|
Представление некоторых элементарных функций по формуле Тейлора.
Применение формулы Тейлора для разложения функций в степенной ряд широко используется и имеет огромное значение при проведении различных математических расчетов. Непосредственное вычисление интегралов некоторых функций может быть сопряжено со значительными трудностями, а замена функции степенным рядом позволяет значительно упростить задачу. Нахождение значений тригонометрических, обратных тригонометрических, логарифмических функций также может быть сведено к нахождению значений соответствующих многочленов.
Если при разложении в ряд взять достаточное количество слагаемых, то значение функции может быть найдено с любой наперед заданной точностью. Практически можно сказать, что для нахождения значения любой функции с разумной степенью точности (предполагается, что точность, превышающая 10 – 20 знаков после десятичной точки, необходима очень редко) достаточно 4-10 членов разложения в ряд.
Примеры решения задач Теорема Ролля Теоремы о среднем
Применение принципа разложения в ряд позволяет производить вычисления на ЭВМ в режиме реального времени, что немаловажно при решении конкретных технических задач.
Функция f(x) = ex.
Находим: f(x) = ex, f(0) = 1
f¢(x) = ex, f¢(0) = 1
……………………
f(n)(x) = ex, f(n)(0) = 1
Криволинейный интеграл первого рода Примеры решения и офомления задач контрольной работы по высшей математике
Тогда: 
Пример: Найдем значение числа е.
В полученной выше формуле положим х = 1.
Для 8 членов разложения: e = 2,71827876984127003
Для 10 членов разложения: e = 2,71828180114638451
Для 100 членов разложения: e = 2,71828182845904553
На графике показаны значения числа е с точностью в зависимости от числа членов разложения в ряд Тейлора.
Как видно, для достижения точности, достаточной для решения большинства практических задач, можно ограничиться 6-7 – ю членами ряда.
Функция f(x) = sinx.
Получаем f(x) = sinx; f(0) = 0
f¢(x) = cosx = sin( x + p/2); f¢(0) = 1;
f¢¢(x) = -sinx = sin(x + 2p/2); f¢¢(0) = 0;
f¢¢¢(x) = -cosx = sin(x + 3p/2); f¢¢¢(0)=-1;
…………………………………………
f(n)(x) = sin(x + pn/2); f(n)(0) = sin(pn/2);
f(n+1)(x) = sin(x + (n + 1)p/2); f(n+1)(e) = sin(e + (n + 1)p/2);
Итого:
Функция f(x) = cosx.
Для функции cosx, применив аналогичные преобразования, получим:
Функция f(x) = (1 + x)a.
[an error occurred while processing this directive]
(a - действительное число)
…………………………………………………..
Тогда:
Если в полученной формуле принять a = n, где n- натуральное число и f(n+1)(x)=0, то Rn+1 = 0, тогда
Получилась формула, известная как бином Ньютона.
Пример: Применить полученную формулу для нахождения синуса любого угла с любой степенью точности.
На приведенных ниже графиках представлено сравнение точного значения функции и значения разложения в ряд Тейлора при различном количестве членов разложения.
Рис. 1. Два члена разложения
Рис. 4. Десять членов разложения
Чтобы получить наиболее точное значение функции при наименьшем количестве членов разложения надо в формуле Тейлора в качестве параметра а выбрать такое число, которое достаточно близко к значению х, и значение функции от этого числа легко вычисляется.
Для примера вычислим значение sin200.
Предварительно переведем угол 200 в радианы: 200 = p/9.
Применим разложение в ряд Тейлора, ограничившись тремя первыми членами разложения:
В четырехзначных таблицах Брадиса для синуса этого угла указано значение 0,3420.
На графике показано изменение значений разложения в ряд Тейлора в зависимости от количества членов разложения. Как видно, если ограничиться тремя членами разложения, то достигается точность до 0,0002.
Выше говорилось, что при х®0 функция sinx является бесконечно малой и может при вычислении быть заменена на эквивалентную ей бесконечно малую функцию х. Теперь видно, что при х, близких к нулю, можно практически без потери в точности ограничиться первым членом разложения, т.е. sinx @ x.
Пример: Вычислить sin28013¢15¢¢.
[an error occurred while processing this directive]
Для того, чтобы представить заданный угол в радианах, воспользуемся соотношениями:
10
= 
;
280
;
1¢
; 
;
; 
;
рад
Если
при разложении по формуле Тейлора ограничиться тремя первыми членами, получим:
sinx = 
.
Сравнивая полученный результат с точным значением синуса этого угла,
sin
= 0,472869017612759812,
видим, что даже при ограничении всего тремя членами разложения, точность составила 0,000002, что более чем достаточно для большинства практических технических задач.
Функция f(x) = ln(1 + x).
Получаем: f(x) = ln(1 + x); f(0) = 0;
f¢(x) = 
; 
………………………………………
Итого:
Полученная формула позволяет находить значения любых логарифмов (не только натуральных) с любой степенью точности. Ниже представлен пример вычисления натурального логарифма ln1,5. Сначала получено точное значение, затем – расчет по полученной выше формуле, ограничившись пятью членами разложения. Точность достигает 0,0003.
ln1,5 = 0,405465108108164381
Разложение различных функций по формулам Тейлора и Маклорена приводится в специальных таблицах, однако, формула Тейлора настолько удобна, что для подавляющего большинства функций разложение может быть легко найдено непосредственно.
Ниже будут рассмотрены различные применения формулы Тейлора не только к приближенным представлениям функций, но и к решению дифференциальных уравнений и к вычислению интегралов.
|