Matematika/Makloreno eilutės

Iš testwiki.
Pereiti į navigaciją Jump to search

Išvardinti kelių svarbių Makloreno eilučių išplėtimai.

Eksponentinė funkcija:

ex=∑n=0∞xnn!=1+x+x22!+x33!+⋯ for all x.
eix=∑n=0∞(ix)nn!=1+ix+(ix)22!+(ix)33!+(ix)44!+(ix)55!+(ix)66!+(ix)77!+(ix)77!⋯=
=1+ix−x22!−ix33!+x44!+ix55!−x66!−ix77!⋯=cos⁡x+isin⁡x.

Natūrinis logaritmas:

ln⁡(1−x)=−(x+x22+x33+x44+x55+x66+⋯)=−∑n=1∞xnn for −1≤x<1.
ln⁡(1+x)=x−x22+x33−x44+x55−x66+...+(−1)nxnn+...=∑n=1∞(−1)n+1xnn for −1<x≤1.
  • Pavyzdžiui, kai x=0.1:
ln⁡(1+0.1)=ln⁡1.1=∑n=1∞(−1)n+10.1nn=
=0.1−0.122+0.133−0.144+0.155−0.166+0.177−0.188+0.199=
=0.09531017981349206349206349206349.
ln⁡|1.1|=
=0.09531017980432486004395212328077.
ln⁡(x)=(x−1)−(x−1)22+(x−1)33−(x−1)44⋯,kai0<x≤2.
ln⁡x=2⋅((x−1x+1)+13⋅(x−1x+1)3+15⋅(x−1x+1)5+⋯),kaix>0.
  • Pavyzdžiui, kai x=50:
ln⁡x=2⋅((50−150+1)+13⋅(50−150+1)3+15⋅(50−150+1)5+17⋅(50−150+1)7+19⋅(50−150+1)9+111⋅(50−150+1)11+113⋅(50−150+1)13+115⋅(50−150+1)15)=
=2⋅(0.960784313+0.295635414+0.163741783+0.107965074+0.07751587+0.058545329+0.045729178+0.036584514)=2⋅1.746501478=3.493002957.
ln⁡x=2⋅((50−150+1)+13⋅(50−150+1)3+15⋅(50−150+1)5+17⋅(50−150+1)7+19⋅(50−150+1)9+111⋅(50−150+1)11+113⋅(50−150+1)13+115⋅(50−150+1)15+
+117⋅(50−150+1)17+119⋅(50−150+1)19+121⋅(50−150+1)21+123⋅(50−150+1)23+125⋅(50−150+1)25)=3.600006127.
ln⁡50=2⋅((50−150+1)+13⋅(50−150+1)3+15⋅(50−150+1)5+17⋅(50−150+1)7+19⋅(50−150+1)9+111⋅(50−150+1)11+113⋅(50−150+1)13+115⋅(50−150+1)15+
+117⋅(50−150+1)17+119⋅(50−150+1)19+121⋅(50−150+1)21+123⋅(50−150+1)23+125⋅(50−150+1)25+127⋅(50−150+1)27+129⋅(50−150+1)29+131⋅(50−150+1)31+
+133⋅(50−150+1)33+135⋅(50−150+1)35+137⋅(50−150+1)37+139⋅(50−150+1)39+141⋅(50−150+1)41)=3.664129777.
ln⁡50=3.664129777+2⋅(143⋅(50−150+1)43+145⋅(50−150+1)45+147⋅(50−150+1)47+149⋅(50−150+1)49+151⋅(50−150+1)51+
+153⋅(50−150+1)53+155⋅(50−150+1)55+157⋅(50−150+1)57+159⋅(50−150+1)59+161⋅(50−150+1)61)=3.664129777+0.051209316=3.715339094.
ln⁡50=3.715339094+2⋅(163⋅(50−150+1)63+165⋅(50−150+1)65+167⋅(50−150+1)67+169⋅(50−150+1)69+171⋅(50−150+1)71+
+173⋅(50−150+1)73+175⋅(50−150+1)75+177⋅(50−150+1)77+179⋅(50−150+1)79+181⋅(50−150+1)81)=3.715339094+0.016400581=3.731739676.
Tuo tarpu skaičiuotuvo reikšmė yra ln⁡(50)=3.912023005.


Į šią formulę
ln⁡x=2⋅(x−1x+1+13⋅(x−1x+1)3+15⋅(x−1x+1)5+⋯),kaix>0.
įrašę 1+x1−x vietoje x, gauname, kad
x−1x+1=1+x1−x−11+x1−x+1=1+x−(1−x)1−x1+x+(1−x)1−x=2x1−x21−x=2x2=x.
Tada
ln⁡1+x1−x=2⋅(x+13⋅x3+15⋅x5+...+x2n+12n+1+...),kaix>0.


Ne begalinės geometrinės eilutės:

1−xm+11−x=∑n=0mxn for x≠1 and m∈ℕ0

Begalinės geometrinės eilutės:

11−x=∑n=0∞xn for |x|<1

Variantai begalinių geometrinių eilučių:

xm1−x=∑n=m∞xn for |x|<1 and m∈ℕ0
x(1−x)2=∑n=1∞nxn for |x|<1

Šaknis:

1+x=∑n=0∞(−1)n(2n)!(1−2n)(n!)2(4n)xn=1+12x−18x2+116x3−5128x4+… for −1<x≤1

Binomo eilutė (įskaitant šaknį alfai α = 1/2 ir begalinės geometrinės eilutės alfai α = −1):

(1+x)α=∑n=0∞(αn)xn for all |x|<1 and all complex α

su apibendrintais binominiais koeficientais

(αn)=∏k=1nα−k+1k=α(α−1)⋯(α−n+1)n!

Trigonometrinės funkcijos:

sin⁡x=∑n=0∞(−1)n(2n+1)!x2n+1=x−x33!+x55!−⋯ for all x
cos⁡x=∑n=0∞(−1)n(2n)!x2n=1−x22!+x44!−⋯ for all x
tan⁡x=∑n=1∞B2n(−4)n(1−4n)(2n)!x2n−1=x+x33+2x515+⋯ for |x|<π2
where the Bs are Bernoulli numbers.
sec⁡x=1cos⁡x=∑n=0∞(−1)nE2n(2n)!x2n for |x|<π2
arcsin⁡x=∑n=0∞(2n)!4n(n!)2(2n+1)x2n+1 for |x|≤1
arccos⁡x=π2−arcsin⁡x=π2−∑n=0∞(2n)!4n(n!)2(2n+1)x2n+1 for |x|≤1
arctan⁡x=∑n=0∞(−1)n2n+1x2n+1 for |x|≤1

Hiperbolinės funkcijos:

sinh⁡x=∑n=0∞x2n+1(2n+1)!=x+x33!+x55!+⋯ for all x
cosh⁡x=∑n=0∞x2n(2n)!=1+x22!+x44!+⋯ for all x
tanh⁡x=∑n=1∞B2n4n(4n−1)(2n)!x2n−1=x−13x3+215x5−17315x7+⋯ for |x|<π2
arsinh(x)=∑n=0∞(−1)n(2n)!4n(n!)2(2n+1)x2n+1 for |x|≤1
artanh(x)=∑n=0∞x2n+12n+1 for |x|<1

Lamberto W funkcija:

W0(x)=∑n=1∞(−n)n−1n!xn for |x|<1e

Skaičiai Bk esantis sudeties išpletime tan(x) ir tanh(x) yra Bernulio skaičiai. Ek išpletime sec(x) yra Eulerio skaičiai.

Įrodymas per Pitagoro teoremą

Bus per Pitagoro teoremą įrodyta, kad sinuso, kosinuso eilutės ir skaičiuotuvo reikšmės yra teisingos.

Iš pradžiu, paliginsime kalkuliatoriaus reikšme, tam tikram kampui k su sin⁡k Tailoro eilutės rezultatu. Tarkim, kampas k=60 laipsnių arba k=1,047197551 radianų. Tuomet kalkuliatoriaus reikšmė:

sin⁡k=sin⁡1.047197551=32=0.866025403.
sin⁡k=∑n=0∞(−1)n(2n+1)!k2n+1=k−k33!+k55!−k77!+k99!−...=
=1.047197551−1.04719755133!+1.04719755155!−1.04719755177!+1.04719755199!−1.0471975511111!=
=0.866025403.

Net po salyginai trumpos eilutės atsakymo tikslumas gavosi =>9 skaičiai po kablelio.

Kai kampas k=1 radianas, tada sin⁡k=sin⁡1=0,841470984.
sin⁡k=sin⁡1≈1−133!+155!−177!=1−16+1120−15040=0.841468254.
sin⁡k=sin⁡1=1−133!+155!−177!+199!=1−16+1120−15040+1362880=0.841471009.
sin⁡1=1−133!+155!−177!+199!−11111!=1−16+1120−15040+1362880−139916800=0.841470984.
cos⁡k=cos⁡1=∑n=0∞(−1)n(2n)!k2n=1−k22!+k44!−⋯=1−122!+144!−166!+188!=

=1−12+124−1720+140320=0.540302579. Kalkuliatoriaus reikšmė: cos⁡1=0.540302305.

Tariam, kad sin⁡k=b, o cos⁡k=1−a. Kampas k šioje užduotyje yra lygus 1 radianui (k=1). Tiesės a reikšmės gali būti nuo 0 iki 1. Tiesės b reikšmės gali būti nuo 0 iki 1.

Dabar toliau labai svarbu apčiupti bet kuriuos taškus ant apskritimo, kurio spindulys r=1, bet, kad tie taškai sujungtų daug trumpų tiesių taip, kad tos sujungtos tiesės labai primintų apskritimo lanko formą ir kad kiekviena tiesė nebūtų ilgesnė 3 kartus už betkurią kitą tiesę, kuri jungia bet kuriuos 2 taškus. Taigi, pradedame rinkti taškus ant Ox ašies: x1=1; x2=0.9; x3=0.8; x4=0.7; x5=0.6; x6=0.5; x7=0.4; x8=0.3; koordinatės x9 gali ir neprireikti, nes cos⁡1 negali būti labai maža reikšmė. Kiekvieno taško koordinatės ant apskritimo lanko bus užrašytos šitaip: (x1;y1), (x2;y2), (x3;y3), (x4;y4), (x5;y5), (x6;y6), (x7;y7). Dalį koordinačių jau galima užrašyti dabar: (1;y1), (0,9;y2), (0,8;y3), (0,7;y4), (0,6;y5), (0,5;y6), (0,4;y7). Likusią dalį koordinačių gausime pasinaudoję Pitagoro teorema:

y1=r2−x12=12−12=0;
y2=r2−x22=12−0.92=1−0.81=0.19=0.435889894;
y3=r2−x32=12−0.82=0.36=0.6;
y4=r2−x42=12−0.72=0.51=0.714142842;
y5=r2−x52=12−0.62=0.64=0.8;
y6=r2−x62=12−0.52=0.75=0.866025403;
y7=r2−x72=12−0.42=0.84=0.916515139.

Dabar žinome visų reikiamų taškų, esančių ant apskritimo lanko, koordinates: (1;0), (0,9;0,435889894), (0,8;0.6), (0,7;0.714142842), (0,6;0.8), (0,5;0.866025403), (0,4;0.916515139).

Jeigu kalkuliatorius suranda teisingai cos⁡k ir sin⁡k reikšmes, tai sudėję visus tiesių ilgius (šių tiesių ilgiai bus surasti), kuriuos sudaro taškai turėtume gauti kampą k .

Yra žinoma, kad atstumas h nuo vieno taško (x1;y1) iki kito taško (x2;y2) yra randamas pagal formulę:

h=(x1−x2)2+(y1−y2)2.
Todėl:
k1=(x1−x2)2+(y1−y2)2=(1−0.9)2+(0−0.19)2=0.01+0.19=0.2=0.447213595;
k2=(x2−x3)2+(y2−y3)2=(0.9−0.8)2+(0.19−0.6)2=0.12+(−0.164110105)2=

=0.01+0.026932126=0.036932126=0.192177331;

k3=(x3−x4)2+(y3−y4)2=(0.8−0.7)2+(0.6−0.51)2=0.12+(−0.114142842)2=

=0.023028588=0.151751733;

k4=(x4−x5)2+(y4−y5)2=(0.7−0.6)2+(0.51−0.8)2=0.12+(−0.085857157)2=

=0.017371451=0.131800802;

k5=(x5−x6)2+(y5−y6)2=(0.6−0.5)2+(0.8−0.75)2=0.12+(−0.066025403)2=

=0.014359353=0.119830521;

k6=(x6−x7)2+(y6−y7)2=(0.5−0.4)2+(0.75−0.84)2=0.12+(−0.050489735)2=

=0.012549213=0.112023271.

a1=(x1−x2)=1−0.9=0.1;
a2=(x2−x3)=0.9−0.8=0.1;
a3=(x3−x4)=0.8−0.7=0.1;
a4=(x4−x5)=0.7−0.6=0.1;
a5=(x5−x6)=0.6−0.5=0.1;
a6=(x6−x7)=0.5−0.4=0.1.

Matome, kad cos⁡1=0.540302305, bet sudėjus 5 dalis gaunama a=a1+a2+a3+a4+a5=0.1+0.1+0.1+0.1+0.1=0.5 arba sudėjus 6 dalis gaunama a=a1+a2+a3+a4+a5+a6=0.1+0.1+0.1+0.1+0.1+0.1=0.6 (todėl tikslingiau būtų skirstyti po 0,05 tiesę a, kad gautusi 0,55). Bet cos⁡k=1−a, todėl arba 1-0,5=0.5 arba 1-0.6=0.4. Su sinusu reikalai yra tokie sin⁡1=0.841470984.

b1=(y2−y1)=0.19−0=0.435889894;
b2=(y3−y2)=0.6−0.435889894=0.164110105;
b3=(y4−y3)=0.714142842−0.6=0.114142842;
b4=(y5−y4)=0,8−0.714142842=0.085857157;
b5=(y6−y5)=0.866025403−0.8=0.066025403;
b6=(y7−y6)=0.916515139−0.866025403=0,050489735.
b=b1+b2+b3+b4+b5=0,866025401.
b1+b2+b3+b4+b5+b6=0,916515136.

Matome, kad sudejus tik penkias dalis, gaunami atsakymai artimesni skaičiuotuvu gautai reikšmei nei sudėjus 6 dalis.

k=k1+k2+k3+k4+k5=0.447213595+0.192177331+0.151751733+0.131800802+0.119830521=1.042773983.
k1+k2+k3+k4+k5+k6=0.447213595+0.192177331+0.151751733+0.131800802+0.119830521+0.112023271=1.154797254.
Štai dar kalkuliatoriumi gautos reikšmės palygintos su per Pitagoro teoremą gautomis reikšmėmis:
a=cos⁡1.042773983=0.503826018 prieš 0,5.
b=sin⁡1.042773983=0.863805153 prieš 0,866025401.
a=cos⁡1.154797254=0.404103996 prieš 0,4.
b=sin⁡1.154797254=0.914713047 prieš 0,916515136.

Nuorodos