幂级数是由幂函数序列{an(x−x0)n}所产生的函数项级数
通过坐标平移,我们着重讨论x0=0的情况,即
n=0∑∞anxn=a0+a1x+⋯+anxn+⋯
幂级数的收敛区间
Abel 定理
- 若幂级数在x=xˉ=0处收敛,则对满足不等式∣x∣<∣xˉ∣的任何x,该幂级数收敛且绝对收敛
- 若幂级数在x=xˉ处发散,则对满足不等式∣x∣>∣xˉ∣的任何x,该幂级数发散
由此定理可知,幂级数的收敛域是以原点为中心的区间. 若以2R表示这个区间的长度,则称R为幂级数的收敛半径 ,也就是使得幂级数收敛的那些收敛点绝对值的上确界, 我们称这个区间(−R,R)为该级数的收敛区间
当0<R<∞时,幂级数在(−R,R)上收敛,在(−∞,−R)∪(R,+∞)上发散,在R,−R上既有可能收敛也有可能发散
收敛区间的计算
设
ρ=n→∞limn∣an∣(∗)
则
R=⎩⎨⎧ρ1,+∞,0,0<ρ<+∞ρ=0ρ=+∞
又在正项级数中的根式判别法比比式判别法更强,也有
n→∞limanan+1=ρ⟹n→∞limn∣an∣=ρ
故也可通过计算比式的极限来计算收敛半径
计算收敛区间时,要注意考虑x=±R时的特殊状况
幂级数的性质
一致收敛性
幂级数在其收敛域内的任何闭自区间上都一致收敛
若幂级数在x=R(x=−R)时收敛,则其在[0,R]([−R,0])上一致收敛
和函数的连续性
幂级数的和函数是(−R,R)上的连续函数
若幂级数在收敛区间的左(右)端点上收敛,则其和函数也在这一端上左(右)连续
逐项求导、求积
一个幂级数逐项求导、求积后得到的新幂级数的收敛区间和原幂级数相同
因此设幂级数在(−R,R)上的和函数f, 对∀x∈(−R,R)
f′(x)=n=0∑∞nanxn−1
∫0xf(t)dt=n=0∑∞n+1anxn+1
上述推论可以推广到任意高阶导数,且我们可以通过f的高阶导数(只需要在x=0的某邻域内有定义)反推出幂级数的各项系数
a0=f(0),an=n!f(n)(0)(n=1,2,⋯)
幂级数的运算
幂级数相等
- 若两个幂级数在x=0的某个邻域内有相同的和函数,则称这两个幂级数在该邻域内相等
- 若两个幂级数在x=0的某个邻域内相等,则它们同次幂项的系数相等
幂级数运算
λn=0∑∞anxnn=0∑∞anxn±n=0∑∞bnxn(n=0∑∞anxn)(n=0∑∞bnxn)=n=0∑∞λanxn=n=0∑∞(an±bn)xn=n=0∑∞cnxn,cn=k=0∑nakbn−k
上述等式在涉及幂级数的收敛区间中的最小的那个区间内成立
和函数的计算
- 首先计算幂级数的收敛区间
- 如n=0∑∞n+1(−1)nxn采用逐项积分
- 如n=1∑∞(−1)n−1n2xn恰当地把x提出和号、多次逐项积分 (具体规律参考有限微积分中的下降阶乘幂)
- 如n=1∑∞2nn可以构造某个幂级数最后令x=1得到
- (总是想办法把上面的幂级数化成基本几何级数的形式)
函数的幂级数展开
Taylor 级数
如果函数f在x0处存在任意阶的导数,则称级数
f(x0)+f′(x0)(x−x0)+⋯+n!f(n)(x0)(x−x0)n+⋯
为f在x0处的Taylor级数, 但是这个级数在x0附近的和函数不一定就是f, 如以下典型反例
f(x)={e−1/x2,0,x=0x=0
它在0处的任意阶导数都是0, 所以它的Taylor级数的核函数在0附近应恒为0, 故f(x)=S(x)
判定标准
设函数f在x0处具有任意阶导数,那么f在区间(x0−r,x0+r)上等于它的Taylor级数的和函数的充要条件是:对一切满足不等式∣x−x0∣<r的x, 有
n→∞limRn(x)=0
这里Rn(x)是f在x0处的Taylor余项,注意这三种余项形式
Rn(x)=n!1∫0xf(n+1)(t)(x−t)ndt
Rn(x)=(n+1)!1f(n+1)(ξ)xn+1,0<ξ<x
Rn(x)=n!1f(n+1)(θx)(1−θ)nxn+1,0<θ<1
初等函数的幂级数展开式
多项式函数
k次多项式函数的幂级数展开式就是它本身
f(x)=ex
由于
n→∞limRn(x)=n→∞lim(n+1)!eθxxn+1=0,∀x∈R
故
ex=k=0∑∞k!xk,∀x∈R
f(x)=sinx,f(x)=cosx
也在∀x∈R上都存在
f(x)=ln(1+x)
f(x)=ln(1+x)f(n)(x)=(−1)n−1(1+x)n(n−1)!
故有Taylor级数
x−2x2+3x3−4x4+⋯+(−1)n−1nxn+⋯
利用比值判别法得到该级数的收敛半径为1, 收敛区间为(−1,1]
\absRn=(n+1)!1(−1)n(1+ξ)n+1n!xn+1=n+1(−1)n(1+ξx)n+1≤n+11→0
∣Rn∣=n!1(−1)n(1+θx)n+1n!(1−θ)nxn+1=1+θx1(1+θx1−θ)n∣x∣n+1
−1<x<0⟹1−θ≤1+θx⟹0≤1+θx1−θ≤1
∣Rn(x)∣≤1−∣x∣∣x∣n+1→0
故在(−1,1]上成立
f(x)=(1+x)α
1+αx+2!α(α−1)x2+⋯+n!α(α−1)⋯(α−n+1)+⋯
其收敛区间
- (−1,1),α≤−1
- (−1,1],−1<α<0
- [−1,1]α>0
两个特殊情况
1+x21=1−x2+x4+⋯+(−1)nx2n+⋯,x∈(−1,1)
1+x21=1+21x2+2⋅41⋅3x4+2⋅4⋅61⋅3⋅5x6+⋯,x∈(−1,1)
通过积分即可得到arctanx,arcsinx的幂级数展开式