第十一章第四节函数展开成幂级数

§11.5 函数展开成幂级数一、泰勒级数如果f x ()在x x =0处具有任意阶的导数，我们把级数+-++-''+-'+n n x x n x f x x x f x x x f x f )(!)()(!2)()(!1)()(00)(200000 (1)称之为函数f x ()在x x =0处的泰勒级数。

它的前n +1项部分和用s x n +1()记之，且s x f x k x x n k kk n+==-∑1000()()!()()这里：0!1000==,()()()f x f x 由上册中介绍的泰勒中值定理，有f x s x R x n n ()()()=++1当然，这里R x n ()是拉格朗日余项，且R x f n x x n n n x x ()()()!()()()=+-++10101ξξ在与之间。

由R x f x s x n n ()()()=-+1有lim ()lim ()()n n n n R x s x f x →∞→∞+=⇔=01。

因此，当lim ()n n R x →∞=0时，函数f x ()的泰勒级数f x f x x x f x x x fx n x x n n ()()!()()!()()!()()0000020012+'-+''-++-+就是它的另一种精确的表达式。

即f x f x f x x x f x x x f x n x x n n ()()()!()()!()()!()()=+'-+''-++-+0000020012这时，我们称函数)(x f 在0x x =处可展开成泰勒级数。

特别地，当00=x 时，+++''+'+=nn x n f x f x f f x f !)0(!2)0(!1)0()0()()(2这时，我们称函数)(x f 可展开成麦克劳林级数。

函数展成幂级数的公式(一)函数展成幂级数的公式1. 泰勒级数公式：泰勒级数是函数展开成幂级数的一种方式，可以表示为：f(x)=∑f(n)(a) n!∞n=0(x−a)n其中 $ f^{(n)}(a) $ 表示函数 $ f(x) $ 在点 $ a $ 处的 $ n $ 阶导数。

举例：考虑函数 $ f(x) = e^x $，假设我们要在点 $ a = 0 $ 处展开泰勒级数。

根据泰勒级数公式，我们可以将 $ e^x $ 展开为：e x=∑e0 n!∞n=0x n=∑x nn!∞n=0这样我们就得到了 $ e^x $ 的幂级数展开形式。

2. 麦克劳林级数公式：麦克劳林级数是泰勒级数在 $ a = 0 $ 处展开的特殊情况，可以表示为：f(x)=∑f(n)(0) n!∞n=0x n举例：考虑函数 $ f(x) = (x) $，我们可以使用麦克劳林级数将其展开。

首先，计算 $ f(0) = (0) = 0 $，以及$ f’(0) = (0) = 1 $。

然后，利用麦克劳林级数公式，展开 $ f(x) = (x) $：sin(x)=∑f(n)(0) n!∞n=0x n=∑x2n+1(−1)n(2n+1)!∞n=0这样我们就得到了 $ (x) $ 的幂级数展开形式。

3. 泊松级数公式：泊松级数是一种特殊的幂级数，用于展开函数 $ f(x) $ 的某些特殊形式，可以表示为：f(x)=∑c n∞n=0(x−a)n其中 $ c_n $ 是级数中的系数。

举例：考虑函数 $ f(x) = (1+x) $，我们可以使用泊松级数将其展开。

首先，计算 $ f(0) = (1+0) = 0 $，以及$ f’(x) = $，进而计算$ f’(0) = 1 $。

然后，利用泊松级数公式，展开 $ f(x) = (1+x) $：ln(1+x)=∑c n∞n=0x n为确定系数 $ c_n $，我们对$ f’(x) = = _{n=0}^{}c_n(n+1)x^n $ 进行展开。

201第四节 函数展开成幂级数一、泰勒级数前面讨论了这样一个问题，对于给定的幂级数，求出其收敛域并确定其和函数的性质，并在可能时求出和函数的表达式。

这节我们讨论该问题的反问题：给定函数()x f ，要考虑它是否能在某个区间内“展开成幂级数”，即是否能找到这样一个幂级数，它在某区间内收敛，且其和恰好就是给定的函数()x f 。

（如果能够找到这样的幂级数，就说()x f 在该区间内可展开成幂级数。

）解决这个问题有很重要的应用价值，因为它给出了函数()x f 的一种新的表达方式，并使我们可以用简单函数——多项式来逼近一般函数()x f 。

在第三章中我们已经学过泰勒公式：若函数()x f 在点0x 的某一邻域内具有直到()1+n 阶的导数，则在该邻域内()x f 的n 阶泰勒公式：()()()()()() +-''+-'+=200000!2x x x f x x x f x f x f()()()()x R x x n x f n n n +-+00!(1)成立，其中()x R n 为拉格朗日型余项。

()()()()()101!1++-+=n n n x x n f x R ξ（之间与在x x 0ξ）如果令00=x ，就得到马克劳林公式：()()()()()()()x R x n f x f x f f x f n nn +++''+'+=!0!20002（2）202此时，()()()()11!1+++=n n n x n x f x R θ（10<<θ）公式说明，任一函数只要有直到()1+n 阶的导数，就可等于某个n 次多项式与一个余项的和。

下列幂级数()()()()() +++''+'+nn x n f x f x f f !0!20002（3）我们称为马克劳林级数。

那么它是否以函数()x f 为和函数呢？ 若令马克劳林级数（3）的前1+n 项和为()x s n 1+，即()()()()()()nn n x n f x f x f f x s !0!200021++''+'+=+那么，级数（3）收敛于函数()x f 的条件为()()x f x s n n =+∞→1lim由马克劳林公式与马克劳林级数的关系，可知()()()x R x s x f n n +=+1于是，当()0lim =∞→x R n n 时，有()()x f x s n n =+∞→1lim 。

考研数学指导将函数展开为幂级数的方
法
2015年考研复习已经开始，现在正值考研初期复习，数学作为考研必考的重要科目，针对考生需求，太奇考研小编为即将考研的朋友编辑整理了“2015考研数学初期复习指导：将函数展开为幂级数的方法”，希望对广大考友有所帮助!
将函数展开成幂级数的方法主要有两种：直接展开法和间接展开法。

直接展开法指的是：利用泰勒级数的定义及泰勒级数收敛的充要条件，将函数在某个区间直接展开成指定点的泰勒级数的方法。

间接展开法指的是：通过一定运算将函数转化为其他函数，进而利用新函数的幂级数展开式将原来函数展开为幂级数的方法。

所用运算主要是加法运算，数乘运算，(逐项)积分运算和(逐项)求导运算。

常见函数的麦克劳林级数展开式为：
下面举例帮大家巩固以上知识点：。

函数的幂级数展开函数的幂级数展开是解析学中的重要内容之一，通常也被称为泰勒级数或者麦克劳林级数。

它是一个无穷级数，可以将某些函数表示为一个多项式的和，从而方便了数学分析和计算机数值分析。

函数的幂级数展开由于其普适性和可求解性，被广泛地应用于数学、物理、工程、计算机等学科领域。

函数的幂级数展开是指把某些函数用一个无穷级数表示为：$f(z) = \sum_{n=0}^{\infty} a_n(z-z_0)^n$其中，$f(z)$是一个函数，$a_n$是实数或复数，$z$和$z_0$是复数。

$z_0$通常被称为展开点，$a_n$称为函数在展开点$z_0$处的$n$阶导数，级数$\sum_{n=0}^{\infty}a_n(z-z_0)^n$称为函数$f(z)$在$z_0$处的幂级数展开。

特别地，当$z_0=0$时，展开点称为原点，函数在原点处的幂级数展开也称为泰勒级数或麦克劳林级数。

二、泰勒级数和麦克劳林级数如果$f(z)$在$z_0$处有$n$阶导数，则可以将其展开为$n$阶泰勒级数：其中，$f^{(n)}(z_0)$表示$f(z)$在$z_0$处的$n$阶导数，$o$表示小量，$N$表示级数展开的阶数。

特别地，当$z_0=0$时，展开点称为原点，此时泰勒级数化为麦克劳林级数：三、幂级数收敛条件幂级数的收敛半径$\rho$可以通过以下公式得到：$\rho = \dfrac{1}{\limsup\limits_{n \rightarrow \infty} \sqrt[n]{|a_n|}}$当幂级数的收敛半径$\rho = 0$时，级数在$z=z_0$处不一定收敛；当$\rho=+\infty$时，级数在任何复数$z$处都收敛；当$0 < \rho < +\infty$时，级数在展开点$z_0$的半径为$\rho$的圆盘内收敛，在其外部则不一定收敛。

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