用Mathematica演示级数逼近的现象——幂级数

时间:2024-10-14 05:10:55

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}]

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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:Table[Series[Sin[x], {x, 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!

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5、 把sinx的前20阶幂级数的图像画出来,并与sinx的图像加以比较:Plot[Evaluate[ Table[Normal[Series[Sin[x], {x, 0, n}]], {n, 1, 20, 1}]], {x, 0, 4 Pi}, PlotRange -> 3] 和Plot[Evaluate[ Table[Normal[Series[Sin[x], {x, 0, n}]], {n, 1, 20, 1}]], {x, 0, 4 Pi}, PlotRange -> 100] 和Plot[{Sin[x], Evaluate[Table[ Normal[Series[Sin[x,{x, 0, n}]], {n, 1, 20, 1}]]}, {x,0, 4 Pi}, 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, 10 Pi}, 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, 10 Pi}, 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, 3 Pi}, 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:Manipulate[Plot[{Tan[x], Evalu锾攒揉敫ate[Normal[Series[Tan[X], {x,0, n}]]]}, {x, 0, 3 Pi}, 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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