Taylorin sarja ja Taylorin polynomi

Samankaltaiset tiedostot
Matemaattinen Analyysi

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

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

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

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

Matemaattinen Analyysi

Matematiikan tukikurssi

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

VI. TAYLORIN KAAVA JA SARJAT. VI.1. Taylorin polynomi ja Taylorin kaava

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II kevät 2018 Ratkaisut 1. välikokeen preppaustehtäviin. 1. a) Muodostetaan osasummien jono. S n =

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

Matemaattinen Analyysi

2 Taylor-polynomit ja -sarjat

Matemaattinen Analyysi

MS-A0104 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2) MS-A0106 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ENG2)

Diskreetti derivaatta

Analyysi I (sivuaineopiskelijoille)

Matemaattinen Analyysi

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

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

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

V. POTENSSISARJAT. V.1. Abelin lause ja potenssisarjan suppenemisväli. a k (x x 0 ) k M

Kompleksianalyysi, viikko 5

4 (x 1)(y 3) (y 3) (x 1)(y 3)3 5 3

Talousmatematiikan perusteet: Luento 7. Derivointisääntöjä Yhdistetyn funktion derivointi

Matematiikan tukikurssi

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 3. viikolle /

Reaaliarvoisen yhden muuttujan funktion derivaatta LaMa 1U syksyllä 2011

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

Differentiaalilaskenta 1.

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

Matematiikan approbatur 2B

Matematiikan tukikurssi

Matemaattinen Analyysi

3 = Lisäksi z(4, 9) = = 21, joten kysytty lineaarinen approksimaatio on. L(x,y) =

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

Integraalifunktio. Pohdittavaa: Minkä funktion derivaattafunktio on a) 3x 2, b) 2x? MiH (Ivalon lukio) MAA kesäkuuta / 5

funktiojono. Funktiosarja f k a k (x x 0 ) k

Talousmatematiikan perusteet: Luento 6. Derivaatta ja derivaattafunktio Derivointisääntöjä Ääriarvot ja toinen derivaatta

f(x) f(y) x y f f(x) f(y) (x) = lim

Numeerinen analyysi Harjoitus 1 / Kevät 2017

Potenssisarja, suppenemissäde. Potenssisarja ja derivointi. Potenssisarja ja analyyttiset funktiot. Potenssisarja ja integrointi.

Matematiikan tukikurssi

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 1. viikolle /

Numeerinen integrointi ja derivointi

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta

Talousmatematiikan perusteet: Luento 6. Derivaatta ja derivaattafunktio Derivointisääntöjä Ääriarvot ja toinen derivaatta

ANALYYSI 3. Tero Kilpeläinen

5. Potenssisarjat 5.1. Määritelmä ja suppeneminen

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

2 dy dx 1. x = y2 e x2 2 1 y 2 dy = e x2 xdx. 2 y 1 1. = ex2 2 +C 2 1. y =

Yhdistetty funktio. Älä sekoita arvo- eli kuvajoukkoa maalijoukkoon! (wikipedian ongelma!)

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

MS-A010X Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

BM20A5810 Differentiaalilaskenta ja sovellukset Harjoitus 5, Syksy 2016

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

u(0, t) = 0 kaikille t > 0: lämpötila pidetään vakiona pisteessä x = 0;

MATEMATIIKKA 3 VIIKKOTUNTIA. PÄIVÄMÄÄRÄ: 8. kesäkuuta 2009

integraali Integraalifunktio Kaavoja Integroimiskeinoja Aiheet Linkkejä Integraalifunktio Kaavoja Integroimiskeinoja Määrätty integraali

763101P FYSIIKAN MATEMATIIKKAA Seppo Alanko Oulun yliopisto Fysiikan laitos Syksy 2012

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

4. Funktion arvioimisesta eli approksimoimisesta

Kompleksitermiset jonot ja sarjat

Sarjoja ja analyyttisiä funktioita

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

Sarjat ja differentiaaliyhtälöt, harjoitustehtäviä

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

Alkulukujen harmoninen sarja

Sarjat ja integraalit

πx) luvuille n N. Valitaan lisäksi x = m,

Vastaus: 10. Kertausharjoituksia. 1. Lukujonot lim = lim n + = = n n. Vastaus: suppenee raja-arvona Vastaus:

1 Rajoittamaton optimointi

Juuri 6 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

0 kun x < 0, 1/3 kun 0 x < 1/4, 7/11 kun 1/4 x < 6/7, 1 kun x 1, 1 kun x 6/7,

Talousmatematiikan perusteet: Luento 7. Derivointisääntöjä Yhdistetyn funktion, tulon ja osamäärän derivointi Suhteellinen muutosnopeus ja jousto

= 0 y oleva yhtälö. Vastaavasti yhtälö. x, u

Lukujonot Z-muunnos Z-muunnoksen ominaisuuksia Z-käänteismuunnos Differenssiyhtälöt. Z-muunnos. 5. joulukuuta Z-muunnos

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

BM20A0300, Matematiikka KoTiB1

H5 Malliratkaisut - Tehtävä 1

7 Funktiosarjoista. 7.1 Funktiosarjojen suppeneminen

Lukujonot Z-muunnos Z-muunnoksen ominaisuuksia Z-käänteismuunnos Differenssiyhtälöt. Z-muunnos. 1. joulukuuta Z-muunnos

MS-A010X Di erentiaali- ja integraalilaskenta 1

Matematiikan tukikurssi

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

Pisteessä (1,2,0) osittaisderivaatoilla on arvot 4,1 ja 1. Täten f(1, 2, 0) = 4i + j + k. b) Mihin suuntaan pallo lähtee vierimään kohdasta

MS-A010X Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

Positiivitermisten sarjojen suppeneminen

Matematiikan tukikurssi

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Transkriptio:

Taylorin sarja ja

1 Potenssisarja c k (x a) k = f (x) määrittelee x:n funktion. Seuraavaksi toteamme mikä yhteys potenssisarjalla on sen määrittelemän funktion derivaattoihin f (a),f (a),f (a),f (3) (a),... Potenssisarjan suppenemisvälin x a < R sisäpisteissä funktio f (x) voidaan derivoida derivoimalla sarjaa. Tämä ei ole ihan itsestään selvä asia. Oikeastaan pitäisi ensin osoittaa, että d dx ( n lim n k=0 c k (x a) k ) = lim n n k=0 ( ) d dx c k(x a) k

2 d ( ) lim dx S n(x) = lim S n n n(x) Sivuutamme nyt tämän perustelun ja hyväksymme annettuna asiana, että potenssisarjan määrittelemä funktio voidaan suppenemisvälillä x a < R derivoida sarjasta ja näin saatu derivaattafunktion potenssisaja suppenee samalla välillä x a < R. Tarkastellaan seuraavaa potenssisarjaa, kun x on suppenemisvälin sisäpiste f (x) = c 0 + c 1 (x a) + c 2 (x a) 2 + c 3 (x a) 3 +... Voimme nyt helposti derivoida tämän lausekkeen niin monta kertaa kuin haluamme:

3 f (x) = c 0 + c 1 (x a) + c 2 (x a) 2 + c 3 (x a) 3 +... f (x) = c 1 + 2c 2 (x a) + 3c 3 (x a) 2 + 4c 4 (x a) 3 +... f (x) = 2c 2 + 3 2c 3 (x a) + 4 3c 4 (x a) 2 + 5 4c 5 (x a) 3 +... f (3) (x) = 3 2c 3 + 4 3 2c 4 (x a) + 5 4 3c 5 (x a) 2 +... f (4) (x) = 4 3 2c 4 + 5 4 3 2c 5 (x a) + 6 5 4 3c 6 (x a) 2 +...... Ylläolevat ovat totta erityisesti, kun x = a eli f (a) = c 0 = 0! c 0 f (a) = c 1 = 1! c 1 f (a) = 2 c 2 = 2! c 2 f (3) (a) = 3 2 c 3 = 3! c 3 f (4) (a) = 4 3 2 c 4 = 4! c 4...

4 Saamme siis c k = f (k) (a) k! (1) f (x) = c 0 + c 1 (x a) + c 2 (x a) 2 + c 3 (x a) 3 +... = k=0 f (k) (a) (x a) k, kun x a < R (2) k! Sarjaa (2) sanotaan Taylorin sarjaksi ja jos a = 0, niin sarjaa sanotaan MacLaurinin sarjaksi. Eräiden tuttujen funktioiden Taylorin sarja -esitykset löytyvät taulukkokirjoista.

5 Esimerkki 1 (f (x) = e x, a = 0, eli MacLaurin ) f (x) = e x f (0) = 1 f (x) = e x f (0) = 1 f (x) = e x f (0) = 1.. c k = f (k) (0) k! = 1 k! e x = c 0 + c 1 (x 0) + c 2 (x 0) 2 + c 3 (x 0) 3 = 1 + x + 1 2! x2 + 1 3! x3 + 1 4! x4 + = 1 k=0 k! xk

6 Esimerkki 2 (f (x) = ln(1 + x), a = 0, eli MacLaurin ) f (x) = ln(1 + x) f (0) = 0 f (x) = 1 1 + x f (0) = 1 f (x) = 1 (1 + x) 2 f (0) = 1 f (x) = 1 2 (1 + x) 3 f (0) = 2! f (4) (x) = 1 2 3 (1 + x) 4 f (4) (0) = 3!... ln(1 + x) = f (x) = x 1 2! x2 + 2! 3! x3 3! 4! x4 +... = x 1 2 x2 + 1 3 x3 1 4 x4 + = k=1 ( 1) k+1 1 k xk

7 Esimerkki 3 (f (x) = ln(1 + x), a = 2, eli Taylor ) f (x) = ln(1 + x) f (2) = ln3 f (x) = 1 1 + x f (2) = 1 3 f (x) = 1 (1 + x) 2 f (2) = 1 3 2 f (x) = 1 2 (1 + x) 3 f (2) = 2! 3 3 f (4) (x) = 1 2 3 (1 + x) 4 f (4) (0) = 3! 3 4 f (x) = ln3 + 1 1 (x 2) 3 = ln3 + k=1 2!3 2 (x 2)2 + 2! 3!3 3 (x 2)3 3! 4!3 4 (x 2)4 +... ( 1) k+1 k 3 k (x 2) k

8 Esimerkki 4 (f (x) = 1 + x, a = 0, eli MacLaurin ) f (x) = 1 + x = (1 + x) 1/2 f (0) = 1 f (x) = 1 2 (1 + x) 1/2 f (0) = 1 2 f (x) = 1 2 2 (1 + x) 3/2 f (0) = 1 2 2 f (x) = 1 3 2 3 (1 + x) 5/2 f (0) = 1 3 2 3 f (4) (x) = 1 3 5 2 4 (1 + x) 7/2 f (4) (0) = 1 3 5 2 4... f (x) = 1 + 1 2 x 1 4 x2 + 3 8 x3 15 16 x4 + = 1 + k=1 ( 1) k+1 (2k 2)! 2 2k 1 (k 1)!k! xk

9 Jos Taylorin sarjasta otetaan vain n + 1 termiä, niin saamme P n (x) = n k=0 f (k) (a) (x a) k. k! Esimerkki 5: Jos ln(1+x) = ln3+ 1 1 (x 2) 3 2 3 2 (x 2)2 + 1 3 3 3 (x 2)3 1 4 3 4 (x 2)4 +... niin vastaava toisen kertaluvun on P 2 (x) = ln3 + 1 3 (x 2) 1 (x 2)2 18

10 Esimerkki 6: Piirretään funktion f (x) = ln(1 + x) ja sen toisen kertaluvun P 2 (x) kuvaajat (kehityskeskus a = 2) y 2 y = ln(1 + x) 1 0 0 1 2 3 4 x y = P 2 (x)

Jäännöstermi 11 Voidaan osoittaa (Todistus sivuutetaan tässä), että Jos sarja f (x) = c 0 + c 1 (x a) + c 2 (x a) 2 + c 3 (x a) 3 +... suppenee, kun x a < R ja vastaava n:nnen kertaluvun on P n (x) = c 0 + c 1 (x a) + c 2 (x a) 2 + + c n (x a) n, niin: jos x a < R, niin f (x) = P n (x) + R n (x), missä R n (x) = f (n+1) (z) (n + 1)! (x a)n+1,ja z on jokin lukujen a ja x välillä oleva luku.

Jäännöstermi 12 Esimerkki 7: Arvioidaan virhettä esimerkin 6 tapauksessa. Kun arvioimme, että f (3) P 2 (3) = ln3 + 1 3 (3 2) 1 18 (3 2)2 = 1.376390066 niin todellisuudessa f (3) = P 2 (3) + R 2 (3), missä R 2 (x) = f (z) (x 2) 3 3! Koska f (x) = 2 (1+x) 3 ja 2 z 3, niin 2 3! 4 3 R 2 (x) 2 3! 3 3. Siis 1.381598 f (3) 1.388736 (eli f (3) = 1.385 ± 0.004)