Главная » Просмотр файлов » 1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84

1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84 (824701), страница 48

Файл №824701 1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84 (Зорич 2-е издание (на английском)) 48 страница1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84 (824701) страница 482021-01-17СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 48)

Sincesin x = x −(−1)n 2n+11 3 1 5+ 0 · x 2n+2 + r2n+2 (0; x),x + x − ··· +x3!5!(2n + 1)!where by Lagrange’s formular2n+2 (0; x) =sin(ξ + π2 (2n + 3)) 2n+3,x(2n + 3)!we have, for |x| ≤ 1,|r2n+2 (0; x)| ≤1,(2n + 3)!1but (2n+3)!< 10−3 for n ≥ 2. Thus the approximation sin x ≈ x −required precision on the closed interval |x| ≤ 1.13!+1 55! xhas theExample 12 We shall show that tan x = x + 13 x 3 + o(x 3 ) as x → 0. We havetan x = cos−2 x,tan x = 2 cos−3 x sin x,tan x = 6 cos−4 x sin2 x + 2 cos−2 x.Thus, tan 0 = 0, tan 0 = 1, tan 0 = 0, tan 0 = 2, and the relation now followsfrom the local Taylor formula.1Example 13 Let α > 0. Let us study the convergence of the series ∞n=1 ln cos nα .1For α > 0 we have nα → 0 as n → ∞.

Let us estimate the order of a term of theseries:1 111111= − · 2α + o 2α .ln cos α = ln 1 − · 2α + o 2αn2! n2 nnnThus we have a series of terms of constant sign whose terms are equivalent to1−1those of the series ∞n=1 2n2α . Since this last series converges only for α > 2 , whenα > 0 the original series converges only for α > 12 (see Problem 15b) below).1 41 6Example 14 Let us show that ln cos x = − 12 x 2 − 12x − 45x + O(x 8 ) as x → 0.This time, instead of computing six successive derivatives, we shall use thealready-known expansions of cos x as x → 0 and ln(1 + u) as u → 0:2285Differential Calculus 111ln cos x = ln 1 − x 2 + x 4 − x 6 + O x 8 = ln(1 + u) =2!4!6! 11= u − u2 + u3 + O u4 =23 81 2 1 4 1 6= − x + x − x +O x−2!4!6! 8 81 41 611 61x−+=x−2·+Oxx+Ox−2 (2!)22!4!3(2!)3 111= − x2 − x4 − x6 + O x8 .21245Example 15 Let us find the values of the first six derivatives of the function ln cos xat x = 0.sin xWe have (ln cos) x = −cosx , and it is therefore clear that the function has derivatives of all orders at 0, since cos 0 = 0.

We shall not try to find functional expressionsfor these derivatives, but rather we shall make use of the uniqueness of the Taylorpolynomial and the result of the preceding example.If f (x) = c0 + c1 x + · · · + cn x n + o x n as x → 0,thenck =f (k) (0)k!and f (k) (0) = k!ck .Thus, in the present case we obtain(ln cos)(0) = 0,(ln cos)(3) (0) = 0,(ln cos)(5) (0) = 0,(ln cos) (0) = 0,1(ln cos) (0) = − · 2!,21· 4!,121(ln cos)(6) (0) = − · 6!.45(ln cos)(4) (0) = −Example 16 Let f (x) be an infinitely differentiable function at the point x0 , andsuppose we know the expansionf (x) = c0 + c1 x + · · · + cn x n + O x n+1of its derivative in a neighborhood of zero.

Then, from the uniqueness of the Taylorexpansion we have (k)f(0) = k!ck ,5.3 The Basic Theorems of Differential Calculus229and so f (k+1) (0) = k!ck . Thus for the function f (x) itself we have the expansionf (x) = f (0) +c01!c1 2n!cnx+x + ··· +x n+1 + O x n+2 ,1!2!(n + 1)!or, after simplification,f (x) = f (0) +c0ccx + 1 x 2 + · · · + n x n+1 + O x n+2 .12n+1Example 17 Let us find the Taylor expansion of the function f (x) = arctan x at 0.12 −1 = 1 − x 2 + x 4 − · · · + (−1)n x 2n + O(x 2n+2 ),Since f (x) = 1+x2 = (1 + x )by the considerations explained in the preceding example,11(−1)n 2n+11x+ O x 2n+3 ,f (x) = f (0) + x − x 3 + x 5 − · · · +1352n + 1that is,1(−1)n 2n+11x+ O x 2n+3 .arctan x = x − x 3 + x 5 − · · · +352n + 1Example 18 Similarly, by expanding the function arcsin x = (1 − x 2 )−1/2 by Taylor’s formula in a neighborhood of zero, we find successively,(1 + u)−1/2 = 1 +− 1 (− 1 − 1) 2− 12u+ 2 2u + ··· +1!2!− 12 (− 12 − 1) · · · (− 12 − n + 1) nu + O un+1 ,n!11·3x4 + · · · +(1 − x)−1/2 = 1 + x 2 + 222 · 2!1 · 3 · · · (2n − 1) 2nx + O x 2n+2 ,+n2 · n!1·31 3x + 2x5 + · · · +arcsin x = x +2·32 · 2! · 5(2n − 1)!!+x 2n+1 + O x 2n+3 ,(2n)!!(2n + 1)+or, after elementary transformations,arcsin x = x +1 3 [3!!]2 5[(2n − 1)!!]2 2n+1x +x + ··· +x+ O x 2n+3 .3!5!(2n + 1)!Here (2n − 1)!! := 1 · 3 · · · (2n − 1) and (2n)!! := 2 · 4 · · · (2n).2305Differential CalculusExample 19 We use the results of Examples 5, 12, 17, and 18 and find[x − 13 x 3 + O(x 5 )] − [x −arctan x − sin x= limx→0 tan x − arcsin xx→0 [x + 1 x 3 + O(x 5 )] − [x +3lim= lim− 16 x 3 + O(x 5 )1 36xx→0+ O(x 5 )1 33! x1 33! x+ O(x 5 )]+ O(x 5 )]== −1.5.3.4 Problems and Exercises21.

Choose numbers a and b so that the function f (x) = cos x − 1+axis an in1+bx 2finitesimal of highest possible order as x → 0.x x) ].2. Find limx→∞ x[ 1e − ( x+13. Write a Taylor polynomial of ex at zero that makes it possible to compute thevalues of ex on the closed interval −1 ≤ x ≤ 2 within 10−3 .4. Let f be a function that is infinitely differentiable at 0. Show thata) if f is even, then its Taylor series at 0 contains only even powers of x;b) if f is odd, then its Taylor series at 0 contains only odd powers of x.5.

Show that if f ∈ C (∞) [−1, 1] and f (n) (0) = 0 for n = 0, 1, 2, . . . , and thereexists a number C such that sup−1≤x≤1 |f (n) (x)| ≤ n!C for n ∈ N, then f ≡ 0 on[−1, 1].6. Let f ∈ C (n) (]−1, 1[) and sup−1<x<1 |f (x)| ≤ 1. Let mk (I ) = infx∈I |f (k) (x)|,where I is an interval contained in ]−1, 1[. Show thata) if I is partitioned into three successive intervals I1 , I2 , and I3 and μ is thelength of I2 , thenmk (I ) ≤1mk−1 (I1 ) + mk−1 (I3 ) ;μb) if I has length λ, thenmk (I ) ≤2k(k+1)/2 k k;λkc) there exists a number αn depending only on n such that if |f (0)| ≥ αn , thenthe equation f (n) (x) = 0 has at least n − 1 distinct roots in ]−1, 1[.Hint: In part b) use part a) and mathematical induction; in c) use a) and prove byinduction that there exists a sequence xk1 < xk2 < · · · < xkk of points of the openinterval ]−1, 1[ such that f (k) (xki ) · f (k) (xki+1 ) < 0 for 1 ≤ i ≤ k − 1.7.

Show that if a function f is defined and differentiable on an open interval I and[a, b] ⊂ I , then5.3 The Basic Theorems of Differential Calculus231a) the function f (x) (even if it is not continuous!) assumes on [a, b] all thevalues between f (a) and f (b) (the theorem of Darboux);13b) if f (x) also exists in ]a, b[, then there is a point ξ ∈ ]a, b[ such that f (b) −f (a) = f (ξ )(b − a).8. A function f (x) may be differentiable on the entire real line, without having acontinuous derivative f (x) (see Example 7 in Sect. 5.1.5).a) Show that f (x) can have only discontinuities of second kind.b) Find the flaw in the following “proof” that f (x) is continuous.Proof Let x0 be an arbitrary point on R and f (x0 ) the derivative of f at the pointx0 .

By definition of the derivative and Lagrange’s theoremf (x0 ) = limx→x0f (x) − f (x0 )= lim f (ξ ) = lim f (ξ ),x→x0ξ →x0x − x0where ξ is a point between x0 and x and therefore tends to x0 as x → x0 .9. Let f be twice differentiable on an interval I . Let M0 = supx∈I |f (x)|, M1 =supx∈I |f (x)| and M2 = supx∈I |f (x)|. Show thata) if I = [−a, a], then M0 x 2 + a 2f (x) ≤+M2 ;a2a!√√M1 ≤ 2 M0 M2 , if the length of I is not less than 2 M0 /M2 ,√b)M1 ≤ 2M0 M2 , if I = R;√c) the numbers 2 and 2 in part b) cannot be replaced by smaller numbers;d) if f is differentiable p times on R and the quantities M0 and Mp =supx∈R |f (p) (x)| are finite, then the quantities Mk = supx∈R |f (k) (x)|, 1 ≤ k < p,are also finite and1−k/pMk ≤ 2k(p−k)/2 M0Mρk/p .Hint: Use Exercises 6b) and 9b) and mathematical induction.10.

Show that if a function f has derivatives up to order n + 1 inclusive at a point x0and f (n+1) (x0 ) = 0, then in the Lagrange form of the remainder in Taylor’s formularn (x0 ; x) =1 (n) fx0 + θ (x − x0 ) (x − x0 )n ,n!1where 0 < θ < 1 and the quantity θ = θ (x) tends to n+1as x → x0 .11. Let f be a function that is differentiable n times on an interval I . Prove thefollowing statements.13 G.Darboux (1842–1917) – French mathematician.2325Differential Calculusa) If f vanishes at (n + 1) points of I , there exists a point ξ ∈ I such thatf (n) (ξ ) = 0.b) If x1 , x2 , .

. . , xp are points of the interval I , there exists a unique polynomialL(x) (the Lagrange interpolation polynomial) of degree at most (n − 1) such thatf (xi ) = L(xi ), i = 1, . . . , n. In addition, for x ∈ I there exists a point ξ ∈ I suchthat(x − x1 ) · · · (x − xn ) (n)f (x) − L(x) =f (ξ ).n!c) If x1 < x2 < · · · < xp are points of I and ni , 1 ≤ i ≤ p, are natural numberssuch that n1 + n2 + · · · + np = n and f (k) (xi ) = 0 for 0 ≤ k ≤ ni − 1, then thereexists a point ξ in the closed interval [x1 , xp ] at which f (n−1) (ξ ) = 0.d) There exists a unique polynomial H (x) (the Hermite interpolating polynomial)14 of degree (n − 1) such that f (k) (xi ) = H (k) (xi ) for 0 ≤ k ≤ ni − 1. Moreover, inside the smallest interval containing the points x and xi , i = 1, .

. . , p, thereis a point ξ such thatf (x) = H (x) +(x − x1 )n1 · · · (x − xp )np (n)f (ξ ).n!This formula is called the Hermite interpolation formula. The points xi , i =1, . . . , p, are called interpolation nodes of multiplicity ni respectively. Special casesof the Hermite interpolation formula are the Lagrange interpolation formula, whichis part b) of this exercise, and Taylor’s formula with the Lagrange form of the remainder, which results when p = 1, that is, for interpolation with a single node ofmultiplicity n.12. Show thata) between two real roots of a polynomial P (x) with real coefficients there is aroot of its derivative P (x);b) if the polynomial P (x) has a multiple root, the polynomial P (x) has thesame root, but its multiplicity as a root of P (x) is one less than its multiplicity as aroot of P (x);c) if Q(x) is the greatest common divisor of the polynomials P (x) and P (x),P (x)has the roots ofwhere P (x) is the derivative of P (x), then the polynomial Q(x)P (x) as its roots, all of them being roots of multiplicity 1.13.

Show thata) any polynomial P (x) admits a representation in the form c0 + c1 (x − x0 ) +· · · + cn (x − x0 )n ;b) there exists a unique polynomial of degree n for which f (x) − P (x) = o((x −x0 )n ) as E x → x0 . Here f is a function defined on a set E and x0 is a limit pointof E.14 Ch. Hermite (1822–1901) – French mathematician who studied problems of analysis; in particular, he proved that e is transcendental.5.3 The Basic Theorems of Differential Calculus23314. Using induction on k, 1 ≤ k, we define the finite differences of order k of thefunction f at x0 :Δ1 f (x0 ; h1 ) := Δf (x0 ; h1 ) = f (x0 + h1 ) − f (x0 ),Δ2 f (x0 ; h1 , h2 ) := ΔΔf (x0 ; h1 , h2 ) == f (x0 + h1 + h2 ) − f (x0 + h2 ) −− f (x0 + h1 ) − f (x0 ) == f (x0 + h1 + h2 ) − f (x0 + h1 ) − f (x0 + h2 ) + f (x0 ),...Δk f (x0 ; h1 , . .

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
5,08 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6418
Авторов
на СтудИзбе
307
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее