 Derivaatta. 5 Taylor-polynomit ja -sarjat. 1.2 Jonot. jossa

Riemannin integraalista

Määritelmä Olkoon C R m yksinkertainen kaari ja γ : [a, b] R m sen yksinkertainen parametriesitys, joka on paloittain C 1 -polku.

Kuvausta f sanotaan tällöin isomorfismiksi.

Riemann-integraalin ja mittaintegraalin vertailua

Kertymäfunktio. Kertymäfunktio. Kertymäfunktio: Mitä opimme? 2/2. Kertymäfunktio: Mitä opimme? 1/2. Kertymäfunktio: Esitiedot

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1: tiivistelmä ja oheislukemista

Newtonin, Riemannin ja Henstock-Kurzweilin integraalit

Numeerinen integrointi

Reaalinen lukualue. Millainen on luku, jossa on päättymätön ja jaksoton desimaalikehitelmä?

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 9: Integroimismenetelmät

Integraalilaskenta. Määrätty integraali

Matematiikan perusteet taloustieteilijöille P

MS-A010{2,3,4,5} (SCI,ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 9: Integroimismenetelmät

MS-A010X Di erentiaali- ja integraalilaskenta Lukujoukot. 1.2 Jonot. 1.2 Perusongelmat. 1.3 Suppeneminen I. 1.2 Jonojen ominaisuuksia

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM) Laskuharjoitus 4 / vko 47, mallivastaukset

Matematiikan peruskurssi. Seppo Hassi

Matemaattiset menetelmät I. Seppo Hassi

Analyysi B. Derivaatta ja integraali. Pertti Koivisto

4 Taso- ja avaruuskäyrät

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 9. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 9 () Numeeriset menetelmät / 29

Mika Hirvensalo. Insinöörimatematiikka B 2014

Lisää määrätystä integraalista Integraalin arvioimisesta. Osoita: VASTAUS: Osoita: Osoita:

8 Potenssisarjoista. 8.1 Määritelmä. Olkoot a 0, a 1, a 2,... reaalisia vakioita ja c R. Määritelmä 8.1. Muotoa

Syksyn 2015 Pitkän matematiikan YO-kokeen TI-Nspire CAS -ratkaisut

Pertti Koivisto. Analyysi B

OSA 1: POLYNOMILASKENNAN KERTAUSTA, BINOMIN LASKUSÄÄNTÖJÄ JA YHTÄLÖNRATKAISUA

sin θ θ θ r 2 sin 2 θ φ 2 = 0.

VALTIOTIETEELLINEN TIEDEKUNTA TILASTOTIETEEN VALINTAKOE Ratkaisut ja arvostelu

HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI

Sarjaratkaisun etsiminen Maplella

ANALYYSI 2. Tero Kilpeläinen

Integraalilaskentaa. 1. Mihin integraalilaskentaa tarvitaan? MÄNTÄN LUKIO

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa II

Jouni Sampo. 28. marraskuuta 2012

Funktiojonot ja funktiotermiset sarjat Funktiojono ja funktioterminen sarja Pisteittäinen ja tasainen suppeneminen

2.2 Monotoniset jonot

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2017 Harjoitus 6, ratkaisuista. 1. Onko jokin demojen 5 tehtävän 3 relaatioista

Sinilause ja kosinilause

Funktiojonon tasainen suppeneminen

3.3 KIELIOPPIEN JÄSENNYSONGELMA Ratkaistava tehtävä: Annettu yhteydetön kielioppi G ja merkkijono x. Onko

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

Matematiikan tukikurssi

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

Lebesguen integraali

MS-C1300 KOMPLEKSIANALYYSI KIRSI PELTONEN

Sisältö. Sarjat 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 17

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Transkriptio:

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 1 / 15 Sisältö 1 Funktiojonoist 2 2 Funktiosrjoist 5 3 Funktiojonojen j -srjojen derivointi j integrointi 7 4 Potenssisrjt 9 5 Tylorin polynomit j srjt 12 5.1 Tylorin polynomit 12 5.2 Tylorin srjt 14 5.3 Yleisimpi srjkehitelmiä 14 1

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 2 / 15 1 Funktiojonoist Reliset lukujonot määriteltiin funktioin f : Z + R. Anlogisesti funktiojonot määritellään funktioin positiivisten kokonislukujen joukolt relifunktioiden joukolle. Täten funktiojono liittää jokiselle kokonisluvulle täsmälleen yhden funktion f : A B, missä A, B R. Jos f 1 : D R, f 2 : D R,... on jono relifunktioit, niin funktiojono merkitään (f k ). Mikäli indeksistä ei ole epäselvyyttä, niin lyhennetään vin (f k ). Olkoon (f k ) funktiojono, joss f k suppenee pisteittäin kohti funktiot f : D R, mikäli : D R j D R. Tämä funktiojono lim f k(x) = f(x) in, kun x D. Tällöin funktiot f snotn jonon (f k ) rjfunktioksi j merkitään lim f k = f ti f k f, kun k. Kiinnittämällä x 0 D sdn normli relinen lukujono (f k (x 0 )). Selvästi mikäli tämä lukujono hjntuu, niin ei voi oll olemss funktiot f : D R, jok toteuttisi ehdon f k (x 0 ) f(x 0 ), kun k. Tällöin funktiojono (f k ) ei voi supet. Esimerkiksi funktiojono (f k ), missä f k : [0, 1] R, f k (x) = x k on jono jtkuvi funktioit, jok suppenee kohti funktiot f : [0, 1] R, missä 0, kun 0 x < 1 f(x) = 1, kun x = 1. Nyt funktio f ei ole jtkuv funktio, vikk jokinen funktiojonon funktio f k on. Tämä on hiemn ongelmllist, sillä jtko jtellen olisi hyödyllistä, että suppeneminen säilyttäisi rjfunktion jtkuvuuden. Otetn käyttöön tiukempi ehto suppenemiselle. 2

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 3 / 15 Funktiojono (f k ) suppenee tsisesti joukoss D R kohti rjfunktiot f, mikäli sup f k (x) f(x) 0, kun k. x D Tsisest suppenemisest seur suorn pisteittäinen suppeneminen, sillä f k (x) f(x) sup f k (x) f(x) 0, kun k. x D Täten lim f k (x) = f(x) kikill x D. Pisteittäisessä suppenemisess jokist luku ɛ > 0 on olemss sellinen luku k(x, ɛ) Z +, että f k (x) f(x) < ɛ in, kun k > k(x, ɛ), missä x D. Kosk jokinen (f k (x 0 )) on om lukujonons, niin k(x 0, ɛ) tulee riippumn luvust ɛ > 0 j määritysjoukon pisteestä x 0 D. Edellisessä esimerkissä jokinen k Z + käy luvuksi k(x, ɛ), kun x = 0 ti x = 1. Kun 0 < x < 1, täytyy vlit k(x, ɛ) > ln ɛ. Tämä rvio vkiolle sdn ottmll epäyhtälöstä ln x x k 0 = x k < ɛ puolittin luonnollinen logritmi. Tämä voidn tehdä, kosk molemmt puolet ovt positiivisi. Täten ln x k = k ln x < ln ɛ. Epäyhtälön suunt säilyy, kosk luonnollinen logritmi on idosti ksvv funktio. Kosk 0 < x < 1, niin ln x < 0 j sdn k > ln ɛ ln x. Tsisess suppenemisess vditn luvun k ɛ Z + täyttävän ehdon sup f k (x) f(x) < ɛ in, kun k > k ɛ. x D 3

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 4 / 15 Täten k ɛ tulee riippumn vin luvust ɛ > 0 j joukost D. Siis f k (x) f(x) < ɛ in, kun k > k ɛ j x D. Ero ei vikut ehkä järin suurelt, mutt on käytännössä huomttv, sillä erotuksen f k (x) f(x) supremum lsketn ennen kuin luvun k nnetn ksv rjtt. Seurv luse osoitt, että määritelmänä tsinen suppeneminen on hyvin vlittu, sillä se tulee tkmn, että rjfunktio tulee säilyttämään jtkuvuuden. Luse. Jos jtkuvien funktioiden muodostm funktiojono (f k ) suppenee tsisesti joukoss D R kohti rjfunktiot f : D R, niin funktio f on jtkuv. Smll luse nt helpon tvn osoitt joisskin tpuksiss, että funktiosrjn suppeneminen ei ole tsist. Nimittäin jos rjfunktio f on epäjtkuv vikk funktiojonon termit f k ovt jtkuvi, niin suppeneminen ei voi oll tsist. Huomutus. Kosk suljetull j rjoitetull välillä I = [, b] jtkuv funktio svutt mksimins tällä välillä, niin sup f k (x) f(x) = mx f k(x) f(x). x I x I Kosk mx f k(x) f(x) on luvust k riippuv lukujono, niin tsisen suppenemisen trkstelu sdn plutettu lukujonon suppenemiseen, mikäli x I mksimirvo pystytään määräämään. 4

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 5 / 15 2 Funktiosrjoist Olkoon (g k ) mielivltinen jono funktioit g k : D R. Vstvll tvll kuin tvllinen srj muodostetn lukujonost summmll lukujonon termejä, niin funktiosrj sdn muodostmll uusi funktiojono (f n ), missä f n (x) = n g k (x) = g 1 (x) + g 2 (x) +... + g n (x) in, kun x D j n Z +. Tätä funktiot snotn funktiosrjn g k (x) n:nneksi ossummksi. Funktiosrj g k (x) suppenee pisteittäin kohti funktiot f joukoss D, mikäli ossummien jono (f n ) suppenee pisteittäinäin kohti funktiot f joukoss D. Siis jos lim n n g k (x) = f(x) in, kun x D. Kiinnittämällä x 0 D sdn ikn relilukujen srj g k (x 0 ). Tähän voi- dn sovelt suorn srjteorin tuloksi. Esimerksi funktiosrj g k (x 0 ) ei voi supet, mikäli g k (x 0 ) 0, kun k. Myös muit suppenemistestejä, esimerkiksi suhdetestiä j juuritestiä, voidn sovelt pisteittäisissä suppenemistrksteluiss. Funktiosrj g k (x) suppenee tsisesti kohti funktiot f joukoss D, mikäli ossummien jono (f n ) suppenee tsisesti kohti funktiot f joukoss D. Eli jos n sup g k (x) f(x) 0, kun n. x D Kosk khden jtkuvn funktion summfunktio on jtkuv, niin jtkuvien funktioiden muodostm srjn jokinen ossumm on jtkuv funktio. Täten voidn funktiojonoille osoitettu tulost sovelt j sd 5

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 6 / 15 Luse. Jos funktiot (g k ) ovt jtkuvi kikill k Z + joukoss D j funktiosrj g k (x) suppenee tsisesti joukoss D R kohti summfunktiot f : D R, niin summfunktio f on jtkuv. Vrsinkin srjojen tpuksess tsisen suppenemisen osoittminen voi oll hyvin työlästä. Onneksi Weierstrssin M-testi yksinkertist tätä huomttvsti, mikäli onnistuu löytämään sopivn mjornttisrjn. Weierstrssin M-testi. Jos srj niin funktiosrj k suppenee j g k (x) k in, kun x D j k Z +, g k (x) suppenee tsisesti joukoss D. Huomutus. Korvmll g n (x) termillä g n (x) huomtn, että jos Weierstrssin M-testin ehdot täyttyvät, niin myös funktiosrj g k (x) suppenee tsisesti joukoss D. 6

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 7 / 15 3 Funktiojonojen j -srjojen derivointi j integrointi Jtkuvuuden lisäksi tsinen suppeneminen tulee säilyttämään myös funktion integroituvuuden j lisäksi integroimisen s suoritt termeittäin. Luse. Olkoon (f k ) jono funktioit, jotk ovt integroituvi välillä [, b]. Jos jono (f k ) suppenee tsisesti välillä [, b] kohti funktiot f, niin funktio f on integroituv välillä [, b] j f(x)dx = Vstv tulos funktiosrjoille on: lim f k(x)dx = lim f k (x)dx Luse. Olkoon (f k ) jono funktioit, jotk ovt integroituvi välillä [, b]. Jos srj f k suppenee tsisesti välillä [, b] kohti funktiot f, niin funktio f on in- tegroituv välillä [, b] j f(x)dx = f k (x)dx = f k (x)dx Kosk esimerkiksi kikki suljetull j rjoitetull välillä jtkuvt funktiot ovt integroituvi tällä välillä, niin käytännön lskutehtävissä usein riittää todet, että funktiojonon funktiot ovt jtkuvi välillä, jonk yli integrointi suoritetn. Ikävä kyllä, derivoimisen suhteen tilnne ei ole yhtä yksinkertinen. Luse. Olkoon (f k ) jono funktioit, jotk ovt jtkuvsti derivoituvi välillä [, b]. Jos jono (f k ) suppenee pisteittäin välillä [, b] kohti funktiot f j derivttojen jono (f k ) suppenee tsisesti välillä [, b] kohti funktiot g, niin funktio f on derivoituv jtkuvsti välillä [, b] j f (x) = g(x) = lim f k(x) in, kun x [, b]. Funktio f k on jtkuvsti derivoituv välillä, mikäli funktion derivttfunktio on olemss j se on jtkuv. Tämän merkintään kirjoittmll f k C 1 (R). J srjoille sm tulos on: 7

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 8 / 15 Luse. Olkoon (f k ) jono funktioit, jotk ovt jtkuvsti derivoituvi välillä [, b]. Jos srj f k suppenee pisteittäin välillä [, b] kohti funktiot f j derivttojen srj f k suppenee tsisesti välillä [, b] kohti funktiot g, niin funktio f on derivoituv jtkuvsti välillä [, b] j f (x) = d dx f k (x) = f k(x) = g(x) in, kun x [, b]. Huomutus. Edellä olevi tuloksi voidn prnt, eli os oletuksist on turhi. Tämän kurssin trpeisiin tulokset ovt kuitenkin riittäviä. Voidn osoitt, että jos f on välillä [, b] jtkuv funktio, niin on olemss polynomijono (P k ), jok suppenee tsisesti välillä [, b] kohti funktiot f. Jokinen polynomi on derivoituv kikiss relilukupisteissä. Kuitenkin on olemss funktioit, jotk ovt jtkuvi kikkill, mutt eivät missään derivoituvi. Täten derivoituvuus ei ole ominisuus, jonk tsinen suppeneminen säilyttää. Tämä voi tuntu oudolt, kosk tsinen suppeneminen säilyttää kuitenkin jtkuvuuden j integoituvuuden. Derivoituvuus on vin pljon tiukempi ehto kuin integroituvuus ti jtkuvuus. 8

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 9 / 15 4 Potenssisrjt Olkoon x 0 mielivltinen reliluku j ( k ) mielivltinen relinen lukujono. Funktiosrj k (z x 0 ) k snotn potenssisrjksi. Lukuj 0, 1, 2,... kutsutn potenssisrjn kertoimiksi j luku x 0 on srjn keskipiste. Merkitsemällä x = z x 0 sdn kikki potenssisrjt plutettu muotoon k x k = 0 + 1 x + 2 x 2 + 3 x 3 +..., joiss keskipisteenä on siis 0. Potenssisrj määrittelee siis funktion f : D R, f(x) = k x k, missä funktion f määritysjoukko D sisältää täsmälleen ne luvut x R, joiss potenssisrj suppenee. Eli x D jos j vin jos srjn äärellisenä olemss. Siis { } D = x R k x k suppenee. k x k 0 summ on Huomutus. Yleensä lusekett 0 0 ei ole määritelty, mutt potenssisrj käsiteltäessä sovitn, että 0 0 = 1. Tällöin f(0) = k 0 k = 0. Potenssisrjn k x k suppenemissäde on luku { } R = sup x R k x k suppenee = sup D. 9

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 10 / 15 Selvästi jokinen potenssisrj suppenee, kun x = 0, joten R 0. Mikäli potenssisrj suppenee kikill reliluvuill x R eli { } R = x R k x k suppenee = D, niin joukon suprenumi ei ole äärellisenä olemss, jolloin merkitään R =. Siten 0 R. Määritelmän nimi on mielekäs, sillä mjorntti- j minornttiperitett käyttämällä sdn, että Luse. Potenssisrj kun x > R k x k suppenee in, kun x < R j hjntuu in, Huomutus. Luseen suppenemis- j hjntumisehdot eivät ole jos j vin jos, sillä potenssisrj voi supet ti hjntu rvoill x = R ti x = R. Nämä pitää siis trkstell erikseen srjn suppenemist tutkittess. Srjojen osmäärä- j juuritestiä muokkmll sdn seurvt tulokset: Osmäärätesti. Olkoon lim k+1 k = p. Jos p = 0, niin R =. Jos p =, niin R = 0. Jos 0 < p <, niin R = 1 p. j Juuritesti. Olkoon lim k k = p. Jos p = 0, niin R =. Jos p =, niin R = 0. Jos 0 < p <, niin R = 1 p. Weierstrssin M-testi soveltmll sdn tsen: k x k suppenee tsisesti jokisell välillä [, b] ] Luse. Potenssisrj R, R[, missä, b R j < b. 10

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 11 / 15 Kosk funktiot f k (x) = k x k ovt jtkuvi j tsinen suppeneminen säilyttää jtkuvuuden, niin Luse. Funktio f :] R, R[ R, f(x) = k x k on jtkuv. Suljetull j rjoitetull välillä [, b] jtkuvt funktiot ovt myös integoituvi tällä välillä. Tsinen suppeneminen säilytti integoituvuuden j slli termeittäin integroinnin, joten Luse. Jos [, b] ] R, R[, niin funktio f(x) = k x k on integroituv välillä [, b] j f(x)dx = ( k ) x k dx = ( k b/ ) x k+1 = k + 1 Derivoituvuuden osoittmiseen trvitn seurvn putulost. k k + 1 xk+1 Luse. Potenssisrjoill k x k, k k + 1 xk+1 j k k x k 1 on smt suppenemissäteet. Luse. Jos x ] R, R[, niin funktio f on derivoituv pisteessä x j f (x) = d dx k x k = d dx kx k = k k x k 1. Täten jokinen potenssisrj voidn derivoid mielivltisen mont kert suppenemissäteensä ] R, R[ sisällä. Tutkimll srjn derivttoj sdn seurv tulos. Luse. Jos f(x) = k x k j g(x) = b k x k sekä on olemss sellinen r > 0, että f(x) = g(x) in, kun x ] r, r[, niin k = b k kikill k = 0, 1, 2... Täten potenssisrjn kertoimet ovt yksikäsitteisiä. 11

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 12 / 15 5 Tylorin polynomit j srjt Jokist potenssisrj voidn derivoid mielivltisen mont kert suppenemissäteensä ]x 0 R, x 0 + R[ sisällä. Ottmll srjn f(x) = k (x x 0 ) k i:s derivtt, sdn f (i) (x) = i(i 1)(i 2) (k i + 1) k (x x 0 ) k i k=i Sijoittmll x = x 0 kikki kertoimen (x x 0 ) sisältävät termit supistuvt pois j jäljelle jää f (i) (x 0 ) = i! i eli potenssisrjn kertoimelle i sdn uusi esitysmuoto i = f (i) (x 0 ). i! Nyt potenssisrjt voidn kirjoitt uudell tvll f (k) (x 0 ) f(x) = (x x 0 ) k, k! jot snotn funktion f Tylorin srjksi pisteen x 0 ympäristössä. Mikäli x 0 = 0, niin srj kutsutn Mclurinin srjksi. Jokinen potenssisrjn määräämä funktio f voidn siis kirjoitt Tylorin srjn. Seurvksi trkstelln milloin funktiolle on mhdollist muodost Tylorin srj eli milloin se voidn esittää potenssisrjn. 5.1 Tylorin polynomit Olkoon f sellinen funktio, että se on n kert derivoituv pisteessä x 0. Tällöin sen n:nnen steen Tylorin polynomi pisteessä x 0 on n f (k) (x 0 ) T n (x, x 0 ) = (x x 0 ) k k! 12

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 13 / 15 Funktiot R n (x, x 0 ) = f(x) T n (x, x 0 ) snotn Tylorin polynomin jäännöstermiksi. Se siis kertoo millinen virhe tehdään, kun funktiot f rvioidn n:nnen steen Tylorin polynomill. Luse. Jos funktio f on äärettömän mont kert derivoituv pisteen x 0 eräässä R-säteisessä ympäristössä, niin R n (x, x 0 ) = 1 n! x in, kun x x 0 < R j n = 0, 1, 2,... x 0 f (n+1) (t)(x t) n dt Soveltmll integrlilskennn välirvoluseen yleistettyä muoto tähän sdn, että on olemss sellinen luku s pisteiden x j x 0 (ei tiedetä kumpi on suurempi) välissä, että Täten f(x) = R n (x, x 0 ) = f (n+1) (s) (n + 1)! (x x 0) n+1. n f (k) (x 0 ) (x x 0 ) k + f (n+1) (s) k! (n + 1)! (x x 0) n+1, mikä on välirvoluseen yleistys, sillä tpuksess n = 0 yhtälö on supistuu muotoon f(x) = f(x 0 ) + f (s)(x x 0 ). Huomutus. Edellisen luseen kv nt virheelle trkn rvon, mikäli integrlin x x 0 f (n+1) (t)(x t) n dt rvo ostn lske. Kosk yleensä hlutn tietää vin rvio virheelle luvun n eri rvoill, niin helpoin tp tähän voi oll lske jokin ylärj lusekkeelle missä s ]x 0 R, x 0 + R[. f (n+1) (s) (n + 1)! (x x 0) n+1, 13

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 14 / 15 5.2 Tylorin srjt Olkoon R > 0 srjn f (k) (x 0 ) k! (x x 0 ) k suppenemissäde. Oletetn, että R n (x, x 0 ) 0, kun n välillä ]x 0 R, x 0 + R[. Tällöin T n (x, x 0 ) f(x), kun n j x ]x 0 R, x 0 + R[. Siis funktioll f on srjkehitelmä pisteen x 0 ympäristössä, jok yhtyy funktioon f funktiosrjn suppenemissäteen ]x 0 R, x 0 + R[ sisällä. Tätä srjkehitelmää f(x) = f (k) (x 0 ) (x x 0 ) k in, kun x ]x 0 R, x 0 + R[ k! kutsutn funktion f Tylorin srjksi pisteen x 0 ympäristössä. Useimmiss tpuksiss funktion Tylorin polynomin virhefunktion R n (x, x 0 ) rj-rvo on hnkl trkstell. Seurvn luseen soveltminen voi helpott trkstelu. Luse. Jos funktion f jokinen derivtt f (k) (x) on rjoitettu pisteen x 0 ympäristössä B R (x 0 ) eli on olemss sellinen vkio M > 0, että f (k) (x) < M in, kun x x0 < R j k = 0, 1,..., niin lim n R n (x, x 0 ) = 0 in, kun x x 0 < R. Täten esimerkiksi funktioiden sin x j cos x Tylorin srjt suppenevt kikkill lueess R. Mikäli funktio f voidn kirjoitt funktioon yhtyvänä Tylorin srjn, niin funktio on polynomifunktioiden rj-rvo. Polynomien j rj-rvon käsitteet voidn helposti yleistää esimerkiksi kompleksiluvuille j mtriiseille. Täten funktio f voidn määritellä mielekkäästi myös kompleksiluvuille j mtriiseille. 5.3 Yleisimpi srjkehitelmiä 1. e x = x k k! = 1 + x + x2 2 + x3 6 +... kikill x R 14

Funktiojonot j -srjt 10. syyskuut 2005 sivu 15 / 15 2. ln(1 + x) = k+1 xk ( 1) 3. sin x = ( 1) k x2k+1 = x x3 (2k+1)! k = x x2 + x3 +..., kun 1 < x 1 2 3 6 + x5 120... kikill x R 4. cos x = ( 1) k x2k = 1 x2 + x4... kikill x R (2k)! 2 4! 5. (1 + x) α = 1 + ( ( α 1) x + α ) 2 x 2 + ( α 3) x 3 +... kikill x < 1 j α R. Huomutus. Edellisessä merkintä ( α n) on nk. yleistetty binomikerroin j ( ) α α(α 1)(α 2) (α n + 1) = n n! kikill α R j n = 0, 1, 2,.... 15