Практическое моделирование

и другие вопросы разработки нефтяных месторождений
math

Ряд Тейлора

Определение

Предположим, что функция f(x) имеет непрерывную производную порядка n в интервале a<=x<=b, тогда интегрирование даст следующее понижение порядка,

    \[ \int_a^x f^{(n)} dx = f^{(n-1)}(x) \bigg |_a^x = f^{(n-1)}(x) - f^{(n-1)}(a)\]

Повторим интегрирование полученного результата,

    \[ \int_a^x \left ( \int_a^x f^{(n)} dx \right ) = \int_a^x f^{(n-1)}(x) \, dx - \int_a^x \underbrace{f^{(n-1)}(a)}_{const}\, dx =\]

    \[ = f^{(n-2)}(x) \bigg |_a^x - f^{(n-1)}(a) \bigg |_a^x = f^{(n-2)}(x) - f^{(n-2)}(a) - (x-a) \cdot f^{(n-1)}(a)\]

И еще раз,

    \[ \int_a^x \left ( \int_a^x \int_a^x f^{(n)} dx \right ) = f^{(n-3)}(x) \bigg |_a^x - f^{(n-2)}(a)\bigg |_a^x - \int_a^x (x-a) \cdot f^{(n-1)}(a) dx = \]

    \[ \underbrace{f^{(n-3)}(x) - f^{(n-3)}(a) - (x - a) \cdot f^{(n-2)}(a)}_{prev} - (x-a) \cdot f^{(n-2)}(x)- f^{(n-1)}(a) \frac{(x-a)^2}{2} \]

Наконец, после n кратного интегрирования можно добраться и до самой функции,

    \[ \int...\int f^{(n)} (dx)^n = f(x) - f(a) - (x-a) f'(a) - \frac{(x-a)^2}{2!}f''(a)-...-\frac{(x-a)^{n-1}}{(n-1)!}f^{(n-1)}(a)\]

Вложенный интеграл слева называется остаточным членом,

    \[R_n = \int...\int f^{(n)} (dx)^n\]

Привлекая теорему о среднем значении,

    \[ \int_a^x g(x) \, dx = (x - a) g(\xi)\]

где a <= \xi <= x, получим запись остаточного члена в форме Лагранжа

    \[R_n = \frac{(x-a)^{n}}{n!}f^{(n)}(\xi)\]

Тогда ранее выполненные преобразования, запишутся как

    \[ f(x) = f(a) + (x-a) f'(a) + \frac{(x-a)^2}{2!}f''(a)+...+\frac{(x-a)^{n-1}}{(n-1)!}f^{(n-1)}(a) + R_n\]

Заметим, что это выражение точное. Оно содержит все члены и при его получении не делалось никаких предположений. Вопрос о сходимости полученного ряда также не возникает, так как он конечен. Задача заключается только в выяснении величины остаточного члена.

Если,

    \[\lim_{n \to \infty}R_n = 0\]

то полученное разложение в ряд называется рядом Тейлора,

    \[f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(x-a)^{n}}{n!}f^{(n)}(a)\]

От точки a, зависит область сходимости ряда Тейлора. При выборе в качестве точки a = 0, получим ряд Маклорена.

    \[f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^{n}}{n!} \cdot f^{(n)}(0)\]

Для примера, разложим в ряд Маклорена функцию f(x) = e^x.

Находим последовательные производные функции и значения в выбранной точке разложения,

    \[f(x) = e^x, f(0) = 1 \]

    \[f'(x) = e^x, f'(0) = 1 \]

    \[f''(x) = e^x, f''(0) = 1 \]

    \[f'''(x) = e^x, f'''(0) = 1 \]

Получим следующее разложение в ряд,

    \[e^x = 1 + \frac{x}{1} + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + ... + \frac{x^n}{n!} = \sum_{n = 0}^\infty \frac{x^n}{n!} \]

Следующий пример. Разложим в ряд функцию f(x) = \ln (1 + x).

    \[f(x) = ln(1 + x), f(0) = 0 \]

    \[f'(x) = \frac{1}{1 + x}, f(0) = 1 \]

    \[f''(x) = -\frac{1}{(1 + x)^2}, f(0) = -1 \]

    \[f'''(x) = \frac{2}{(1 + x)^3}, f(0) = 2 \]

    \[f''''(x) = -\frac{2 \cdot 3}{(1 + x)^4}, f(0) = 6 \]

Получим,

    \[ln(1+x) = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \frac{x^4}{4} + ... = \sum_{n = 1}^\infty (-1)^{n-1} \frac{x^n}{n} \]

Решение дифференциальных уравнений с помощью рядов

Функция f называется аналитической в точке x_0, если f(x) раскладывается в степенной ряд в некотором интервале (x_0-h; x_0+h) относительно точки x_0. В этом интервале,

    \[f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} a_n \cdot (x-x_0)^n\]

где a_n это коэффициенты ряда Тейлора,

    \[a_n = \frac{1}{n!} \cdot f^{(n)}(x_0) \]

Для решения обыкновенных дифференциальных уравнений, с заданными начальными условиями, можно применить следующие две теоремы.

Если p и q аналитичны в точке x_0, тогда дифференциальное уравнение вида

    \[ y' + p(x) y = q(x)\]

    \[ y(x_0) = y_0\]

имеет единственное решение, которое аналитично в точке x_0.

Если p, q и f аналитичны в точке x_0, тогда дифференциальное уравнение вида

    \[ y'' + p(x) y' + q(x) y = f(x)\]

    \[ y(x_0) = A\]

    \[ y'(x_0) = B\]

также имеет единственное решение, которое аналитично в точке x_0.

Решение подобных уравнений с аналитическими коэффициентами заключается в подстановке,

    \[y = \sum_{n=0}^{\infty} a_n \cdot (x-x_0)^n\]

в исходное уравнение и попытке определить чему равны коэффициенты a_n.

Для решения линейного уравнения, чаще всего проще считать коэффициенты a_n неопределенными и непосредственно подставлять следующий ряд,

    \[y = \sum_{n=0}^{\infty} a_n \cdot x^n\]

в дифференциальное уравнение, приравнивая коэффициенты стоящие при одинаковых степенях x попытся найти значения коэффициентов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *