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用Mathematica处理高等数学——幂级数问题初探

由于Mathematica可以进行精确的符号计算,所以,有必要介绍一下用Mathematica处理高等数学问题的技巧!        现在初步探索一下关于级数的问题。
工具/原料
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电脑

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Mathematica

展开某函数为级数的形式—Series
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Series[f[x],{x,0,n}]是把函数f(x)展开为x=0处的幂级数的近似形式。Series[1/(1 + x + x^2), {x, 0, 6}]        这是求1/(1 + x + x^2)的级数的前六项。

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二项式展开(只是展开一部分):Series[(a + b)^n, {b, 0, 3}]        这里展开了四项。

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对于未定义的函数,将用导函数的形式给出其幂级数:Series[1 + g[t], {t, 0, 3}]        如果要消去后面的剩余项,可以用Normal命令:Normal[%]

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Series展开的级数,有可能含有别的函数形式:Series[x^x, {x, 0, 4}]        这里就含有对数函数的形式。

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如果难以求出函数的反函数,用InverseSeries命令可以直接求其反函数的级数。如求f(x)反函数的幂级数:InverseSeries[Series[f[y], {y, 0, 3}], x]

幂级数求和
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求级数1+1/1!+1/2!+……的和函数:Sum[1/n!, {n, 0, Infinity}]        其中,Infinity是无限大的意思。

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调和级数不收敛!Sum[1/n, {n, 1, Infinity}]        但是,Mathematica能精确地求出它的部分和:Sum[1/n, {n, 1, 99}]

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类似于调和级数的p-级数(p>1)都是收敛的:Sum[1/n^2, {n, 1, Infinity}]        多列举几个看看:Table[Sum[1/n^p, {n, 1, Infinity}], {p, 2, 10, 1}]        当p是奇数的时候,无法给p-级数得出明确的结果,但是这些级数都是收敛的!所以用Zeta函数来表示。

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不规则级数求和,也有可能得到和函数。例如:Sum[1/(a^2 + x^2), {x, 1, Infinity}]Sum[1/(a^2 + x^2), {a, 1, Infinity}]

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连续自然数的幂和公式的Mathematica代码(幂指数分别是1, 2, 3, 4, 5):Table[Sum[a^b, {a, 1, x}], {b, 5}]

求幂级数系数的通项公式
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这里用到的是SeriesCoefficient,可翻译为——级数系数,它有可能给出函数展开为幂级数的系数的通项公式。例如,求正割函数的幂级数系数的通项公式:SeriesCoefficient[1/Cos[x], {x, 0, n}]

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有些幂级数的系数要用特殊函数来表示,如函数1/(x^2 - 3 x + 1)的幂级数系数要用到切比雪夫函数:SeriesCoefficient[1/(1 - 3 x + x^2), {x, 0, n}]

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Fibonacci 数的生成函数是1/(1 - t - t^2),这样就可以求出Fibonacci 数的通项公式:SeriesCoefficient[1/(1 - t - t^2), {t, 0, n}]Fibonacci[n]        关键是要知道生成函数是什么!

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绘制一个关于各种函数幂级数的表格:hanshuliebiao = {Exp[x], Sin[x], Cos[x], 1/(1 + x), Log[1 + x],    ArcTan[x]};Grid[Join[{{f[x], Text['级数系数']}},    Transpose[{hanshuliebiao,      Map[SeriesCoefficient[#, {x, 0, n}] &, flist]}]],   Background -> {None, {{None, GrayLevel[.9]}}, {{1, 1} ->       Hue[.6, .4, 1], {1, 2} -> Hue[.6, .4, 1]}},   BaseStyle -> {FontFamily -> Times, FontSize -> 12}, Dividers -> All,   FrameStyle -> Hue[.6, .4, .8],   Spacings -> {2, 1}] // TraditionalForm

注意事项
1

有些函数的幂级数系数可能没有通项公式。

2

有些函数不能分解为幂级数,如Zeta[x]。

3

有些幂级数收敛,但不能得出精确的和函数。

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