求幂级数的和函数时,求导再积分或积分再求导,不是相当于没变化吗,为什么这样能算出幂级数的和函数?
救救我的高数理解,谢谢
举个最简单的类比:
计算 ,可以计算为
先加后减,不是相当于没变化吗,为什么能简化计算呢?
可能类比不是非常恰当,但这里面的大致思想是差不多的,因为你直接算很难算。
举个实际的例子:
这是无穷等比级数的求和公式,高中就学过。
对等式两端进行不定积分,根据 确定任意常数,得到
这是自然对数的泰勒展开式。
再积一次分,左边使用分部积分法:
右边直接积分得到
根据 确定积分常数 ,有
现在假设你不知道上述过程,问你 的和函数是什么,你怎么办?
你肯定猜不出来什么函数的泰勒展开式正好是这个玩意嘛!你只能对它进行一些力所能及的变化,比如说求导与积分。容易发现,上式求导两次之后得到 ,也就是等比级数求和,这个和函数你应该知道是 ,再求两次积分就得到了答案。
虽然先求导再积分这种过程,值没有变,但是形式变了,我们的目的达到了。这里体现了数学上的化归思想,把不熟悉的情况往熟悉的情况上靠近,就容易解决得多了!
实际上,有很多收敛的幂级数,和函数几乎求不出来,比如说 ,其中 是第 个素数, 是正整数。可以求出和函数的幂级数,真的是沧海一粟啊!
对于一般的幂级数,往往不是初等函数或是初等函数的复合,所以不能以封闭的形式写出来,也就是说这题没法做。
否则,我们做这类题的目的,就是将其转化为我们熟悉的幂级数形式,而我们熟知的幂级数就是各种初等函数的泰勒展开(转化为欧拉积分等等也可以)。
通过求导或是积分,可以给级数通项或乘或除以求和指标,以此起到转化的作用。
所谓求幂级数的和函数,就是对写成一串相加的幂级数,让它等于一个初等函数。但是,利用我们已知的五个幂级数等于初等函数(即e^x,sinx,cosx,ln(1+x),(1+x)^a)的等式,无法经过简单的初等数运算(+-×,换元,加几项,减几项)完成这个目的。因此,我们设幂级数等于所求,然后对等式两边求导(或求定积分由0到x),这样就得到所求的导数等于一个幂级数的导数,而幂级数的导数是一个新的幂级数,而这个新的幂级数恰恰就可以利用我们刚才说的五个展开式(经过简单的初等运算)写成一个初等函数了。这样我们就得到:所求的导数等于一个初等函数,最后两边积分就得到:所求等于一个初等函数的积分还是等于一个初等函数了。先积分后求导同理。
因为其中有一步「把常见级数收敛为有限函数」,这一步之前都是对级数进行操作,这一步之后则是对这个「有限函数」进行操作。
这里的和函数是指初等或基本初等函数。当幂级数不是标准的初等函数展开式时,通常利用幂级数在收敛区间上的逐项可积或逐项可导性质,将其整理成标准的形式。给出和函数以后,再利用积分或导数还原。
我思考了下maybe是我们平时没有背那么多泰勒级数展开式(狗头)
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