Redovi funkcija. Redovi potencija. Franka Miriam Brückler

Σχετικά έγγραφα
18. listopada listopada / 13

Riješeni zadaci: Limes funkcije. Neprekidnost

2 tg x ctg x 1 = =, cos 2x Zbog četvrtog kvadranta rješenje je: 2 ctg x

Nizovi Redovi Redovi funkcija. Nizovi i redovi. Franka Miriam Brückler

1.4 Tangenta i normala

7 Algebarske jednadžbe

M086 LA 1 M106 GRP. Tema: Baza vektorskog prostora. Koordinatni sustav. Norma. CSB nejednakost

a M a A. Može se pokazati da je supremum (ako postoji) jedinstven pa uvodimo oznaku sup A.

INTEGRALNI RAČUN. Teorije, metodike i povijest infinitezimalnih računa. Lucija Mijić 17. veljače 2011.

PARCIJALNI IZVODI I DIFERENCIJALI. Sama definicija parcijalnog izvoda i diferencijala je malo teža, mi se njome ovde nećemo baviti a vi ćete je,

Funkcije dviju varjabli (zadaci za vježbu)

APROKSIMACIJA FUNKCIJA

Matematička analiza 1 dodatni zadaci

1 / 79 MATEMATIČKA ANALIZA II REDOVI

Osnovne teoreme diferencijalnog računa

TRIGONOMETRIJSKE FUNKCIJE I I.1.

3.1 Granična vrednost funkcije u tački

Neka je a 3 x 3 + a 2 x 2 + a 1 x + a 0 = 0 algebarska jednadžba trećeg stupnja. Rješavanje ove jednadžbe sastoji se od nekoliko koraka.

ELEKTROTEHNIČKI ODJEL

Iskazna logika 3. Matematička logika u računarstvu. novembar 2012

Riješeni zadaci: Nizovi realnih brojeva

Trigonometrija 2. Adicijske formule. Formule dvostrukog kuta Formule polovičnog kuta Pretvaranje sume(razlike u produkt i obrnuto

π π ELEKTROTEHNIČKI ODJEL i) f (x) = x 3 x 2 x + 1, a = 1, b = 1;

radni nerecenzirani materijal za predavanja R(f) = {f(x) x D}

SISTEMI NELINEARNIH JEDNAČINA

6 Polinomi Funkcija p : R R zadana formulom

( , treći kolokvij) 3. Na dite lokalne ekstreme funkcije z = x 4 + y 4 2x 2 + 2y 2 3. (20 bodova)

MATEMATIKA Pokažite da za konjugiranje (a + bi = a bi) vrijedi. a) z=z b) z 1 z 2 = z 1 z 2 c) z 1 ± z 2 = z 1 ± z 2 d) z z= z 2

Linearna algebra 2 prvi kolokvij,

UNIVERZITET U NIŠU ELEKTRONSKI FAKULTET SIGNALI I SISTEMI. Zbirka zadataka

Operacije s matricama

Dijagonalizacija operatora

MJERA I INTEGRAL 2. kolokvij 30. lipnja (Knjige, bilježnice, dodatni papiri i kalkulatori nisu dozvoljeni!)

Zavrxni ispit iz Matematiqke analize 1

(P.I.) PRETPOSTAVKA INDUKCIJE - pretpostavimo da tvrdnja vrijedi za n = k.

IspitivaƬe funkcija: 1. Oblast definisanosti funkcije (ili domen funkcije) D f

radni nerecenzirani materijal za predavanja

Eliminacijski zadatak iz Matematike 1 za kemičare

2. Ako je funkcija f(x) parna onda se Fourierov red funkcije f(x) reducira na Fourierov kosinusni red. f(x) cos

16 Lokalni ekstremi. Definicija 16.1 Neka je A R n otvoren, f : A R i c A. Ako postoji okolina U(c) od c na kojoj je f(c) minimum

PRAVA. Prava je u prostoru određena jednom svojom tačkom i vektorom paralelnim sa tom pravom ( vektor paralelnosti).

Cauchyjev teorem. Postoji više dokaza ovog teorema, a najjednostvniji je uz pomoć Greenove formule: dxdy. int C i Cauchy Riemannovih uvjeta.

IZVODI ZADACI ( IV deo) Rešenje: Najpre ćemo logaritmovati ovu jednakost sa ln ( to beše prirodni logaritam za osnovu e) a zatim ćemo

Funkcija gustoće neprekidne slučajne varijable ima dva bitna svojstva: 1. Nenegativnost: f(x) 0, x R, 2. Normiranost: f(x)dx = 1.

Apsolutno neprekidne raspodele Raspodele apsolutno neprekidnih sluqajnih promenljivih nazivaju se apsolutno neprekidnim raspodelama.

Determinante. a11 a. a 21 a 22. Definicija 1. (Determinanta prvog reda) Determinanta matrice A = [a] je broj a.

Elementi spektralne teorije matrica

Uvod u diferencijalni račun

1 Promjena baze vektora

Diferencijalni račun

Linearna algebra 2 prvi kolokvij,

Numerička matematika 2. kolokvij (1. srpnja 2009.)

Sume kvadrata. mn = (ax + by) 2 + (ay bx) 2.

41. Jednačine koje se svode na kvadratne

Teorijske osnove informatike 1

2.6 Nepravi integrali

Katedra za matematiku (FSB, Zagreb) Matematika 2 Poglavlje 1 1 / 72

IZVODI ZADACI (I deo)

Veleučilište u Rijeci Stručni studij sigurnosti na radu Akad. god. 2011/2012. Matematika. Monotonost i ekstremi. Katica Jurasić. Rijeka, 2011.

4 INTEGRALI Neodredeni integral Integriranje supstitucijom Parcijalna integracija Odredeni integral i

9. GRANIČNA VRIJEDNOST I NEPREKIDNOST FUNKCIJE GRANIČNA VRIJEDNOST ILI LIMES FUNKCIJE

Prvi kolokvijum. y 4 dy = 0. Drugi kolokvijum. Treći kolokvijum

( , 2. kolokvij)

4. DERIVACIJA FUNKCIJE 1 / 115

DISKRETNA MATEMATIKA - PREDAVANJE 7 - Jovanka Pantović

Uvod u teoriju brojeva

( x) ( ) ( ) ( x) ( ) ( x) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

Matematika 1 - vježbe. 11. prosinca 2015.

Pismeni ispit iz matematike Riješiti sistem jednačina i diskutovati rješenja sistema u zavisnosti od parametra: ( ) + 1.

4 Numeričko diferenciranje

( ) ( ) Zadatak 001 (Ines, hotelijerska škola) Ako je tg x = 4, izračunaj

DOMAĆA ZADAĆA 5. /Formulacije i rješenja zadataka/ - INŽENJERSKA MATEMATIKA 1 ak. 2009/2010. Selma Grebović. Sarajevo, Decembar 2009.

Strukture podataka i algoritmi 1. kolokvij 16. studenog Zadatak 1

POVRŠINA TANGENCIJALNO-TETIVNOG ČETVEROKUTA

Više dokaza jedne poznate trigonometrijske nejednakosti u trokutu

III VEŽBA: FURIJEOVI REDOVI

Osnovni teoremi diferencijalnog računa

Kaskadna kompenzacija SAU

4.1 Elementarne funkcije

2.7 Primjene odredenih integrala

Zadaci sa prethodnih prijemnih ispita iz matematike na Beogradskom univerzitetu

Integrali Materijali za nastavu iz Matematike 1

RIJEŠENI ZADACI I TEORIJA IZ

VJEŽBE IZ MATEMATIKE 1

KVADRATNA FUNKCIJA. Kvadratna funkcija je oblika: Kriva u ravni koja predstavlja grafik funkcije y = ax + bx + c. je parabola.

Osnovni primer. (Z, +,,, 0, 1) je komutativan prsten sa jedinicom: množenje je distributivno prema sabiranju

Matematičke metode u marketingumultidimenzionalno skaliranje. Lavoslav ČaklovićPMF-MO

SEMINAR IZ KOLEGIJA ANALITIČKA KEMIJA I. Studij Primijenjena kemija

Signali i sustavi Zadaci za vježbu. III. tjedan

1.3. Rješavanje nelinearnih jednadžbi

Neprekinute funkcije i limesi Definicija neprekinute funkcije i njen odnos prema limesu Asimptote Svojstva neprekinutih funkcija

MATEMATIKA 2. Grupa 1 Rexea zadataka. Prvi pismeni kolokvijum, Dragan ori

k a k = a. Kao i u slučaju dimenzije n = 1 samo je jedan mogući limes niza u R n :

6 Primjena trigonometrije u planimetriji

Polinomi Racionalne funkcije Korijeni Algebarske funkcije. Algebarske funkcije. Franka Miriam Brückler

Ispitivanje toka i skiciranje grafika funkcija

6. Redovi potencija. a 0 + a 1 (z z 0 ) + a 2 (z z 0 ) a n (z z 0 ) n +, (6.0.1)

Signali i sustavi - Zadaci za vježbu II. tjedan

Pošto pretvaramo iz veće u manju mjernu jedinicu broj 2.5 množimo s 1000,

Numerička matematika 12. predavanje

Transcript:

Franka Miriam Brückler

Redovi funkcija 1 + (x 2) + 1 + x + x 2 + x 3 + x 4 +... = (x 2)2 2! + (x 2)3 3! + +... = sin(x) + sin(2x) + sin(3x) +... = x n, + + n=1 (x 2) n, n! sin(nx).

Redovi funkcija 1 + (x 2) + 1 + x + x 2 + x 3 + x 4 +... = (x 2)2 2! + (x 2)3 3! + +... = sin(x) + sin(2x) + sin(3x) +... = x n, + + n=1 (x 2) n, n! sin(nx). Svaki od njih ćemo za konkretan x moći interpretirati kao red koji možda konvergira, a možda ne to ovisi o tome koji konkretan x uvrstimo. Redove čiji opći članovi osim o indeksu n ovisi i o nekoj nezavisnoj varijabli x zovemo redovima funkcija. Općenito ih možemo označiti s + an (x).

Područje konvergencije Skup svih x R za koje konvergira red n a n(x) zove se područje konvergencije tog reda. Područje konvergencije reda n x n je 1, 1 (odnosno u C je to {z : z < 1}) jer je to geometrijski red s kvocijentom x.

Područje konvergencije Skup svih x R za koje konvergira red n a n(x) zove se područje konvergencije tog reda. Područje konvergencije reda n x n je 1, 1 (odnosno u C je to {z : z < 1}) jer je to geometrijski red s kvocijentom x. (x 2) n n! : Odredimo područje konvergencije reda n lim n = lim x 2 n n + 1 < 1. (x 2) n+1 (n+1)! (x 2) n n! Kako je limes računat po n, obzirom na limes x je konstanta, const. tj. radi se o limesu tipa lim n n+1 = 0 pa je područje konvergencije

Za x iz područja konvergencije smisleno je označiti f (x) = n a n(x), tj. tom je formulom definirana realna (alternativno: kompleksna) funkcija s domenom jednakom području konvergencije reda koji je na desnoj strani formule. S f (x) = n x n je definirana funkcija f : 1, 1 R. Vrijedi npr. f (0,5) = n 0, 5 n = 2, f (0,25) = n 0, 25 n = 1,333...

Za x iz područja konvergencije smisleno je označiti f (x) = n a n(x), tj. tom je formulom definirana realna (alternativno: kompleksna) funkcija s domenom jednakom području konvergencije reda koji je na desnoj strani formule. S f (x) = n x n je definirana funkcija f : 1, 1 R. Vrijedi npr. f (0,5) = n 0, 5 n = 2, f (0,25) = n 0, 25 n = 1,333... Često je potrebno razmišljati obrnuto: Za zadanu funkciju f, može li se ona zapisati kao red funkcija odredenog tipa?

Definicija (Red potencija) Za niz (b n ) i c R red funkcija oblika b n (x c) n zove se redom potencija (oko točke c). Zadatak Što su parcijalne sume reda potencija? n

Definicija (Red potencija) Za niz (b n ) i c R red funkcija oblika b n (x c) n zove se redom potencija (oko točke c). Zadatak Što su parcijalne sume reda potencija? n Red potencija konvergira za sve x c R, c + R, gdje je broj R tzv. radijus konvergencije reda potencija, odreden formulom R = 1 lim n n b n. Red potencija n b n(x c) n može i ne mora konvergirati za x = c ± R.

(x 3) n Promotrimo red n n. Radi se o redu potencija s b n = 1 n i c = 3. Stoga taj red ima radijus konvergencije 1 R = = lim n n 1 n n = 1, gdje smo u posljednjem koraku lim n n koristili činjenicu. lim n n n = 1. Stoga red (x 3) n n n konvergira za x 2, 4. Za x = 2 i x = 4 konvergenciju provjeravamo odvojeno. Za x = 2 dobivamo red ( 1) n 1 n koji konvergira, a za x = 4 dobivamo harmonijski red 1 n koji divergira. Dakle, područje konvergencije promatranog reda potencija je [2, 4. Napomena Radijus konvergencije ne ovisi o c isti radijus konvergencije imaju redovi n b nx n i n b n(x 1) n.

Možete li za x 1, 1 funkciju zadanu s f (x) = 1 red potencija? 1 x zapisati kao

Možete li za x 1, 1 funkciju zadanu s f (x) = 1 red potencija? 1 x zapisati kao 1 + 1 x = x n, 1 < x < 1. Problem: ako znamo formulu f (x) neke funkcije, može li se naći red potencija koji kao područje konvergencije ima neki interval koji je podskup prirodne domene od f i za x iz tog područja konvergencije ima sumu jednaku f (x)? A čemu to? Ako to možemo učiniti, to znači da se f (x) može (za x iz nekog intervala) aproksimirati parcijalnom sumom tog reda potencija, tj. polinomom.

Cilj nam je dakle sljedeći: za danu formulu f (x) za x blizu neke točke c naći polinom p(x) nekog stupnja takav da je f (x) p(x) za x blizu c i da je pritom medu svim polinomima odabranog stupnja p(x) najbolja aproksimacija za f (x) (graf od p se u blizini točke (c, f (c)) najbolje priljubljuje uz graf od f ). f (x) = e x ; c = 0; n = 1; p 1 (x) = 1 + x

Od svih polinoma stupnja n funkciju f oko točke c najbolje aproksimira onaj polinom p(x) kojemu se vrijednosti svih derivacija od nulte do n-te u točki c podudaraju s vrijednostima odgovarajućih po redu derivacija funkcije f : f (c) = p(c), f (c) = p (c), f (c) = p (c),..., f (n) (c) = p (n) (c). Ako f (x) = e x oko c = 0 želimo aproksimirati polinomom trećeg stupnja p(x) = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + a 3 x 3, od svih takvih polinoma funkciju će oko nule najbolje aproksimirati onaj za koji vrijedi f (0) = p(0) : e 0 = a 0, f (0) = p (0) : e 0 = a 1, f (0) = p (0) : e 0 = 2a 2, f (0) = p (0) : e 0 = 6a 3. Dakle, traženi polinom je p(x) = 1 + x + x 2 + x 3.

Općenito za aproksimaciju oko c = 0 polinomom p(x) = a 0 + a 1 x +... + a n x n dobivamo redom uvjete: a 0 = f (0), p (x) = a 1 + 2a 2 x + 3a 3 x 2 +... + na n x n 1 a 1 = f (0), p (x) = 2a 2 + 2 3a 3 x... + n(n 1)a n x n 2 2a 2 = f (0), p (x) = 2 3a 3 +... + n(n 1)a n x n 2 2 3a 3 = f (0),. p (n) (x) = n!a n n!a n = f (n) (0). odnosno za sve i od 0 do n mora vrijediti a i = f (i) (0). i! Dakle, od svih polinoma stupnja n oko nule funkciju f (x) najbolje aproksimira polinom T n (x) = f (0) + f (0)x + f (0) x 2 + f (0) x 3 +... + f (n) (0) x n.

Slično se za aproksimaciju oko proizvoljne točke c dobije polinom T n (x) = f (c)+f (c)(x c)+ f (c) (x c) 2 +...+ f (n) (c) (x c) n. 2! n! Polinom T n zove se Taylorov polinom n-tog stupnja funkcije f oko točke c. Taylorov polinom stupnja n naravno ima smisla samo ako funkcija f u točki c posjeduje sve derivacije do n-te. Grešku aproksimacije Taylorovim polinomom stupnja n označit ćemo s R n odnosno R n (x) = f (x) T n (x) za x iz intervala na kojem razmatramo aproksimaciju Taylorovim polinomom. Greška aproksimacije f (x) = e x oko nule Taylorovim polinomom T 3 (x) = 1 + x + x2 2 + x3 3 iznosi R 3(x) = e x 1 x x2 2 x3 3. Ta greška za primjerice x = 0,1 iznosi R 3 (0, 1) = 4,2514 10 6.

U pravilu povećanjem stupnja n Taylorovog polinoma dobivamo točniju aproksimaciju funkcije f oko c. Stoga se prirodno nameće ideja promatranja reda potencija T (x) = f (n) (c) (x c) n. n! Taj red se zove Taylorov red funkcije f oko c. On se definira za funkcije zadane na nekom (otvorenom) intervalu koji sadrži c, a koje posjeduju sve derivacije u c. Ako je c = 0 govorimo o Maclaurinovom redu f (n) (0) n! x n. Kako je za f (x) = e x i f (n) (x) = e x i stoga f (n) (0) = 1 za sve n N 0, slijedi da je Maclaurinov red za e x dan formulom 1 n! x n.

Taylorov red funkcije općenito ne mora biti jednak funkciji f nigdje osim u c, tj. nije uvijek moguće staviti jednakost izmedu f (x) i pripadnog Taylorovog reda T (x). Kako je iz definicije vidljivo da su Taylorovi polinomi parcijalne sume Taylorovog reda, slijedi da je f (x) = T (x) ako s porastom n greške R n (x) aproksimacije f (x) s T n (x) postaju sve bliže nuli. Preciznije: Teorem (Taylor) Ako funkcija f : I R (I otvoren interval, c I ) posjeduje sve derivacije u c i ako za sve x I vrijedi lim R n(x) = 0, n + onda se f može na intervalu I razviti u Taylorov red oko c, tj. za x I vrijedi + f (n) (c) f (x) = (x c) n. n!

Taylorovi redovi polinoma su oni sami, raspisani po potencijama od (x c). Od svih Taylorovih redova najčešće se koriste Maclaurinovi. Najvažniji Maclaurinovi redovi su sljedeći: 1 + 1 x = x n = 1 + x + x 2 + x 3 +..., x 1, 1 ; 1 + 1 + x = ( 1) n x n = 1 x + x 2 x 3 +..., x 1, 1 ; sin x = + e x = + cos x = + x n n! = 1 + x + x 2 2! + x 3 3! +..., x R; ( 1) n (2n + 1)! x 2n+1 = x x 3 3! + x 5 5! x 7 ( 1) n (2n)! x 2n = 1 x 2 2! + x 4 4! x 6 7! +..., x R; 6! +..., x R;

ln(1+x) = + n=1 ( 1) n+1 x n Uz ove česti su i binomni redovi n = x x 2 2 + x 3 3 x 4 4 (1 + x) α = + ( ) α x n n +..., x 1, 1]. koji konvergira za x 1, 1. Eksponent α može biti bilo koji realan broj, a ( α n) je definiran kao ( ) ( ) α α(α 1)(α 2)... (α n + 1) α =, = 1. n n! 0 Iz poznatih razvoja u red lako je dobiti nove. ice, 2 x = e x ln 2 = + (ln 2) n x n

Ako je dana funkciju na nekom intervalu oko c jednaka odgovarajućem Taylorovom redu, onda ju možemo aproksimirati Taylorovim polinomom: f (x) T n (x) = n k=0 f (k) (c) (x c) k. k! Pritom je greška aproksimacije R n (x) = f (x) T n (x) i obično je nepoznata, ali kako je poznato da vrijedi R n (x) = f (n+1) (t) (n+1)! (x c)n+1 za neki t izmedu x i c, slijedi da greška po apsolutnoj vrijednosti iznosi najviše M (n+1)! x c n+1 gdje je M neka gornja meda za apsolutnu vrijednost od f (n+1) (t) za t-ove izmedu x i c (tj. f (n+1) (t) M za sve t izmedu x i c).

Greška aproksimacije sin x x x3 3! u nekom x iznosi sin (4) (t) 4! x 4 = sin t 4! x 4 za neki t izmedu x i 0. ice, za x = 0,1 greška je sin t 4! 0,1 4 = 1 24 10 4 sin t. Kako je sin t 1 za sve t R zaključujemo da je greška po apsolutnoj vrijednosti najviše 1 24 10 4 4,16667 10 6. Dakle, ako umjesto sin(0,1) izračunamo 0,1 0,13 3!, greška će biti tek na šestoj decimali.

U teoriji relativnosti pojavljuje se formula m = m(v) = m 0c (m c 2 v 2 0 je masa mirovanja). Pretpostavimo li da je v puno manji od c, aproksimirajmo formulu s Taylorovim polinomom stupnja dva. m(v) = m 0 1 1 (v/c) 2 Stavimo x = (v/c) 2 (sad je x 0 zbog pretpostavke da je v puno manji od c) pa imamo m(0) = m 0, m (0) = m 0 2, m (0) = 3m 0 4 pa je m(x) m 0 m 0 2 x + 3m 0 8 x 2 odnosno m m 0 m ( 0 v ) 2 2 3m ( 0 v ) 4 +. c 8 c

Planckov zakon za zračenje crnog tijela glasi ρ(λ) = 8πhc ( ). λ 5 e hc λkt 1 Tu je ρ(λ) spektralna gustoća energije zračenja valne duljine λ, h je Planckova konstanta, k Boltzmannova konstanta, c je brzina svjetlosti, a T temperatura (u Kelvinima). Prije Plancka Rayleigh i Jeans predložili su jednostavniju formulu ρ(λ) = 8πkT λ 4, no kako bi iz te formule slijedilo da ρ jako raste kako se valne duljine približavaju nuli, i to pri svim temperaturama, slijedilo bi da sva tijela emitiraju kratkovalno i ultraljubičasto zračenje (ultraljubičasta katastrofa).

Ako je λ jako velika, onda je x = hc λkt blizu nule. Stoga je aproksimacija e hc λkt dobra (to bolja, tj. ima to manju grešku, što je x bliži nuli, tj. što s prva dva člana Maclaurinova razvoja 1 + hc λkt je λ veća). Slijedi da je( za velike valne ) duljine nazivnik u Planckovom zakonu λ 5 e hc λkt 1 λ 5 hc λkt te Planckov zakon za velike λ poprima oblik ρ(λ) 8πhc = 8πkT λ 5 hc λ 4 λkt što je točno Rayleigh-Jeansova formula.

Recimo da sin x želimo u okolini nule aproksimirati s T 3 (x) = x x 3 3! tako da greška bude najviše reda 0,001: za koji d > 0 vrijedi da ako je x d, onda je sin x T 2 (x) 0,001. R 3 (x) = sin t 4! x 4 x 4 24 d 3 0,001 d 0,28845, 24 tj. ako umjesto sin x za x 0,28845, 0,28845 izračunamo x x 3 3!, greška aproksimacije je reda 10 4. Virijalna jednadžba stanja za realni plin ima oblik ( pv m = RT 1 + B + C ) V m Vm 2 +..., tj. p = p(v m ) = RT + RTB V m Vm 2 + RTC Vm 3 +...