10.1: Mfululizo wa Nguvu na Kazi
- Tambua mfululizo wa nguvu na kutoa mifano yao.
- Kuamua radius ya kuunganisha na muda wa kuunganishwa kwa mfululizo wa nguvu.
- Tumia mfululizo wa nguvu ili kuwakilisha kazi.
Mfululizo wa nguvu ni aina ya mfululizo na masharti yanayohusisha variable. Zaidi hasa, kama variable nix, basi masharti yote ya mfululizo kuhusisha nguvu yax. Matokeo yake, mfululizo wa nguvu unaweza kufikiriwa kama polynomial isiyo na kipimo. Mfululizo wa nguvu hutumiwa kuwakilisha kazi za kawaida na pia kufafanua kazi mpya. Katika sehemu hii sisi kufafanua nguvu mfululizo na kuonyesha jinsi ya kuamua wakati mfululizo nguvu hujiunga na wakati diverges. Pia tunaonyesha jinsi ya kuwakilisha kazi fulani kwa kutumia mfululizo wa nguvu.
Fomu ya Mfululizo wa Nguvu
Mfululizo wa fomu
∞∑n=0cnxn=c0+c1x+c2x2+…,
ambapox ni variable na coefficientscn ni constants, inajulikana kama mfululizo nguvu. Mfululizo
1+x+x2+…=∞∑n=0xn
ni mfano wa mfululizo wa nguvu. Kwa kuwa mfululizo huu ni mfululizo wa kijiometri na uwianor=|x|, tunajua kwamba hujiunga ikiwa|x|<1 na hutofautiana ikiwa|x|≥1.
Mfululizo wa fomu
∞∑n=0cnxn=c0+c1x+c2x2+…
ni mfululizo wa nguvux=0. unaozingatia katika mfululizo wa fomu
∞∑n=0cn(x−a)n=c0+c1(x−a)+c2(x−a)2+…
ni nguvu mfululizo unaozingatia katikax=a.
Ili kufanya ufafanuzi huu sahihi, tunasema kwambax0=1 na(x−a)0=1 hata wakatix=0 nax=a, kwa mtiririko huo.
Mfululizo
∞∑n=0xnn!=1+x+x22!+x33!+…
na
∞∑n=0n!xn=1+x+2!x2+3!x3+…
wote ni nguvu mfululizo unaozingatiax=0. katika mfululizo
∞∑n=0(x−2)n(n+1)3n=1+x−22⋅3+(x−2)23⋅32+(x−2)34⋅33+…
ni nguvu mfululizo unaozingatia katikax=2.
Kuunganishwa kwa Mfululizo wa Nguvu
Kwa kuwa maneno katika mfululizo nguvu kuhusisha variablex, mfululizo inaweza kugeuka kwa maadili fulani yax na kuachana kwa maadili mengine yax. Kwa mfululizo wa nguvu unaozingatiax=a, thamani ya mfululizo katikax=a hutolewa nac0. Kwa hiyo, mfululizo wa nguvu daima hujiunga katikati yake. Baadhi ya mfululizo nguvu hujiunga tu kwa kuwa thamani yax. Wengi nguvu mfululizo, hata hivyo, hujiunga kwa thamani zaidi ya moja yax. Katika hali hiyo, mfululizo wa nguvu hujiunga na nambari zote halisix au hujiungax kwa wote kwa muda wa mwisho. Kwa mfano, mfululizo wa kijiometri∞∑n=0xn hujiungax kwa wote kwa muda(−1,1), lakini hutofautiana kwa wotex nje ya muda huo. Sasa tunafupisha uwezekano huu wa tatu kwa mfululizo wa nguvu ya jumla.
Fikiria mfululizo∞∑n=0cn(x−a)n. wa nguvu Mfululizo hutimiza moja ya mali zifuatazo:
- Mfululizo hujiungax=a na hutofautiana kwa wotex≠a.
- Mfululizo hujiunga kwa namba zote halisix.
- Kuna idadi halisiR>0 kama kwamba mfululizo hujiunga kama|x−a|<R na diverges kama|x−a|>R. Katika maadilix ambapo |X-a|=R, mfululizo unaweza kugeuza au kutofautiana.
Tuseme kwamba mfululizo wa nguvu unazingatiaa=0. (Kwa mfululizo unaozingatia kwa thamani ya zaidi ya sifuri, matokeo hufuata kwa kuruhusuy=x−a na kuzingatia mfululizo
∞∑n=1cnyn.
Lazima kwanza kuthibitisha ukweli wafuatayo:
Ikiwa kuna nambari halisid≠0 kama∞∑n=0cndn inayogeuka, basi mfululizo∞∑n=0cnxn hujiunga kabisa kwax vile vyote|x|<|d|.
Tangu∞∑n=0cndn hujiunga, neno la nthcndn→0 lilikuwan→∞. Kwa hiyo, kuna integerN kama kwamba|cndn|≤1 kwa woten≥N. Writing
|cnxn|=|cndn||xd|n,
tunahitimisha kwamba, kwa wote N,
|cnxn|≤|xd|n.
Mfululizo
∞∑n=N|xd|n
ni mfululizo wa kijiometri ambao hujiunga kama|xd|<1. Kwa hiyo, kwa mtihani wa kulinganisha, tunahitimisha kwamba∞∑n=Ncnxn pia hujiunga|x|<|d|. Kwa kuwa tunaweza kuongeza idadi ya mwisho ya maneno kwa mfululizo unaobadilika, tunahitimisha kuwa∞∑n=0cnxn hujiunga|x|<|d|.
Kwa matokeo haya, sasa tunaweza kuthibitisha theorem. Fikiria mfululizo
∞∑n=0anxn
na hebuS iwe seti ya namba halisi ambazo mfululizo hujiunga. Tuseme kwamba kuwekaS=0. Kisha mfululizo iko chini ya kesi i.
Tuseme kwamba kuwekaS ni seti ya namba zote halisi. Kisha mfululizo iko chini ya kesi ii. TusemeS kwambaS≠0 na si seti ya idadi halisi. Kisha kuna idadi halisix∗≠0 kama vile mfululizo hauunganishi. Hivyo, mfululizo hauwezi kuungana kwa yeyotex kama hiyo|x|>|x∗|. Kwa hiyo, kuwekaS lazima iwe kuweka mipaka, ambayo ina maana kwamba lazima iwe na kifungo kidogo cha juu. (Ukweli huu unafuata kutoka angalau Upper Bound Mali kwa idadi halisi, ambayo ni zaidi ya wigo wa maandishi haya na ni kufunikwa katika kozi halisi uchambuzi.) Wito kwamba ndogo juu amefungwaR. TanguS≠0, idadiR>0. Kwa hiyo, mfululizo hujiunga|x|<R, nax hayo yote na mfululizo huanguka katika kesi iii.
□
Ikiwa mfululizo∞∑n=0cn(x−a)n huanguka katika kesi ii. ya Kumbuka, basi mfululizo hujiunga kwax vile vile|x−a|<R kwa baadhiR>0, na hutofautiana kwa yotex hayo|x−a|>R. Mfululizo inaweza kugeuza au kupatanisha katika maadilix ambapo|x−a|=R. Seti ya maadilix ambayo mfululizo∞∑n=0cn(x−a)n hujiunga inajulikana kama muda wa kuungana. Kwa kuwa mfululizo unatofautiana kwa maadili yotex ambapo|x−a|>R, urefu wa muda ni2R, na kwa hiyo, radius ya muda niR. ThamaniR inaitwa radius ya kuunganisha. Kwa mfano, tangu mfululizo∞∑n=0xn hujiunga kwa maadili yotex katika kipindi(−1,1) na hutofautiana kwa maadili yotex kama vile|x|≥1, muda wa kuunganishwa kwa mfululizo huu ni(−1,1). Kwa kuwa urefu wa muda ni2, radius ya muunganiko ni1.
Fikiria mfululizo wa nguvu∞∑n=0cn(x−a)n. Seti ya namba halisix ambapo mfululizo hujiunga ni muda wa kuungana. Kama kuna idadi halisiR>0 kama kwamba mfululizo hujiunga|x−a|<R na diverges kwa|x−a|>R, basiR ni Radius ya muunganiko. Kama mfululizo hujiunga tux=a, tunasema Radius ya muunganiko niR=0. Ikiwa mfululizo unajiunga kwa namba zote halisix, tunasema radius ya kuunganisha niR=∞ (Kielelezo10.1.1).

Kuamua muda wa kuunganisha kwa mfululizo wa nguvu, sisi kawaida hutumia mtihani wa uwiano. Katika Mfano10.1.1, sisi kuonyesha uwezekano tatu tofauti mfano katika Kielelezo10.1.1.
Kwa kila mfululizo wafuatayo, pata muda na radius ya kuungana.
- ∞∑n=0xnn!
- ∞∑n=0n!xn
- ∞∑n=0(x−2)n(n+1)3n
Suluhisho
a Ili uangalie muunganiko, tumia mtihani wa uwiano. Tuna
\ [kuanza {align*} ρ &=\ lim_ {n → Δ}\ kushoto|\ dfrac {\ dfrac {x^ {n+1}} {(n+1)!}}} {\ dfrac {x ^ n} {n!}} \ haki|\ [4pt]
&=\ lim_ {n → Δ}\ kushoto|\ dfrac {x^ {n+1}} {(n+1)!} \ drac {n!} {x ^ n}\ kulia|\\ [4pt]
&=\ lim_ {n → Δ}\ kushoto|\ dfrac {x^ {n+1}} {(n+1) n!} \ drac {n!} {x^n}\ kulia|\\ [4pt]
&=\ lim_ {n → Δ}\ kushoto|\ dfrac {x} {n+1}\ haki|\ [4pt]
&=|x|\ lim_ {n → Δ}\ dfrac {1} {n+1}\ [4pt]
&=0<1\ mwisho {align*}\]
kwa maadili yote yax. Kwa hiyo, mfululizo hujiunga na namba zote halisix. Muda wa muunganiko ni(−∞,∞) na radius ya muunganiko niR=∞.
b Tumia mtihani wa uwiano. Kwax≠0, tunaona kwamba
\ [kuanza {align*} ρ &=\ lim_ {n → Δ}\ kushoto|\ dfrac {(n+1)! x^ {n+1}} {n! x ^ n}\ kulia|\\ [4pt]
&=\ lim_ {n → Δ} | (n+1) x|\\ [4pt]
&=|x|\ lim_ {n → Δ} (n+1)\\ [4pt]
&=Δ. \ mwisho {align*}\]
Kwa hiyo, mfululizo hupungua kwa wotex≠0. Kwa kuwa mfululizo unazingatiax=0, ni lazima uunganishe huko, hivyo mfululizo unajiunga tux≠0. Muda wa kuunganisha ni thamani mojax=0 na radius ya muunganiko niR=0.
c Ili kutumia mtihani wa uwiano, fikiria
\ [kuanza {align*} ρ &=\ lim_ {n → Δ}\ kushoto|\ dfrac {\ dfrac {(x-1) ^ {n+1}} {(n+2) 3^ {n+1}}} {\ dfrac {(x-1) ^n} {(n+1) 3 ^ n}\ haki|\\ [4pt]
&=\\ lim_ {n → Δ}\ kushoto|\ dfrac {(x-1) ^ {n+1}} {n+2) 3^ {n+1}}}}}\ dfrac {(n+1) 3^n} {(x-1) ^n}\ haki|\ [4pt]
&=\ lim_ {n → Δ}\ kushoto|\ frac {(x-1) (n+1) (n+1))} {3 (n+2)}\ haki|\\ [4 pt]
&=\ dfrac {|x-2|} {3}. \ mwisho {align*}\]
uwianoρ<1 kama|x−2|<3. Tangu|x−2|<3 ina maana kwamba−3<x−2<3, mfululizo hujiunga kabisa kama−1<x<5. uwianoρ>1 kama|x−2|>3. Kwa hiyo, mfululizo hutofautiana ikiwax<−1 aux>5. Uwiano mtihani ni inconclusive kamaρ=1. Uwianoρ=1 ikiwa na tu ikiwax=−1 aux=5. Tunahitaji kupima maadili haya yax tofauti. Kwax=−1, mfululizo hutolewa na
∞∑n=0(−1)nn+1=1−12+13−14+….
Kwa kuwa hii ni mfululizo wa harmonic mbadala, hujiunga. Hivyo, mfululizo hujiungax=−1. Kwax=5, mfululizo hutolewa na
∞∑n=01n+1=1+12+13+14+….
Hii ni mfululizo wa harmonic, ambao ni tofauti. Kwa hiyo, mfululizo wa nguvu unatofautianax=5. Tunahitimisha kuwa muda wa kuungana ni[−1,5) na radius ya kuunganisha niR=3.
Pata muda na radius ya kuunganisha kwa mfululizo
∞∑n=1xn√n.
- Kidokezo
-
Tumia mtihani wa uwiano ili uangalie muunganiko kabisa.
- Jibu
-
Muda wa muunganiko ni Radius[−1,1). ya muunganiko niR=1.
Kuwakilisha Kazi kama Mfululizo wa Power
Kuwa na uwezo wa kuwakilisha kazi kwa “polynomial isiyo na mwisho” ni chombo chenye nguvu. Kazi nyingi ni kazi rahisi za kuchambua, kwani zinahusisha tu shughuli za msingi za hesabu za kuongeza, kuondoa, kuzidisha, na mgawanyiko. Ikiwa tunaweza kuwakilisha kazi ngumu na polynomial isiyo na kipimo, tunaweza kutumia uwakilishi wa polynomial ili kutofautisha au kuunganisha. Kwa kuongeza, tunaweza kutumia toleo la truncated la kujieleza kwa polynomial kwa maadili ya takriban ya kazi. Kwa hiyo, swali ni, lini tunaweza kuwakilisha kazi kwa mfululizo wa nguvu?
Fikiria tena mfululizo wa kijiometri
1+x+x2+x3+…=∞∑n=0xn.
Kumbuka kwamba mfululizo wa kijiometri
a+ar+ar2+ar3+…
converges kama na tu kama|r|<1. Katika kesi hiyo, ni converges kwaa1−r. Kwa hiyo, kama|x|<1, mfululizo katika Mfano10.1.1 hujiunga11−x na tunaandika
1+x+x2+x3+…=11−xfor|x|<1.
Matokeo yake, tunaweza kuwakilisha kazif(x)=11−x kwa mfululizo wa nguvu
1+x+x2+x3+…when|x|<1.
Sasa tunaonyesha graphically jinsi mfululizo huu hutoa uwakilishif(x)=11−x kwa kazi kwa kulinganisha grafu yaf na grafu ya kadhaa ya kiasi cha sehemu ya mfululizo huu usio.
Mchoro grafu yaf(x)=11−x na grafu ya kiasi sambamba sehemuSN(x)=N∑n=0xnN=2,4,6 kwa muda(−1,1). Maoni juu ya makadirioSN kamaN ongezeko.
Suluhisho
Kutoka graph katika Kielelezo unaweza kuona kwamba kamaN ongezeko,SN inakuwa makadirio boraf(x)=11−x kwa ajili yax katika kipindi(−1,1).

Mchoro grafu yaf(x)=11−x2 na sambamba sehemu kiasiSN(x)=N∑n=0x2nN=2,4,6 kwa muda(−1,1).
- Kidokezo
- SN(x)=1+x2+…+x2N=1−x2(N+1)1−x2
- Jibu
-
Halafu tunazingatia kazi zinazohusisha usemi sawa na jumla ya mfululizo wa kijiometri na kuonyesha jinsi ya kuwakilisha kazi hizi kwa kutumia mfululizo wa nguvu.
Tumia mfululizo wa nguvu ili kuwakilisha kila kazi zifuatazof. Pata muda wa kuunganisha.
- f(x)=11+x3
- f(x)=x24−x2
Suluhisho
Unapaswa kutambua kazi hiif kama jumla ya mfululizo wa kijiometri, kwa sababu
11+x3=11−(−x3).
Kutumia ukweli kwamba, kwa maana|r|<1,a1−r ni jumla ya mfululizo wa kijiometri
∞∑n=0arn=a+ar+ar2+…,
tunaona kwamba, kwa|−x3|<1,
11+x3=11−(−x3)=∞∑n=0(−x3)n=1−x3+x6−x9+….
Kwa kuwa mfululizo huu hujiunga ikiwa na tu ikiwa|−x3|<1, muda wa kuungana ni(−1,1), na tuna
11+x3=1−x3+x6−x9+…for|x|<1.
b Kazi hii sio fomu halisi ya jumla ya mfululizo wa kijiometri. Hata hivyo, kwa kudanganywa kidogo kwa algebraic, tunaweza kuhusisha na mfululizo wa kijiometri. Kwa factoring 4 kati ya masharti mawili katika denominator, sisi kupata
x24−x2=x24(1−x24)=x24(1−(x2)2).
Kwa hiyo, tuna
\ [kuanza {align*}\ dfrac {x ^ 2} {418-x ^ 2} &=\ dfrac {x ^ 2} {4 (1- (\ dfrac {x} {2}) ^2)}\\ [4pt]
&=\ dfrac {x ^ 2} {4} {1} {1} (\ dfrac {x} 2}) ^2}\\ [4pt]
&=\ sum_ {n = 0} ^Δ\ dfrac {x^2} {4} (\ dfrac {x} {2}) ^ {2n}. \ mwisho {align*}\]
Mfululizo hujiunga kwa muda mrefu kama|(x2)2|<1 (kumbuka kwamba wakati|(x2)2|=1 mfululizo hauingii). Kutatua kukosekana kwa usawa huu, tunahitimisha kwamba muda wa muunganiko ni(−2,2) na
\ [kuanza {align*}\ dfrac {x^ 2} {4,1x^2} &=\ sum_ {n = 0} ^Δ\ dfrac {x^ {2n+2}} {4^ {n+1}}\\ [4pt]
&=\ dfrac {x^2} {4} +\ dfrac {x ^ 4} {4 ^ 2} +\ dfrac {x ^ 6} {4 ^ 3} +\ dots\ mwisho {align*}\]
kwa|x|<2.
Kuwakilisha kazi kwaf(x)=x32−x kutumia mfululizo wa nguvu na kupata muda wa kuunganisha.
- Kidokezo
-
Andika upya f katika fomuf(x)=g(x)1−h(x) kwa baadhi ya kazig nah.
- Jibu
-
∞∑n=0xn+32n+1na muda wa kuungana(−2,2)
Katika sehemu iliyobaki ya sura hii, tutaonyesha njia za kupata uwakilishi wa mfululizo wa nguvu kwa kazi nyingine nyingi, na jinsi gani tunaweza kutumia uwakilishi huu kutathmini, kutofautisha, na kuunganisha kazi mbalimbali.
Dhana muhimu
- Kwa mfululizo nguvu unaozingatia katikax=a, moja ya yafuatayo mali tatu kushikilia:
- i. mfululizo nguvu hujiunga tu katikax=a. Katika kesi hii, tunasema kwamba radius ya kuunganisha niR=0.
- ii. Mfululizo wa nguvu hujiunga na namba zote halisix. Katika kesi hii, tunasema kwamba radius ya kuunganisha niR=∞.
- iii. Kuna idadi halisi R kama kwamba mfululizo hujiunga|x−a|<R na diverges kwa|x−a|>R. Katika kesi hiyo, radius ya muunganiko niR.
- Ikiwa mfululizo wa nguvu hujiunga na muda wa mwisho, mfululizo unaweza au hauwezi kugeuka kwenye mwisho.
- Mtihani wa uwiano unaweza kutumika mara nyingi kuamua radius ya kuunganishwa.
- Mfululizo wa kijiometri∞∑n=0xn=11−x kwa|x|<1 inaruhusu sisi kuwakilisha kazi fulani kwa kutumia mfululizo wa kijiometri.
Mlinganyo muhimu
- Mfululizo wa nguvu unaozingatiax=0
∞∑n=0cnxn=c0+c1x+c2x2+…n
- Mfululizo wa nguvu unaozingatiax=a
∞∑n=0cn(x−a)n=c0+c1(x−a)+c2(x−a)2+…
faharasa
- muda wa kuungana
- seti ya idadix halisi ambayo mfululizo wa nguvu hujiunga
- mfululizo wa nguvu
- mfululizo wa fomu∞∑n=0cnxn ni mfululizo wa nguvu unaozingatiax=0; mfululizo wa fomu∞∑n=0cn(x−a)n ni mfululizo wa nguvu unaozingatiax=a
- radius ya muunganiko
- ikiwa kuna idadi halisi kamaR>0 vile mfululizo wa nguvu unaozingatiax=a unajiunga|x−a|<R na kugeuka|x−a|>R, basiR ni radius ya kuunganishwa; ikiwa mfululizo wa nguvu hujiunga tux=a, radius ya kuunganisha niR=0; ikiwa mfululizo wa nguvu converges kwa idadi yote halisix, Radius ya muunganiko niR=∞