Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/jax.js
Skip to main content
Library homepage
 
Global

10.1: Mfululizo wa Nguvu na Kazi

  • Edwin “Jed” Herman & Gilbert Strang
  • OpenStax

Malengo ya kujifunza
  • 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.

Ufafanuzi10.1.1: Power Series

Mfululizo wa fomu

n=0cnxn=c0+c1x+c2x2+

ni mfululizo wa nguvux=0. unaozingatia katika mfululizo wa fomu

n=0cn(xa)n=c0+c1(xa)+c2(xa)2+

ni nguvu mfululizo unaozingatia katikax=a.

Ili kufanya ufafanuzi huu sahihi, tunasema kwambax0=1 na(xa)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(x2)n(n+1)3n=1+x223+(x2)2332+(x2)3433+

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 kijiometrin=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.

Kumbuka10.1.1: Convergence of a Power Series

Fikiria mfululizon=0cn(xa)n. wa nguvu Mfululizo hutimiza moja ya mali zifuatazo:

  1. Mfululizo hujiungax=a na hutofautiana kwa wotexa.
  2. Mfululizo hujiunga kwa namba zote halisix.
  3. Kuna idadi halisiR>0 kama kwamba mfululizo hujiunga kama|xa|<R na diverges kama|xa|>R. Katika maadilix ambapo |X-a|=R, mfululizo unaweza kugeuza au kutofautiana.
Ushahidi

Tuseme kwamba mfululizo wa nguvu unazingatiaa=0. (Kwa mfululizo unaozingatia kwa thamani ya zaidi ya sifuri, matokeo hufuata kwa kuruhusuy=xa na kuzingatia mfululizo

n=1cnyn.

Lazima kwanza kuthibitisha ukweli wafuatayo:

Ikiwa kuna nambari halisid0 kaman=0cndn inayogeuka, basi mfululizon=0cnxn hujiunga kabisa kwax vile vyote|x|<|d|.

Tangun=0cndn hujiunga, neno la nthcndn0 lilikuwan. Kwa hiyo, kuna integerN kama kwamba|cndn|1 kwa wotenN. 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 kwamban=Ncnxn pia hujiunga|x|<|d|. Kwa kuwa tunaweza kuongeza idadi ya mwisho ya maneno kwa mfululizo unaobadilika, tunahitimisha kuwan=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 kwambaS0 na si seti ya idadi halisi. Kisha kuna idadi halisix0 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. TanguS0, idadiR>0. Kwa hiyo, mfululizo hujiunga|x|<R, nax hayo yote na mfululizo huanguka katika kesi iii.

Ikiwa mfululizon=0cn(xa)n huanguka katika kesi ii. ya Kumbuka, basi mfululizo hujiunga kwax vile vile|xa|<R kwa baadhiR>0, na hutofautiana kwa yotex hayo|xa|>R. Mfululizo inaweza kugeuza au kupatanisha katika maadilix ambapo|xa|=R. Seti ya maadilix ambayo mfululizon=0cn(xa)n hujiunga inajulikana kama muda wa kuungana. Kwa kuwa mfululizo unatofautiana kwa maadili yotex ambapo|xa|>R, urefu wa muda ni2R, na kwa hiyo, radius ya muda niR. ThamaniR inaitwa radius ya kuunganisha. Kwa mfano, tangu mfululizon=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.

Ufafanuzi: radius ya muunganiko

Fikiria mfululizo wa nguvun=0cn(xa)n. Seti ya namba halisix ambapo mfululizo hujiunga ni muda wa kuungana. Kama kuna idadi halisiR>0 kama kwamba mfululizo hujiunga|xa|<R na diverges kwa|xa|>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).

Takwimu hii ina mistari ya simu tatu, kila kinachoitwa na x. katikati ya kila mstari namba ni hatua kinachoitwa a. namba ya kwanza line ina “diverges” juu ya yote ya mstari wa kushoto wa na “diverges” juu ya mstari na haki ya. katika hatua yenyewe, ni kinachoitwa kama “converges”. Mstari wa pili wa nambari una “hujiunga” iliyoandikwa kwa mstari mzima. Nambari ya tatu ya mstari ina pointi zilizoandikwa kwenye A-R, a, na A+R. upande wa kushoto wa A-R, mstari wa nambari umeandikwa “hutofautiana”. Kati ya A-r na A+r mstari wa nambari umeandikwa “hujiunga” na kwa haki ya A+r mstari wa nambari umeandikwa “hupungua”.
Kielelezo10.1.1: Kwa mfululizon=0cn(xa)n grafu (a) inaonyesha radius ya muunganiko katikaR=0, grafu (b) inaonyesha radius ya muunganiko katikaR=, na grafu (c) inaonyesha radius ya muunganiko katikaR. Kwa grafu (c) tunaona kwamba mfululizo unaweza au hauwezi kugeuka kwenye mwishox=a+R nax=aR.

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.

Mfano10.1.1: Finding the Interval and Radius of Convergence

Kwa kila mfululizo wafuatayo, pata muda na radius ya kuungana.

  1. n=0xnn!
  2. n=0n!xn
  3. n=0(x2)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. Kwax0, 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 wotex0. Kwa kuwa mfululizo unazingatiax=0, ni lazima uunganishe huko, hivyo mfululizo unajiunga tux0. 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|x2|<3. Tangu|x2|<3 ina maana kwamba3<x2<3, mfululizo hujiunga kabisa kama1<x<5. uwianoρ>1 kama|x2|>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=112+1314+.

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.

Zoezi10.1.1

Pata muda na radius ya kuunganisha kwa mfululizo

n=1xnn.

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 kwaa1r. Kwa hiyo, kama|x|<1, mfululizo katika Mfano10.1.1 hujiunga11x na tunaandika

1+x+x2+x3+=11xfor|x|<1.

Matokeo yake, tunaweza kuwakilisha kazif(x)=11x kwa mfululizo wa nguvu

1+x+x2+x3+when|x|<1.

Sasa tunaonyesha graphically jinsi mfululizo huu hutoa uwakilishif(x)=11x kwa kazi kwa kulinganisha grafu yaf na grafu ya kadhaa ya kiasi cha sehemu ya mfululizo huu usio.

Mfano10.1.2: Graphing a Function and Partial Sums of its Power Series

Mchoro grafu yaf(x)=11x na grafu ya kiasi sambamba sehemuSN(x)=Nn=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)=11x kwa ajili yax katika kipindi(1,1).

Takwimu hii ni grafu ya y = 1/ (1-x), ambayo ni safu inayoongezeka na asymptote ya wima saa 1. Pia kwenye grafu hii ni sehemu tatu kiasi cha kazi, S ndogo 6, S ndogo 4, na S ndogo 2. Curves hizi, ili, hatua kwa hatua kuwa flatter.
Kielelezo10.1.2: Grafu inaonyesha kazi na makadirio matatu yake kwa kiasi cha sehemu ya mfululizo wa nguvu.
Zoezi10.1.2

Mchoro grafu yaf(x)=11x2 na sambamba sehemu kiasiSN(x)=Nn=0x2nN=2,4,6 kwa muda(1,1).

Kidokezo
SN(x)=1+x2++x2N=1x2(N+1)1x2
Jibu

Takwimu hii ni grafu ya y = 1/ (1-x ^ 2), ambayo ni concave ya curve up, symmetrical kuhusu mhimili y. Pia kwenye grafu hii ni sehemu tatu kiasi cha kazi, S ndogo 6, S ndogo 4, na S ndogo 2. Curves hizi, ili, hatua kwa hatua kuwa flatter.

Halafu tunazingatia kazi zinazohusisha usemi sawa na jumla ya mfululizo wa kijiometri na kuonyesha jinsi ya kuwakilisha kazi hizi kwa kutumia mfululizo wa nguvu.

Mfano10.1.3: Representing a Function with a Power Series

Tumia mfululizo wa nguvu ili kuwakilisha kila kazi zifuatazof. Pata muda wa kuunganisha.

  1. f(x)=11+x3
  2. f(x)=x24x2

Suluhisho

Unapaswa kutambua kazi hiif kama jumla ya mfululizo wa kijiometri, kwa sababu

11+x3=11(x3).

Kutumia ukweli kwamba, kwa maana|r|<1,a1r ni jumla ya mfululizo wa kijiometri

n=0arn=a+ar+ar2+,

tunaona kwamba, kwa|x3|<1,

11+x3=11(x3)=n=0(x3)n=1x3+x6x9+.

Kwa kuwa mfululizo huu hujiunga ikiwa na tu ikiwa|x3|<1, muda wa kuungana ni(1,1), na tuna

11+x3=1x3+x6x9+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

x24x2=x24(1x24)=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.

Zoezi10.1.3

Kuwakilisha kazi kwaf(x)=x32x kutumia mfululizo wa nguvu na kupata muda wa kuunganisha.

Kidokezo

Andika upya f katika fomuf(x)=g(x)1h(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|xa|<R na diverges kwa|xa|>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 kijiometrin=0xn=11x 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(xa)n=c0+c1(xa)+c2(xa)2+

faharasa

muda wa kuungana
seti ya idadix halisi ambayo mfululizo wa nguvu hujiunga
mfululizo wa nguvu
mfululizo wa fomun=0cnxn ni mfululizo wa nguvu unaozingatiax=0; mfululizo wa fomun=0cn(xa)n ni mfululizo wa nguvu unaozingatiax=a
radius ya muunganiko
ikiwa kuna idadi halisi kamaR>0 vile mfululizo wa nguvu unaozingatiax=a unajiunga|xa|<R na kugeuka|xa|>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=