函数的幂级数的展开与技巧
初等函数的幂级数展开
f (x) 3!a3 n (n 1)(n 2)an (x x0 )n3 ，
lim
n
Rn
(
x)
0
，其中
Rn
(
x)
为拉格朗日余项，即
Rn (x) f (x) [a0 a1(x x0 ) a2 (x x0 )2
an (x
x0 )n ]
f n1( ) (x
(n 1)!
x0 )n1
．
1.2 函数展开成幂级数的方法
1．直接展开法
利用泰勒或麦克劳林展开式把初等函数展开成幂级数的方法称为直接展开法．用直接展 开法将函数 f (x) 展开成 x 的幂级数的步骤如下．
x)
1 2(3
x)
1
4 1
பைடு நூலகம்
x 1 2
1
81
x
1 4
，
1
(1)n xn 1 x x2 x3
(1)n xn
(1 x 1) ，
1 x n0
1
1 x
1
(1)n
n0
(x 1)n 2n
1
x
2
1
1
，
2
1
1 x
1
(1)n
n0
(x 1)n 4n
1
x
4
1
1
，
4
1.2 函数展开成幂级数的方法
解 f (x) 的各阶导数为
f (x) m(1 x)m1 ， f (x) m(m 1)(1 x)m2 ，
高等数学(下册)第7章第6讲函数的幂级数展开
sin x x 1 x3 1 x5 (1)n 1 x2n1 x (,) .
3! 5!
(2n 1)!
12
二、 函数的幂级数展开
2.间接展开法
间接展开法, 就是利用已知函数的幂级数展开式, 通过幂级 数运算（如四则运算、逐项求导、逐项积分等）以及变量代换等, 获得所求函数的幂级数展开式.这种方法不但计算简单, 而且可以 避免研究余项.由于函数的幂级数展开式是唯一的, 因此间接法与 直接法展成的幂级数是一致的.
2
f (n) (0) 顺序循环地取 0,1,0，1， (n 0，1,2,3，) ,
于是得到麦克劳林级数
x 1 x3 1 )!
它的收敛半径为 R , 因而此幂级数处处收敛.
11
二、 函数的幂级数展开 例 1 将函数 f (x) sin x 展开成 x 的幂级数.
f
( x0 2!
)
(
x
x0
)
2
f
(n) ( x0 n!
)
(
x
x0
)n
n0
f
(n) ( x0 n!
)
(x
x0
)n
称为函数 f (x) 在点 x0 处的泰勒级数,
特别地, 函数 f (x) 在 x0 0 处的泰勒级数
f (0) f (0)x f (0) x2 f (n) (0) xn f (n) (0) xn
第二步 求出函数 f (x) 及其各阶导数在 x 0处的值 f (0), f (0), f (0),, f (n) (0), ；
第三步 写出 f (x) 的麦克劳林级数
f (x) ~ f (0) f (0)x f (0) x2 f (n) (0) xn ,
11-5函数展开成幂级数
an
f ( n) (0) n!
n 2k 0, ( k 0,1, 2, ) k ( 1) , n 2k 1 ( 2k 1)!
k 2k 1
x , 2 sin x ~ ( 1) ( 2k 1)! k 0
收敛半径 R .
3° x ( , ), 余项满足
?
答：不一定.
反例：
1 x2 , f ( x ) e 0,
x0 x0
且 f ( n ) (0) 0 ( n 0,1,2,) 在 x = 0点任意可导,
f ( x )的麦克劳林级数为 0 x
n 0 n
该级数在( ,)内收敛，且其和函数S ( x ) 0.
三、函数展开成幂级数的方法
展开方法
直接展开法 — 用泰勒公式
间接展开法 — 用已有展开式
1. 直接展开法
f ( x ) 展开成x的幂级数的步骤：
1º求 f (n)(x) , f (n)(0) , n = 0, 1, 2, · · ·; 2º 写出幂级数
n
f ( n ) ( 0) n x , 并求收敛半径 R ; n! n 0
例3 将
展开成 x 的幂级数
(m: 任意常数) .
解 1 f (0) 1, f (0) m ,
f (0) m( m 1) ,
f ( n ) (0) m( m 1)( m 2) ( m n 1) ,
2° 麦克劳林级数
m( m 1)( m n 1) n m( m 1) 2 F ( x ) 1 mx x x n! 2! x (1,1) an n1 R lim lim 1 n a n 1 n m n
幂级数展开与求和方法
幂级数展开与求和方法幂级数在数学领域中扮演着重要的角色，它是一种无穷项级数，通常用来表示函数。
幂级数展开是指将一个函数表示成一列幂函数相加的形式。
在本文中，我们将探讨幂级数的展开和求和方法。
幂级数的定义幂级数是形如 $a_0 + a_1x + a_2x^2 + a_3x^3 + \\cdots$ 的无穷级数，其中 $a_0, a_1, a_2, \\ldots$ 是常数系数，x是自变量。
通常幂级数可表示为$\\sum_{n=0}^{\\infty} a_nx^n$。
幂级数展开幂级数展开是将一个函数表达为幂级数的形式。
常见的幂级数展开包括泰勒级数展开和麦克劳林级数展开。
泰勒级数展开是将函数在某点附近展开成幂级数，而麦克劳林级数展开是将函数在x=0处展开成幂级数。
泰勒级数展开对于一个函数f(x)，其在x=a处的泰勒级数展开可表示为：$$f(x) = \\sum_{n=0}^{\\infty} \\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n$$其中f(n)(a)表示f(x)在点a处的n阶导数。
麦克劳林级数展开将函数f(x)在x=0处展开成幂级数，得到麦克劳林级数展开：$$f(x) = \\sum_{n=0}^{\\infty} \\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n$$幂级数求和方法对于给定的幂级数 $\\sum_{n=0}^{\\infty} a_nx^n$，我们通常需要求解其收敛域以及求和。
求解幂级数的收敛域可以使用收敛半径公式来确定。
收敛半径公式对于幂级数$\\sum_{n=0}^{\\infty} a_nx^n$，收敛半径R可以通过公式计算：$$R = \\frac{1}{\\limsup_{n \\to \\infty} |a_n|^{1/n}}$$幂级数求和一般地，幂级数存在收敛域，并可在其内部对幂级数进行求和。
常用方法包括逐项积分法、逐项求导法和代入法等。
逐项积分法：对于幂级数 $\\sum_{n=0}^{\\infty} a_nx^n$，首先求出其逐项积分得到 $\\sum_{n=0}^{\\infty} \\frac{a_n}{n+1}x^{n+1}$，然后根据积分范围进行修正。
第四节函数的幂级数展开简
1.求出f (x)的各阶导数 f (x), f (x),, f (n) (x),,
2.计算 f (x0), f (x0), f (x0),, f (n) (x0),,
3.写出 f (x)在x0 处的泰勒级数
1
n0n!
f
(n)
( x0
)( x
x0
)n
4.求出上述泰勒级数的收敛区间(－R, R)，
解 由 ex 1 x 1 x2 1 xn , x (,)
2!
n!
将x 换成 x2 可得函数的幂级数展开式.
ex2 1 x2 1 x4 (1)n x2n , x (,)
2!
n!
例 求 f (x) ln x 在 x0 3 处的展开式.
泰勒级数展开的唯一性 设f (x)在 x0的某对称区间 (R x0, R x0)内可以 展开成 (x x0)的幂级数 f (x) a0 a1(x x0) a2(x x0)2 an(x x0)n ， 将上式逐阶求导，有
f (x) a1 2a2(x x0) 3a3(x x0)2 nan(x x0)n1 ， f (x) 2!a2 3 2a3(x x0) n(n 1)an(x x0)n2 ， f (x) 3!a3 n(n 1)(n 2)an (x x0)n3 ，
lim
n
Sn
(
x)
f (x)
的充分必要条件是
lim
n
rn
(
x)
0
也即当
lim
n
rn
(
x)
0
时,有
精选数学分析函数的幂级数展开讲解讲义
,
f (n)(0) (1)n1(n 1)! ,
所以 ln(1 x)的麦克劳林级数是
x x2 x3 x4 (1)n1 xn .
(5)
234
n
用比式判别法容易求得级数(5)的收敛半径 R 1, 且 当 x 1 时收敛, x 1 时发散, 故级数(5)的收敛域 是 (1, 1]. 下面讨论在 (1, 1] 上它的余项的极限. 当 0 x 1 时, 对拉格朗日型余项, 有
x n1 (0
1).
显见
|
Rn (
x)
|
e|x| (n 1)!
|
x
|n1
.
y
对任何实数 x, 都有
6
lim e|x| | x |n1 0,
4
n (n 1)!
2
因而
lim
n
Rn
(
x)
0.
1 O 2
y ex
(n 2) (n 0)
1
2x
ex 1 1 x 1 x2 1 xn , x (, ).
x)(1
)n
x n1 , 0
1.
二、初等函数的幂级数展开式
例2 求k次多项式函数 f ( x) c0 c1x c2 x2
的幂级数展开式. 解 由于
ck xk
f
(
n
)
(0)
n!cn , 0,
n k, n k,
总有
lim
n
Rn
(
x
)
0,
因而
f ( x) f (0) f (0)x f (0) x2 2!
充分条件是: 对一切满足不等式 | x x0 | r的 x , 有
lim
函数的幂级数展开式
函数的幂级数展开式幂级数是一种将函数表示为无限多个幂次项相加的方法。
它在数学和工程领域中有着广泛的应用，例如在微积分、微分方程、信号处理和多项式插值等方面。
幂级数展开式将函数表示为无限多个幂次项的和，其形式通常如下：f(x)=a0+a1*(x-x0)+a2*(x-x0)^2+a3*(x-x0)^3+...其中，f(x)是要展开的函数，a0、a1、a2、a3...是待定系数，x0是展开点。
幂级数展开的思想是通过将函数用展开点处的函数值及其各阶导数表示，来逼近原函数。
根据函数的性质和需求的精确度，可以选择合适的展开点和阶次。
许多函数都可以通过幂级数展开来表示。
例如，正弦函数和余弦函数的幂级数展开为：sin(x) = x - (x^3)/3! + (x^5)/5! - (x^7)/7! + ...cos(x) = 1 - (x^2)/2! + (x^4)/4! - (x^6)/6! + ...指数函数和对数函数的幂级数展开为：exp(x) = 1 + x + (x^2)/2! + (x^3)/3! + (x^4)/4! + ...ln(1 + x) = x - (x^2)/2 + (x^3)/3 - (x^4)/4 + ...幂级数展开的优点是可以使用少量的项来近似表示复杂的函数。
通常情况下，越多的项被保留，展开后的函数越接近原函数。
通过截取适当的阶次，可以有效地求解一些无法直接求解的问题。
例如，当需要计算一个不可积的函数的定积分时，可以将该函数展开为幂级数，然后对每一项进行积分，最后得到的幂级数在展开点附近的部分进行积分，从而得到原函数的近似积分值。
幂级数还具有良好的代数性质。
可以对幂级数进行加法、乘法、求导和求积等操作，从而可以将复杂的函数运算简化为对幂级数的操作。
这使得幂级数展开成为一种重要的工具，在许多数学和工程问题的求解中起到关键作用。
总之，幂级数展开是一种将函数表示为无限多个幂次项的和的方法。
函数的幂级数展开公式
函数的幂级数展开公式
（1）函数的幂级数展开介绍
函数的幂级数展开指的是按不断次幂展开一个函数，得到一系列有限
项的展开式。
函数的幂级数展开可以对复杂函数进行简单化，反映函数在
特定点的行为，并且也可以进行解析计算解决一些求积问题，因此函数的
幂级数展开得到了广泛的应用。
（2）基本步骤
（2）然后，在确定函数分解后，需要对每一个因子进行幂级数展开，该展开式的系数可以通过利用积分求得。
（3）最后，将每一个因子的幂级数展开后得到的结果相加，就可以
得到函数的幂级数展开式了。
（3）例题
例子：求函数f(x)=e^(3x)-2e^x+1的幂级数展开式
解：根据上面的步骤，我们首先对f(x)进行函数分解
第二步，对每一个因子进行幂级数展开，有：
e^(3x)=1+3x+9/2x^2+27/6x^3+...
e^x-1=x+x^2/2+x^3/6+...
最后，将每一个因子的幂级数展开后得到的结果相加，就可以得到函
数的幂级数展开式了，即
f(x)=1+3x+9/2x^2+27/6x^3+...+x^2/2+x^3/6+...。
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1引言函数的幂级数展开在高等数学中有着重要的地位，在研究幂级数的展开之前我们务必先研究一下泰勒级数，因为泰勒级数在幂级数的展开中有着重要的地位。
一般情况，我们用拉格朗日余项和柯西余项来讨论幂级数的展开，几乎不用积分型余项来讨论，今天我们的研究中就有着充分的体现。
2 泰勒级数泰勒定理指出：若函数f 在点0x 的某个邻域内存在直至n 阶的连续导数，则()()()()()()20''00002!x x f x f x f x x x f x -=+-+()()())00(!n nn x x f x R x n -+++ ， (1)这里()x R n =()()nx x o 0-称为皮亚诺型余项。
如果增加条件“()x f 有1+n 阶连续导数”，那么()x R n 还可以写成三种形式 ()()()()1101()1!n n n R x fx x n ξ++=-+ （拉格朗日余项）()()1(1)001[()]1!n n n f x x x x x n θθ++=+--- （柯西余项）()()0(1)1!x n nx f t x t dt n +=-⎰， （积分型余项） 如果在(1)中抹去余项()x R n ，那么在0x 附近f 可用(1)式中右边的多项式来近似代替。
如果函数f 在0x x =处有任意阶的导数，这时称形式为：()()()()()()()()20000000"'2!!n n f x f x f x f x x x x x x x n +-+-++-+(2)的级数为函数f 在0x 的泰勒级数，对于级数(2)是否能够在0x 附近确切地表达f ，或说f 在0x 泰勒级数在0x 附近的和函数是否就是f ，这是我们现在要讨论的问题。
下面我们先看一个例子：例1[]1 由于函数()=x f 21,0,0,0,x e x x ⋅-⎧⎪≠⎨⎪=⎩在0x x =处的任何阶导数都为0，即()(),,2,1,00 ==n f n 所以f 在0x =处的泰勒级数为：++++⋅+n x n x x !!20002， 显然，它在()+∞∞-,上收敛，且其和函数()0=x S ， 由此看到对一切0x =都有()()x S x f ≠，这说明具有任意阶导数的函数，其泰勒级数并不是都收敛于函数本身，只有()0lim =∞→x R n n时才能够。
在实际应用上主要讨论在00=x 的展开式。
这时（2）也可以写成()()()()() +++++nn x n f x f x f f !0!20!1002'''，称为麦克劳林级数。
3 函数的幂级数展开与技巧3.1一般的泰勒展开法（直接展开法）我们主要通过例题来表现幂级数的展开与技巧：首先用直接展开法讨论初等函数的幂级数展开形式。
通常有三种展开思路：1、统一用柯西余项来估计余项()n R x ；2、统一用积分余项来估计余项()n R x ；3、柯西余项（或积分余项）结合拉格朗日余项来估计余项()n R x 。
本文采用第二种思路。
例2 求k 次多项式()k k x c x c x c c x f ++++= 2210， ()N k ∈ 的展开式。
解：由于()()!,00,n k n c n k f n k ≤⎧=⎨>⎩总有()0lim =∞→x R n n ，因而()()()()()()''200002!!k k f f f x f f x x x k =++++2012k k c c x c x c x =++++，即多项式函数的幂级数展开就是它本身。
例3 求函数()x e x f =的展开式。
解：因为()()x n e x f =， ()()10=n f () ,2,1=n ，(,)x ∀∈-∞+∞有(1)1()()()!x n n n R x f t x t dt n +=-⎰0110!!nxn t xxe x dt e n n ≤=-→⎰， ()n →∞； 从而+++++=n x x n x x e !1!21!1112， ()+∞∞-∈,x 。
例4 求函数()x x f sin =的展开式。
解：由于()()⎪⎭⎫ ⎝⎛+=2sin πn x x f n ， ,2,1=n ，(,)x ∀∈-∞+∞有(1)01()()()!x n n n R x f t x t dt n +=-⎰ 011sin()()!2x n n t x t dt n π+≤+-⎰011!xn x dt n ≤⋅⎰10!n x n +≤→，()n →∞；所以 ()x x f sin =在()+∞∞-, 内能展开为麦克劳林级数：()() +--+++-=-+!121!5!3sin 12153n x x x x x n n ；同样可证（更简单的方法是对上面sin x 的展开式逐项求导）：()() +-+++-=!21!4!21cos 242n xx x x nn 。
例5[]1 求函数()()ln 1f x x =+的展开式。
解：注意到，函数()()ln 1f x x =+ 的各阶导数是()()()()()nn n x n x f +--=-1!111， 从而()()()()1011!n n f n -=--，(1,1)x ∀∈-有(1)01()()()!x n nn R x f t x t dt n +=-⎰ 11(1)!(1)()!n x n n n t x t dt n --=-⋅+-⎰01()11xn x t dt x t -=++⎰；注意到，当[0,]t x ∈或[,0]x 时，1x tt-+不变符号且关于变量t 单调，因此1x t t -+总是在0t =时取最大值nx ，从而1()ln(1)01xnn n R x xdt x x t≤=+→+⎰，()n →∞； 所以f 的麦克劳林级数是()()()234111234ln nn x x x x f x x x n-=+=-+-++-+， (3)用比式判断法容易求得(3)的收敛半径1=R ，且当1=x 时收敛，1-=x 时发散，故级数域(1,1]-。
将(3)式中x 换成1-x 就得到函数 ()ln f x x =在1=x 处的泰勒展开式：()()()()()()23111111123ln n n x x x x x n-----=--+++-+，它的收敛域为(0,2]。
例6 讨论：二项式函数()()1mf x x =+展开式。
解：当m 为正整数时，有二项式定理直接展开得到f 的展开式，这已经在前面例2中讨论过了。
下面讨论m 不等于正整数时的情形，这时：()()()()()111m nn f x m m m n x -=--++，1,2,n =，()()()()011n f m m m n =--+，1,2,n =；于是()x f 的麦克劳林级数是()()()()2111112!!mn m m m m m n x mx x x n ---++=+++++， (4)运用比式判别法可得(4)的收敛半径1=R 。
设*m N ∉（由二项式定理易证*m N ∈的情形），(1,1)x ∀∈-有(1)1()()()!x n n n R x f t x t dt n +=-⎰101(1)()(1)()!xm n n m m m n t x t dt n --=--+-⎰10(1)()()(1)!1xnm m m m n x t t dt n t----=⋅++⎰10(1)()(1)!xnm m m m n x t dt n ---≤⋅+⎰()1(1)()1!mn x m m m n x n m m+--=⋅-0→，()n →∞。
由比式判别法知级数(1)()!n m m m n x n --∑收敛，故通项(1)()!nm m m n xn --趋于0,因此lim ()0n n R x →∞=。
所以，在()1,1-上有 ()()()()2111112!!mn m m m m m n x mx x x n ---++=+++++， (5)对于收敛区间端点的情形，它与m 的取值有关，其结果如下：当1m ≤时，收敛域为()1,1-；当10m -<<时，收敛域为(]1,1-；当0m >时，收敛域为[]1,1-；在(5)式中，令1m =-就得到()()1,1,11112-+-+++-=+ n nx x x x， (6) 当12m =-时，得到(]1,1,65432143212111132-+⨯⨯-⨯+-=+ x x x x。
(7) 例7 以2x 与2x -分别代入(6) (7)得到()()1,1,11112422-+-+++-=+ n nx x x x， (8) (]1,1,6543214*********422-+⨯⨯+⨯++=- x x x x ， (9) 对于(8) (9)分别逐项可积，可得函数x arctan 与x arcsin 的展开式20arctan 1xdt x t =+⎰()252113521n nx x x x n +=-+++-++，[1,1]-，arcsin xx =⎰357113135232452467x x x x =++⋅⋅+⋅⋅⋅()()[]2121!!,1,12!!21n n x x n n +-+++∈-+。
这说明，熟悉某些初等函数的展开式，对于一些函数的幂级数展开是极为方便的，特别是上面介绍的基本初等函数的结果，对于用间接方法求幂级数展开式特别有用。
3.2 通过变形、转换、利用已知的展开式例8 将函数()()243ln f x x x =++展开式x 的幂级数并指出收敛半径。
分析：将()x f 变为()ln 1x +的形式。
解：因为()()243ln f x x x =++()()1ln 3x x =++()()ln 3ln 1x x =+++()ln 31ln 13x x ⎛⎫=+++ ⎪⎝⎭()ln 3ln 1ln 13x x ⎛⎫=++++ ⎪⎝⎭()113ln 113n nn x n +∞=⎛⎫=+- ⎪+⎝⎭∑()1111nn n x n ∞+=+-+∑ ()1110113313n 1l n nn n n x n +∞++=+=+-⋅+∑，1R =。
例9 求21x y -=的麦克劳林展开式（至含6x 的项）。
解：由于()()21112!mm m x mx x -+=+++()()11!n m m m nx n --+++，故y =()()()23222111111111(1)(1)(2)22!223!222x x x =+-+--+---+24611112816x x x =---+，因021>=m 故收敛区间为[]1,1-。