Дифференциальное исчисление (стр. 19 )

=1+u+u2+o(x5). Подставляя нужные выражения в это равенство, получим =1+++=1+

Пример 5. Используя разложение из предыдущего примера, разложить функцию f(x)=tg x по формуле Тейлора с остатком Пеано по степеням x до x6 включительно.

tg x===

x+x2(0)+x3+x4(0)+x5+x6(0)+o(x6)=

=.

Пример 6. Разложить функцию f(x)=(1+x)? - (1 - x)? по формуле Тейлора с остатком Пеано.

k = 2l+1,

Таким образом,

Следствие. .

Пример 7. Используя следствие из предыдущего примера, найти предел

.

Имеем: =|x|= sign x +o().

Пример 8. Разложить функцию f(x)= по формуле Тейлора с остатком Пеано по степеням x до x4 включительно.

Сначала выпишем разложение функции по степеням x до x3 включительно.

Положим u=x - x2 , тогда ==1+u+u2+u3+o(u3) = 1+ x - x2+(x – x2)2+(x – x2)3+o(x3)=1+x – x3 +o(x3). Далее,

==1+2x(1+x–x3+o(x3))=1+2x+2x2-2x4+o(x4).

Второй способ. Так как  , то на первом шаге выделяем единицу:

=. Второе слагаемое представляем в виде Cxng2(x) так, чтобы ,  после чего следует представить функцию g2(x) в виде g2(x)= 1+g3(x) и т. д. В нашем случае:

====

==1+2x+

+=

=1+2x+2x2=1+2x+2x2-2x4+o(x4).

4.5.6. Формула Тейлора для четных и нечетных функций

Теорема 1. Если функция f(x) четна и существует f(2n+1)(0), то имеет место следующее разложение этой функции

.

Если функция f(x) нечетна и существует f(2n+2)(0), то имеет место следующее разложение этой функции

.

Теорема 2. Если функция f(x) четна и существует f(2n+2)(x) в некоторой окрестности U(0), то для x?U(0) справедливо равенство

,

где ??(0,x) или ??(x,0).

Если функция f(x) нечетна и существует f(2n+3)(xi в некоторой окрестности U(0), то для x?U(0) справедливо равенство

,

где ??(0,x) или ??(x,0).

Доказательство. Как уже отмечалось ранее, у четной функции все производные нечетного порядка являются нечетными функциями и, поэтому, они равны нулю с точке

f(2k+1)(0) = 0 , если f(x) четна.

Отсюда и получаются указанные формулы, если использовать многочлен Тейлора до порядка 2n+1 включительно. У нечетной функции все производные четного порядка будут нечетными функциями и

f(2k)(0) = 0 , если f(x) нечетна.

В этом случае необходимо использовать многочлен Тейлора до порядка 2n+2 включительно.

4.6 Исследования характера поведения функций

Исследование функций. Монотонность, экстремумы, выпуклость, точки перегиба, асимптоты.

4.6.1.Условие монотонности функции

Теорема 1. Для того, чтобы непрерывная на [a, b] и дифференцированная на (a, b) функция f(x) была постоянной на [a, b] н. и д., чтобы f?(x)?0 на (a, b).

См. следствие теоремы Лагранжа о конечных приращениях.

Теорема 2. Для того, чтобы непрерывная на [a, b], дифференцируемая на (a, b) функция f(x) была не убывающей ( не возрастающей ) на [a, b] н. и д., чтобы f?(x)?0 (f?(x)?0) на (a, b).

Доказательство. Необходимость

далее к перейти пределу.

Достаточность. Если x? < x??, то по теореме Лагранжа

f(x??) - f(x?)=f?(?)(x??- x?) откуда и следует требуемая монотонность.

Пример. Оценить погрешность приближения функции sin x многочленом третьей степени на отрезке [0, ?/2].

Рассмотрим функцию f(x) = sin x – x +x3/6. Имеем f?(x)=cos x – 1 + x2/2 и далее ? - 2, на [0, ?/2] . Отсюда следует, что функция f(x) монотонно возрастает на указанном отрезке и, таким образом, достигает максимума в точке ?/2. max |sin x – x +x3/6|=1 - ?/2 + ?3/48?0.075.

Теорема 3. Для того, чтобы непрерывная на [a, b], дифференцируемая на (a, b) функция f(x) была строго монотонно возрастающей (убывающей ) на [a, b] н. и д., чтобы f?(x)?0 (f?(x)?0) на (a, b) и чтобы не существовало промежутка [?, ?]?[a, b], на котором f?(x)?0.

Утверждение теоремы является непосредственным следствием теоремы 2.

Следствие. Для непрерывной на [a, b], дифференцируемой на (a, b) функции f(x) условие f?(x)>0 (f?(x)<0 ) на (a, b) влечет строгое монотонное возрастание (убывание).

Пример. Доказать, что для любого n функция

fn(x)=x(?/2-arctg nx) строго монотонно возрастает на [0, +?) и .

f?n(x) = -  arctg nx – = - g(nx), где g(u) = arctg u + .Имеем g?(u)=.

g(0)=0, g(+?)=?/2. Таким образом, g(nx) < ?/2 и, следовательно,  f?n(x) =  - g(nx) > 0.

Отсюда следует, что Для вычисления последнего предела воспользуемся правилом Лопиталя

4.6.2.Максимальные и минимальные значения функций ( экстремумы )

Определение. Пусть f(x) задана на [a, b] и x0?(a, b), x0 называется точкой локального максимума функции f(x), если в некоторой окрестности точки x0 выполнено неравенство f(x)? f(x0).

Строгий максимум, если в некоторой проколотой окрестности точки x0 выполнено неравенство f(x)< f(x0).

Аналогично определяются: минимум, строгий минимум.

Экстремум локальный: в точке локальный минимум или локальный максимум.

Экстремум строгий: в точке строгий локальный минимум или строгий локальный максимум. Это можно сформулировать, как сохранение знака приращения функции f(x) – f(x0) в некоторой проколотой окрестности точки x0 .