הבדלים בין גרסאות בדף "חדוא 2 - ארז שיינר"

מתוך Math-Wiki
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
(מבחן דיריכלה)
(טורי הטיילור של סינוס וקוסינוס, ואקפוננט של מספר מרוכב)
שורה 312: שורה 312:
  
 
====טורי הטיילור של סינוס וקוסינוס, ואקפוננט של מספר מרוכב ====
 
====טורי הטיילור של סינוס וקוסינוס, ואקפוננט של מספר מרוכב ====
 +
*<math>\sin(x)=\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n+1)!} x^{2n+1} = x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-\frac{x^7}{7!}+...</math>
 +
*<math>\cos(x)=\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n)!} x^{2n} = 1-\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}-\frac{x^6}{6!}+...</math>
 +
 +
 
*נוכיח כי <math>e^{it}=cis(t)</math>
 
*נוכיח כי <math>e^{it}=cis(t)</math>
 
**<math>e^x = \sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!}</math>
 
**<math>e^x = \sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!}</math>

גרסה מ־09:47, 24 באפריל 2020

88-133 חשבון אינפיניטיסימלי 2

תוכן עניינים

תקציר ההרצאות

פרק 1 - האינטגרל הלא מסויים

  • הגדרה: F נקראת פונקציה קדומה של f בקטע A אם לכל נקודה בקטע מתקיים כי F'=f
  • האינטגרל הלא מסויים \int f(x)dx מסמן פונקציה קדומה של f.
  • תהי F קדומה של f, אזי קבוצת כל הקדומות של f שווה ל\{F+c|c\in\mathbb{R}\}
  • אינטגרלים מיידיים ידועים לנו מנוסחאות הגזירה.

שיטות למציאת קדומה

  • תהיינה f,g פונקציות בעלות קדומות, אזי:
    • \int (cf) = c \int f
    • \int (f+g) = \int f + \int g


אינטגרציה בחלקים

\int f'g = fg - \int fg'

שיטת הההצבה

פונקציה רציונאלית

  • הורדת דרגת המונה ע"י חילוק פולינומים


  • פירוק לשברים חלקיים


  • חישוב אינטגרל של כל שבר חלקי
    • נסמן I_n=\int \frac{1}{(1+t^2)^n} dt
    • אזי I_{n+1}=\frac{t}{2n(1+t^2)^n} + \left(1-\frac{1}{2n}\right)I_n

כאשר תנאי ההתחלה הוא I_1=\arctan(t)


הצבות אוניברסאליות

הצבות אוניברסאליות הוא כינוי כללי להצבות המעבירות פונקציות ממשפחה מסוימת לצורה של פונקציה רציונאלית אותה אנחנו יודעים לפתור. שימו לב שכיון ופתרון פונקציה רציונאלית דורש פירוק פולינומים, לעתים המעבר לפונקציה רציונאלית לא יקדם אותנו לקראת פתרון הבעיה.

פרק 2 - האינטגרל המסויים

סכומי דרבו ואינטגרל עליון ותחתון

הגדרת סכומי דרבו, אינטגרביליות והאינטגרל המסוים


תכונות של סכומי דרבו והאינטגרל המסוים

  • m(b-a)\leq \underline{S}(f,P)\leq \overline{S}(f,P)\leq M(b-a)


  • תהי חלוקה P ותהי העדנה שלה R=P\cup \{a\}
  • 0\leq \overline{S}(f,P)-\overline{S}(f,R)\leq \lambda(P)(M-m)
  • 0\leq \underline{S}(f,R)-\underline{S}(f,P)\leq \lambda(P)(M-m)


  • \underline{S}(f,P)\leq \underline{\int_a^b}f(x)dx\leq \overline{\int_a^b}f(x)dx\leq \overline{S}(f,R)

התכנסות סכומי דרבו

  • התכנסות סכומי הדרבו העליונים לאינטגרל העליון

פונקציות אינטגרביליות

  • פונקציה רציפה בקטע סגור אינטגרבילית בו


  • תהי f אינטגרבילית בקטעים [a,b],[b,c] אזי:
    • היא אינטגרבילית בקטע [a,c]
    • מתקיים כי \displaystyle{\int_a^c f = \int_a^bf+\int_b^cf}
  • פונקציה חסומה בקטע סופי, ורציפה פרט למספר סופי של נקודות, אינטגרבילית בו

סכומי רימן

  • אינטגרביליות לפי רימן שקולה לאינטגרביליות לפי דרבו


אורך עקומה

  • L=\int_a^b \sqrt{(f'(x))^2+1}dx


אי שיוויון המשולש לאינטגרלים

  • \left|\int_a^b f\right|\leq \int_a^b |f|

פרק 3 - הקשר בין האינטגרל המסויים ללא מסויים

המשפט היסודי של החדו"א

  • עבור פונקציה אינטגרבילית, בנקודות בהן היא רציפה מתקיים כי \displaystyle{S'(x)=\left(\int_a^x f(t)dt\right)' = f(x)}

נוסחאת ניוטון לייבניץ

  • תהי f אינטגרבילית וF קדומה אזי \displaystyle{\int_a^b f(x)dx = F(b)-F(a)}

הגדרת המספר \pi, וחישוב היקף ושטח מעגל


נפח גוף סיבוב

  • \int_a^b \pi f^2(x)dx

פרק 4 - אינטגרלים לא אמיתיים (מוכללים)

השופר של גבריאל

הגדרת אינטגרלים לא אמיתיים

  • תהי f אינטגרבילית בקטע [a,t] לכל t\geq a אזי:
    • \int_a^\infty f(x)dx = \lim_{t\to\infty} \int_a^t f(x)dx
  • תהי f שאינה חסומה בקטע [a,b] ואינטגרבילית בקטע [t,b] לכל a<t<b אזי:
    • \int_a^b f(x)dx = \lim_{t\to a^+} \int_t^b f(x)dx


מבחני השוואה לאינטגרלים חיוביים

  • מבחן ההשוואה הראשון:
    • תהיינה f\geq g \geq 0 עבורן מוגדר אינטגרל לא אמיתי באותו הקטע עם אותה הנקודה הבעייתית אזי-
    • אם \int f מתכנס בקטע, גם \int g מתכנס בקטע
  • מבחן ההשוואה הגבולי:
    • תהיינה f,g\geq 0 עבורן מוגדר אינטגרל לא אמיתי באותו הקטע עם אותה הנקודה הבעייתית.
    • נחשב בנוסף את הגבול בנקודה הבעייתית \lim \frac{f}{g} =c.
    • אזי:
      • אם c=\infty, אזי אם \int f מתכנס גם \int g מתכנס.
      • אם c=0 אזי אם \int g מתכנס גם \int f מתכנס.
      • אם 0<c<\infty אזי האינטגרלים חברים \int f \sim \int g כלומר שניהם מתכנסים או שניהם מתבדרים.

התכנסות בהחלט וקריטריון היינה

  • קריטריון היינה:
    • אינטגרל לא אמיתי מקיים קריטריון היינה אם לכל שתי סדרות בקטע השואפת לנקודה הבעייתית מתקיים כי:
    • \int_{a_n}^{b_n} f(x)dx \to 0
  • אינטגרל לא אמיתי מתכנס אם"ם הוא מקיים את קריטריון היינה.
  • פונקציה f עליה מוגדר אינטגרל לא אמיתי נקראת מתכנסת בהחלט בקטע אם \int |f| מתכנס בקטע.
  • פונקציה מתכנסת בהחלט בקטע מתכנסת.
    • \left|\int_{a_n}^{b_n} f(x)dx\right| \leq \left|\int_{a_n}^{b_n} |f(x)|dx\right|\to 0

מבחן דיריכלה

  • תהי פונקציה f אשר מקיימת 3 תנאים בקטע [a,\infty)
    • f מונוטונית יורדת
    • \lim_{x\to\infty}f(x)=0
    • הנגזרת f' רציפה.
  • תהי בנוסף פונקציה g אשר מקיימת 2 תנאים באותו הקטע:
    • g רציפה.
    • לg יש קדומה G חסומה.
  • אזי האינטגרל \displaystyle{\int_a^\infty f(x)}dx מתכנס.

פרק 5 - סדרות וטורי פונקציות

פונקצית הגבול


העשרה - סוגי סכימה שונים


התכנסות במ"ש

  • בדיקת התכנסות במ"ש:
    • נחשב את פונקצית הגבול. בשלב זה x קבוע וn שואף לאינסוף.
    • נחשב את סדרת החסמים d_n=\sup_A |f(x)-f_n(x)|. בשלב זה n קבוע, וx נע בקטע A.
    • יש התכנסות במ"ש אם"ם d_n\to 0.

  • אם סדרה מתכנסת במ"ש בקטע, וכל הפונקציות בסדרה רציפות בנק' מסויימת, גם פונקצית הגבול רציפה באותה נקודה.

אינטגרציה וגזירה איבר איבר

  • סדרת פונקציות אינטגרביליות המתכנסת במ"ש, מתכנסת לפונקציה אינטגרבילית.
  • כמו כן, במקרה זה, סדרת שטחי הפונקציות מתכנסת לשטח פונקצית הגבול.
  • עבור טור פונקציות אינטגרביליות המתכנס במ"ש מתקיים כי:
    • \int_a^b \left(\sum_{n=1}^\infty f_n(x)\right) dx = \sum_{n=1}^\infty \int_a^b f_n(x)dx


  • סדרת פונקציות המתכנסת בנקודה, שנגזרותיה רציפות ומתכנסות במ"ש בA מקיימת בA:
    • f_n\to f וגם f'_n\to f'
  • טור פונקציות המתכנס בנקודה, שנגזרותיו רציפות וטור הנגזרות מתכנס במ"ש בA מקיים בA:
    • \left(\sum_{n=1}^\infty f_n(x)\right)' = \sum_{n=1}^\infty f'_n(x)

מבחן הM של ויירשטראס

  • תהי סדרת פונקציות החסומה בערך מוחלט ע"י סדרת מספרים בקטע A:
    • |f_n(x)|\leq M_n
  • אזי אם טור המספרים \sum_{n=1}^\infty M_n מתכנס, טור הפונקציות \sum_{n=1}^\infty f_n(x) מתכנס במ"ש בקטע A.

פרק 6 - טורי טיילור וקירובים

פולינום טיילור

  • הקדמה


  • פולינום טיילור
    • P_n(f,a)(x) = \sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k
  • שארית טיילור
    • R_n(f,a,x) = f(x)-P_n(f,a)(x)


  • שארית טיילור בצורת לגראנז'
  • תהי f הגזירה n+1 פעמים בסביבה של a ותהי נקודה בסביבה זו. אזי קיימת נקודה c בין a לx כך שהשארית מקיימת:
    • R_n(f,a,x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}


  • הוכחת שארית טיילור בצורת לגראנז'
    • נפעיל את משפט קושי על הפונקציות h(t)=R_n(f,t,x) וg(t)=(x-t)^{n+1} בקטע שבין a ל x.


  • שארית פיאנו
  • תהי f הגזירה n פעמים בסביבה של a. אזי:
    • R_n(f,a,x)=o\left((x-a)^n\right)
    • כלומר
    • \lim_{x\to a} \frac{R_n(f,a,x)}{(x-a)^n} = 0


טורי חזקות/טיילור/מקלורן

  • הגדרת טורי חזקות \displaystyle{\sum_{n=0}^\infty a_n (x-a)^n}

רדיוס התכנסות

  • הגדרת רדיוס התכנסות R=\frac{1}{\overline{\lim} \sqrt[n]{|a_n|}}
  • אם הגבול של המנה קיים במובן הרחב, אזי R=\lim \left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|


  • רדיוס ההתכנסות אומר לנו על תחום ההתכנסות:
    • אם R=\infty אזי הטור מתכנס בהחלט בכל הממשיים.
    • אם R=0 הטור מתכנס רק עבור x=a.
    • אם 0<R<\infty אזי
      • הטור מתכנס בהחלט בתחום \left(a-R,a+R\right).
      • הטור מתבדר כאשר |x-a|>R.
      • את שני הקצוות x=a\pm R צריך להציב, ולבחון את התכנסות טורי המספרים שנקבל באמצעות מבחני התכנסות.



  • דוגמא לחישוב תחומי ההתכנסות של טורי החזקות
    • \displaystyle{\sum_{n=1}^\infty \frac{4^n}{n}x^{2n}}
    • \displaystyle{\sum_{n=1}^\infty \frac{4^n}{n}(x+2)^{2n}}


  • עבור טור חזקות מהצורה \sum a_n (x-a)^{b_n} מתקיים כי רדיוס ההתכנסות הינו R=\frac{1}{\overline{\lim} \sqrt[b_n]{|a_n|}}


פיתוח טורי טיילור

  • גזירה ואינטגרציה איבר איבר של טורי חזקות


  • פיתוח טורי טיילור באמצעות גזירה ואינטגרציה
    • e^x=\sum_{n=0}^\infty \frac{1}{n!}x^n=1+x+\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3!}+\frac{x^4}{4!}+...
    • ln(1+x)=\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{n+1}x^{n+1}=x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}-\frac{x^4}{4}+...
    • arctan(x)=\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{2n+1}x^{2n+1}=x-\frac{x^3}{3}+\frac{x^5}{5}-\frac{x^7}{7}+...

יחידות וקיום טור טיילור

  • עבור פונקציה הגזירה אינסוף פעמים בסביבת הנקודה a טור הטיילור הוא:
    • \sum_{n=0}^\infty \frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n
  • אם פונקציה שווה לטור חזקות בעל רדיוס התכנסות חיובי בקטע, אזי זה טור הטיילור שלה.
  • ייתכן שפונקציה גזירה אינסוף פעמיים בכל הממשיים, טור הטיילור שלה בעל רדיוס התכנסות חיובי, ועדיין אינו מתכנס אליה פרט לנקודה סביבה פיתחנו.
  • דוגמא:
    • f(x)=\begin{cases}e^{-\frac{1}{x^2}} & x\neq 0 \\ 0 & x=0\end{cases}
    • מתקיים כי f^{(n)}(0)=0 לכל n.
    • לכן טור הטיילור של הפונקציה הוא טור אפסים, אבל הפונקציה אינה שווה לאפס פרט לנקודה x=0.


טורי הטיילור של סינוס וקוסינוס, ואקפוננט של מספר מרוכב

  • \sin(x)=\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n+1)!} x^{2n+1} = x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-\frac{x^7}{7!}+...
  • \cos(x)=\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n)!} x^{2n} = 1-\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}-\frac{x^6}{6!}+...


  • נוכיח כי e^{it}=cis(t)
    • e^x = \sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!}
    • נגדיר את e בחזקת מרוכב באמצעות טור הטיילור, ונציב:
    • e^{i\cdot t} = \sum_{n=0}^\infty \frac{(i\cdot t)^n}{n!}
    • נפריד לסכום האיברים במקומות הזוגיים והאי זוגיים.
    • e^{i\cdot t}=\sum_{n=0}^\infty \frac{(i\cdot t)^{2n}}{(2n)!}+\sum_{n=0}^\infty \frac{(i\cdot t)^{2n+1}}{(2n+1)!}=
    • =\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n)!}t^{2n} + i\cdot\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n+1)!}t^{2n+1}=\cos(t)+i\cdot \sin(t)
  • זה מוביל לזהות אוילר המפורסמת e^{i\pi}+1=0


  • רציפות אם יש התכנסות בקצה.


  • קירובים והערכות שגיאה.