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

Samankaltaiset tiedostot
H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

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

Matemaattinen Analyysi

Taylorin sarja ja Taylorin polynomi

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

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

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Matematiikan tukikurssi

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

Kompleksianalyysi, viikko 5

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

Mapusta. Viikon aiheet

2 Taylor-polynomit ja -sarjat

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

Matemaattinen Analyysi

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

Äärettämän sarjan (tai vain sarjan) sanotaan suppenevan eli konvergoivan, jos raja-arvo lims

Matemaattinen Analyysi

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

Matematiikan tukikurssi

Muuttujan vaihto. Viikon aiheet. Muuttujan vaihto. Muuttujan vaihto. ) pitää muistaa lausua t:n avulla. Integroimisen työkalut: Kun integraali

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

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

Vektoreiden A = (A1, A 2, A 3 ) ja B = (B1, B 2, B 3 ) pistetulo on. Edellisestä seuraa

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

Kompleksiset sarjat ja potenssisarjat

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

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

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

Kompleksitermiset jonot ja sarjat

Matematiikan tukikurssi

Osa 5. lukujonot ja sarjat.

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

Diskreetti derivaatta

Kompleksiluvun logaritmi: Jos nyt z = re iθ = re iθ e in2π, missä n Z, niin saadaan. ja siihen vaikuttava

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

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

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

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

(b) = x cos x 1 ( cos x)dx. = x cos x + cos xdx. = sin x x cos x + C, C R.

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 3. viikolle /

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

Matematiikan tukikurssi

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Analyysi I (sivuaineopiskelijoille)

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

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

4. Funktion arvioimisesta eli approksimoimisesta

Matemaattinen Analyysi

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 6. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 6 () Numeeriset menetelmät / 33

Sarjat ja differentiaaliyhtälöt, harjoitustehtäviä

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

läheisyydessä. Piirrä funktio f ja nämä approksimaatiot samaan kuvaan. Näyttääkö järkeenkäyvältä?

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 11. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 11 () Numeeriset menetelmät / 37

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

Luento 2: Liikkeen kuvausta

1. Viikko. K. Tuominen MApu II 1/17 17

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

3.3 Funktion raja-arvo

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

Funktion raja-arvo. lukumäärien tutkiminen. tutkiminen

Derivaatta: funktion approksimaatio lineaarikuvauksella.

2. Viikko. CDH: luvut (s ). Matematiikka on fysiikan kieli ja differentiaaliyhtälöt sen yleisin murre.

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

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

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY exp z., k = 1, 2,... Eksponenttifunktion z exp(z) Laurent-sarjan avulla

jakokulmassa x 4 x 8 x 3x

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

BM20A5810 Differentiaalilaskenta ja sovellukset Harjoitus 5, Syksy 2016

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Esimerkki: Tarkastellaan korkeudella h ht () putoavaa kappaletta, jonka massa on m (ks. kuva).

sin(x2 + y 2 ) x 2 + y 2

k=0 saanto jokaisen kolmannen asteen polynomin. Tukipisteet on talloin valittu

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

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

Juuri 12 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

Matematiikan approbatur 2B

MS-A0103 / Syksy 2015 Harjoitus 2 / viikko 38 / Ennakot

Juuri 12 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

Matematiikan tukikurssi

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Transkriptio:

infoa Viikon aiheet Tentti ensi viikolla ma 23.0. klo 9.00-3.00 Huomaa, alkaa tasalta! D0 (Sukunimet A-) E204 (Sukunimet S-Ö) Mukaan kynä ja kumi. Ei muuta materiaalia. Tentissä kaavakokoelma valmiina. Tällä viikolla sähköinen harjoitustentti moodlessa jolla voi harjoitella. Aihealue: Kaikki tavalliset laskaritehtävät, ei syventäviä osia. Potenssisarja Suppenemissäde Taylorin sarja, Maclaurinin sarja Taylorin sarjojen derivointi ja integrointi Funktion approksimointi Taylorin polynomilla Jäännöstermi approksimoinnissa CDH: Luku 8, Prujut206: Luvut 3.2-3.3, Prujut2008: s. 75-88 Potenssisarja Suppenemissäde 2 Potenssisarjan S = a n = c n (x x 0 ) n termeissä esiintyy x:n yhä korkeampia potensseja. Sarjan suppenemista voi tutkia suhdetestillä, jonka mukaan suppeneminen edellyttää lim a n+ n a n < Suhdetestin perusteella lim c n+ (x x 0 ) n+ c n (x x 0 ) n < n = x x 0 < lim n c n c n+ Suppenemissäde kertoo kuinka laajalla välillä x 0 :n ympäristössä sarja suppenee. 3 4

Taylorin sarja Taylorin sarja Edellisellä viikolla havaittiin, että geometrisen sarjan tapauksessa q n = q < q Kääntäen tämä tarkoittaa, että funktio f (x) = x = x n x < on esitettävissä äärettömänä sarjana. Kysymys: onko jokin muukin funktio esitettävissä sarjana? Oletetaan, että funktio f (x) on esitettävissä äärettömänä potenssisarjana ainakin jollain välillä x 0 :n ympäristössä: f (x) = c n (x x 0 ) n = c 0 + c (x x 0 ) + c 2 (x x 0 ) 2 +... Kysymys: Kuinka löydetään kertoimet c n? Asettamalla x = x 0 saadaan f (x 0 ) = c 0 sillä kaikki termit, jossa esiintyy (x x 0 ) n kuolevat. Taylorin sarja 5 Taylorin sarja 6 Derivoimalla yhtälön molemmat puolet saadaan f (x) = c n n(x x 0 ) n n= = c + 2c 2 (x x 0 ) + 3c 3 (x x 0 ) 2 +... Asettamalla yo. x = x 0 saadaan Derivoimalla yhtälön molemmat puolet toiseen kertaan päästään käsiksi seuraavaan kertoimeen: f (x) = c n n(n )(x x 0 ) n 2 n=2 = 2c 2 + 3 2c 3 (x x 0 ) + 4 3c 4 (x x 0 ) 2 +... Asettamalla taas x = x 0 saadaan f (x 0 ) = c 2 f (x 0 ) = c 2 7 8

Taylorin sarja Taylorin sarjan integrointi ja derivointi Yleisesti kerroin c n saadaan määritettyä laskemalla f (x):n n:nnes derivaatta pisteessä x 0 : Suppenemissäteen sisällä Taylorin sarjaa voi derivoida ja integroida termeittäin, esim. c n = n! f (n) (x 0 ) Tämän perusteella funktio f (x) on pisteen x 0 ympäristössä on suppenemissäteen sisällä esitettävänä potenssisarjana f (x) = f (n) (x 0 ) (x x 0 ) n x x 0 < n! Sarjaa kutsutaan funktion Taylorin sarjaksi kehityspisteessä x 0. Jos kehityspiste on origo kutsutaan sarjaa Maclaurinin sarjaksi. d dx f (x) = d dx c n (x x 0 ) n = c n n(x x 0 ) n Tätä voi käyttää esim. f (x):n Taylorin sarjan johtamiseen jos f (x):n sarjakehitelmä tunnetaan. Samaa ideaa voi soveltaa integroitaessa. Derivoitaessa ja integroitaessa Taylorin sarjaa sen suppenemissäde säilyy. (Kokeile osoittaa suoraan laskemalla!) Taylorin polynomi 9 Funktion approksimointi 0 Funktion katkaistua Taylorin sarjaa kutsutaan Taylorin polynomiksi: f (x) = = c n (x x 0 ) n N c n (x x 0 ) n + n=n+ = T N (x) + N (x) c n (x x 0 ) n Suppenemissäteen sisällä Taylorin sarja suppenee, joten ilmeisesti lim N N(x) = 0 Jäännöstermi on sitä pienempi, mitä korkeampi on Taylorin polynomin kertaluku N. Tämä mahdollistaa funktion approksimoinnin f (x) = T N (x) + N (x) T N (x) T N on N:nnen asteen Taylorin polynomi ja N on jäännöstermi. Approksimaatio on sitä tarkempi, mitä lähempämä ollaan kehityspistettä x 0 ja paranee N:n kasvaessa. 2

Funktion approksimointi 2ln(2 +x) T 3 (x) 4 2 Jäännöstermi Jäännöstermille voidaan johtaa useita eri lausekkeita, joista käyttökelpoisin lienee Lagrangen muoto: N (x) = f (n) (c) (n + )! (x x 0) n+ c [x 0, x] 3 2 0 2 3 2 Tämän avulla voidaan arvioida kuinka suuri virhe tehdään, kun funktiota approksimoidaan Taylorin polynomilla: N f (n) (c) (n + )! (x x 0) n+ 4 Suppenemissäde = 2, siis x < 2. Jäännöstermi 3 Jäännöstermi 4 Olkoon nyt f (x) = + x. Tälle f (x) = 2 ( + x) 2 f (x) = 4 ( + x) 3 2 joten funktio voidaan esittää. asteen Taylorin polynomin avulla: + x = + 2 x + (x) + 2 x Tässä approksimaatiossa tehdään virhe, joka suurimmillaan on (x) 4 ( + c) 3/2 x2 2 x 2 8 Esim. pisteessä x = 0, 2 approksimaatio antaa + x + x 2 =, Arvio virheestä 0, 22 = 0, 005 8 Tarkka tulos olisi ollut + 0, 2 =.0954... 5 6

Binomin Taylorin sarja e x, sin x, cos x, ln( + x), /( x) funktioiden ohella tärkeä (=törmäät tähän usein) on funktion f (x) = ( + x) s Taylorin sarja origon ympäristössä. Laskemalla tämän derivaattoja saadaan f (x) = ( + x) s f (0) = f (x) = s( + x) s f (0) = s f (x) = s(s )( + x) s 2 f (0) = s(s ) f (n) (x) = s(s )... (s n + )( + x) s n f (n) (0) = s(s )... (s n + ) Binomin Taylorin sarja n:nnen derivaatan kerroin voidaan kirjoittaa muotoon f (n) (0) = s! (s n)! Kun s on kokonaisluku on ensimmäiset s derivaattaa olemassa, loput ovat nollia. Ylläoleva pätee myös silloin, kun s ei ole kokonaisluku kunhan kertoma määritellään esim laskareissa esiintyvän gamma-funktiona Γ(n):n avulla. Näin olen binomin Taylorin sarja x = 0 ympäristössä on ( + x) s = = s! (s n)!n! xn ( ) s x n x < n Binomin Taylorin sarja approksimointi 7 Taylorin sarjat fysiikassa, esim. Newtonin gravitaatiolain mukaan kahden pallosymmetrisen kappaleen välinen gravitaatiopotentiaalienergia on 8 Erittäin usein sarjaa käytetään approksimointiin pienillä x:n arvoilla: + x = + x 2 +... ( + x) 3/2 = 3 2 x +... U(r) = GMm r missä M ja m ovat kappaleiden massat ja r keskipisteiden välinen etäisyys. Maan pinnalla, säteen etäisyydellä keskipisteestä tämä on ( x) = + x +... Tutkimatta tarkemmin jäännöstermiä voidaan todeta, että approksimaatio on hyvä, kun :seen lisättävä termi on. Korkeudella h pinnasta U() = GMm U( + h) = GMm + h = GMm + h = GMm ( h ) + 9 20

Taylorin sarjat fysiikassa, esim. Jos korkeus h voidaan viimeinen termi kehittää Taylorin sarjaksi ja approksimoida potentiaalienergiaa sen Taylorin polynomilla. Käyttämällä binomisarjaa (tai geometrista sarjaa) saadaan U( + h) = GMm ( h ) +... = GMm U 0 + mgh + (GM 2 )mh... missä sulkutermi tunnistetaan putoamiskiihtvyydeksi g pinnalla ja U 0 on jokin vakio. Potentiaalienergia siis kasvaa pinnan lähettyvillä lineaarisesti korkeuden funktiona. Koska dynamiikan kannalta vain potentiaalienergian muutoksilla on väliä valitaan tässä approksimaatiossa usein U 0 = 0. Taylorin sarjat fysiikassa, esim. 3 Matemaattisen heilurin liikeyhtälöksi saadaan d 2 ϕ dt 2 = ω2 sin ϕ Tällä ei ole alkeisfunktioin lausuttavaa ratkaisua ϕ(t). (atkaisu toki on!) Sen sijaan, jos tarkastellaan heiluria, jonka poikkeamat tasapainoasemasta ovat pieniä ϕ, voidaan sinifunktio approksimoida. asteen Taylorin polynomilla sin x = x x3 +... x, x 3! ja liikeyhtälö tulee muotoon d 2 ϕ dt 2 = ω2 ϕ joka Mapu II:sen työkaluilla on suoraviivaisesti ratkaistavissa. (ja VuKalla sen ratkaisu oli jo esillä) 2 23 Taylorin sarjat fysiikassa, esim. 2 Suhteellisuusteoriassa hiukkasen kokonaisenergia on E = mc2 v2 c 2 = E 0 + K missä v on hiukkasen vauhti. Laskareissa tarkastelette tämän Taylorin sarjaa ja johdatte millainen termi pienillä vauhdin arvoilla (v c) kineettinen energia K = K(v) on. Taylorin sarjat oikopolkuja Taylorin sarjaa laskiessa voi käyttää hyväkseen aiempia tuloksia. Esim. geometrisen sarjan tapauksessa y(x) = y n y(x) < y(x) = + y(x) + (y(x))2 + (y(x)) 3 +... Suppenemissäde x:n funktiona saattaa olla eri kuin y:n funktiona. Tämä on tutkittava erikseen... 22 24

Taylorin sarjat oikopolkuja Esim y(x) = x + x 2. Tällöin huomaa, että approksimoinnissa on kerättävä mukaan x:n potenssit kaikista termeistä! (x + x 2 ) = + (x + x2 ) + (x + x 2 ) 2 + (x + x 2 ) 3 +... = + x + x 2 + [ x 2 + 2x 3 + x 4] + [ x 3 +... ] +... = + x + 2x 2 + 3x 3 + O(x 4 ) Tässä tapauksessa ei olisi riittänyt approksimoida (x + x 2 ) + (x + x2 ) +... sillä osa x 2 termeistä tulisi vielä seuraavista geometrisen sarjan termeistä mukaan. 25