用Mathematica演示级数逼近的现象——幂级数

 时间:2024-11-06 09:39:08

这里,我们打算用Mathematica演示一下函数的级数展开式对于该函数的逼近现象。大家都知道,级数如果是收敛的话,那么项数越多,与对应的函数的误差越小;而Mathematica不仅能够求出函数的各种级数展开,还可以绘制级数的图像,并且能够动态的展示级数与函数的逼近情况!开始。

工具/原料

电脑

Mathematica

方法/步骤

1、先来求正弦函数sinx在x=0时的幂级数展开式,且使得级数式取到x^20项(20阶):Series[Sin[x],{x,0,20}]

用Mathematica演示级数逼近的现象——幂级数

2、用列表的形式,把sinx的前20阶的幂级数展开式表示出来:Table[Series[Sin[x],{x,0,n}],{n,1,20}]

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3、如果感觉有点乱,可以用Column进行排列:Table[Series[Sin[x],{x,0,n}],{n,1,20}]//Column这样观察起来就容易多了!

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4、我们把sinx的前20阶幂级数的余项去掉,便于作图:Tabl娣定撰钠e[Series[Sin[x],{x,扉钛笆哇0,n}],{n,1,20}]//Column//NormalTable[Series[Sin[x],{x,0,n}],{n,1,20}]//Normal//Column大家可以比较一下上面两个代码运行之后的结果,看看有什么区别,并思考一下出现这种区别的原因!

用Mathematica演示级数逼近的现象——幂级数

5、把sinx的前20阶幂级数的图像画出来,并与sinx的图像加艮劁飨戽以比较:Plot[Evaluate[Table[Normal[Series[Sin[x],{x,0,惺绅寨瞀n}]],{n,1,20,1}]],{x,0,4Pi},PlotRange->3]和Plot[Evaluate[Table[Normal[Series[Sin[x],{x,0,n}]],{n,1,20,1}]],{x,0,4Pi},PlotRange->100]和Plot[{Sin[x],Evaluate[Table[Normal[Series[Sin[x,{x,0,n}]],{n,1,20,1}]]},{x,0,4Pi},PlotRange->3]注意,当PlotRange取到100的时候,sinx的波动几乎就是看不着了!

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6、用动态图模拟这个逼近过程:Manipulate[Plot[{Sin[x],Evaluate[Normal[Series[Sin[x],{x,0,n}]]]},{x,0,10Pi},PlotRange->2],{n,1,20,1}]

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7、感觉逼近的程度不够?那就要继续增加幂级数的阶数,100阶:Manipulate[Plot[{Sin[X],Evaluate[NorMal[Series[Sin[x],{x,0,n}]]]},{x,0,10Pi},PlotRange->2],{n,1,100,1}]

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8、再换一个函数——e^x:Manipulate[Plot[{E^X,Evaluate[Normal[Series[E^x,{x,0,n}]]]},{x,0,3Pi},PlotRange->100],{n,1,10,1}]e^x和sinx有一个特点,就是它们的幂级数处处收敛!

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9、如果换一个不能处处收敛的呢?比如tanx:Manipulat娣定撰钠e[Plot[{Tan[x],Evalu锾攒揉敫ate[Normal[Series[Tan[X],{x,0,n}]]]},{x,0,3Pi},PlotRange->10],{n,1,60,1}]发现,只有在收敛区间内,幂级数才能逼近函数!

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