مواضيع المحاضرة: DIFFRENTIA T ION AND INTEGRATION OF POWER SERIES
background image

Lecture no.2-7                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

DIFFRENTIA TION AND INTEGRATION OF POWER SERIES

 

Consider the power series 

∑ a

k

(x − x

0

)

k

= a

k

+ a

k

(x − x

0

) + a

k

(x − x

0

)

2

+ ⋯ 

k=0

                                            (1) 

With a given interval of convergence I. For each x in I we may define a new function f by 

f(x) = ∑ a

k

(x − x

0

)

k

 

k=0

                                                                                                         (2) 

EXAMPLE 1:We know that 

∑ x

k

 

k=0

= 1 + x + x

k

+ ⋯ =

1

1 − x

 if     |x| < 1                                                                (3) 

Thus the function

   

1

1−x

for  |x| < 1 can be defined by 

f(x) =

1

1 − x

= ∑ x

k

 

k=0

 if  |x|    < 1 

EXAMPLE 2:   Substituting

  x

4

 for  x in  (3)  leads  to the  equality 

f(x) =

1

1 − x

4

= ∑ x

4k

= 1 +   x

4

+   x

8

+   x

12

+ ⋯   if  |x| < 1 

k=0

 

EXAMPLE   3   Substituting

  −x for  x in  (3)  leads  to the  equality 

f(x) =

1

1 − (−x)

=

1

1 + x

∑(−1)

k

x

k

 

k=0

 

= 1 − x +   x

2

−   x

3

+   x

4

− ⋯     if  |x| < 1 

Once we see that certain function can be written as power series, the next question that naturally 
arises is whether such function can be differentiated and integrated The remarkable theorem   
given next ensures that every function represented as a power series can be differentiated and 
integrated at any x such that|

x|   < R . the radius of convergence Moreover, we see how the   

derivative and integral can be calculated . 

 


background image

Lecture no.2-7                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

Theorem 1: Let the power series

 ∑

a

k

x

k

 

k=0

  have  the radius  of convergence

 R > 0  Let 

f(x) = ∑ a

k

x

k

 

k=0

= a

0

+ a

1

x + a

2

x

2

+ ⋯      for  |x| < R 

Then for

  |x| < R we have the following: 

(i) f (x)  is continuous 

(ii)The  derivative    f

(x)exists  . and   

f

(x) =

d

dx

a

0

+

d

dx

a

1

x +

d

dx

a

2

x

2

+ ⋯ 

          

= a

1

+ 2a

2

x + 3a

3

x

2

+ ⋯ ∑

ka

k

x

k−1

 

k=1

 

(iii)  The antiderivative  ∫ f(x) dx exists and 

∫ f(x) dx = ∫ a

0

 dx + ∫ a

1

x dx + ∫ a

2

x

2

 dx + ⋯ 

= a

0

x + a

1

x

2

2

+ a

2

x

3

3

+ ⋯ + C = ∑ a

k

x

k+1

k + 1

k=0

+ C 

Moreover, the  two  series ∑

ka

k

x

k−1

 

k=1

  and ∑

ka

k

x

k+1

/(k + 1) 

k=0

 both  have  the  radius of  

convergence  R 

Simply put, this theorem says that the derivative of a converging power series is the series of 
derivatives of its terms and that the integral of a converging power series is the series of integrals 
of its terms 

EXAMPLE  4 From Example 3 we have 

1

1 + x

= 1 − x + x

2

− x

3

+ ⋯ = ∑(−1)

k

x

k

 

k=0

                                                                     (4) 

for

|x| < 1 Substitutingu = x + 1 .  we havex = u − 1 and 

1

1+x

=

1

u

.   if  − 1  < x < 1. then  0  <

u < 2 . and  we obtain 

1
u

= 1 − (u − 1) + (u − 1)

2

− (u − 1)

3

+ ⋯ ∑(−1)

k

(u − 1)

k

 

k=0

 

 


background image

Lecture no.2-7                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

For 

0 < u < 2 Integration  then yields 

In

  u = ∫

du

u

= u −

(u−1)

2

2

+

(u−1)

3

3

− ⋯ + C 

Since  In

1 = 0 .   we  immediately  find  that C = −1 .    so that 

In = ∑(−1)

k

  

(u − 1)

k

k + 1

k=0

                                                                                                             (5) 

For

  0 < u < 2   Here we have  expressed  the  logarithmic  function defined  on the  interval  as a 

power  series 

EXAMPLE 5:  The series 

f(x) = 1 + x +

x

2

2!

+

x

3

3!

+ ⋯ = ∑   

x

k

k!

k=0

                                                                                      (6) 

Converges  for every real  number  x  

(i  ∙ e ∙. R = ∞;  But 

f

(x) =

d

dx

1 +

d

dx

x +

d

dx

x

2

2!

+ ⋯ = 1 +  

x

2

2!

+ ⋯ = f(x) 

Thus f satisfies the differential equation   

f

= f. 

f(x) = ce

x

                                                                                                                                          (7) 

For some constant c Then substituting into equations (6) and (7) yields 

f(0) = 1 = ce

0

= c . 

So that

 f(x) = e

x

 We have obtained the important expansion that is valid for any real number x: 

e

x

= 1 + x +

x

2

2!

+

x

3

3!

+ ⋯ = ∑   

x

k

k!

k=0

                                                                    (8) 

For  example, if we  substitute  the  value

  x = 1 into (8),  we obtain  partial  sum approximations  

for

 e = 1 + 1 +

1

2!

+ ⋯  (see Table 1) The  last  value ∑

  

x

k

k!

k=0

 is  correct to  five  decimal  places 

 

 

 


background image

Lecture no.2-7                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

EXAMPLE 6:    Substituting 

x = −x  in (8)  we obtain 

e

−x

= 1 + x +

x

2

2!

+

x

3

3!

+ ⋯ = ∑(−1)

k

  

x

k

k!

k=0

                                                                           (9) 

Since  this is an  alternating  series  if   

x > 0 . tells us that  the  error  |S − S

n

| . In 

approximating

  e

−x

  for  x > 0  is bounded by|a

n+1

| = x

n+1

/(n + 1)! ∙†  for example, to 

calculate

  e

−1

 with an error of less than

10 ∙ 000. we must have |S − S

n

| ≤

1

(n+1)!

< 0 ∙ 0001 =

1

10.000

. or(n + 1)! > 10 ∙ 000 If  n = 7. (n + 1)! = 8! = 40.320. so that∑

(−1)

k

7

k=0

/k! will 

approximate

  e

−1

 correct to four decimal places We obtain 

  e

−1

≈ 1 − 1 +

1

2!

1

3!

+

1

4!

1

5!

+

1

6!

1

7!

 

=

1
2

1
6

+

1

24

1

120

+

1

720

1

5040

 

= 0 ∙ 5 − 0 ∙ 16667 + 0 ∙ 04167 − 0 ∙ 00833 + 0 ∙ 00139 − 0 ∙ 0002 ≈ 0 ∙ 36786 

Note that

  e

−1

≈ 0 ∙ 36788 correct to five decimal places 

EXAMPLE   7 Consider the series 

f(x) = 1 −

x

2

2!

+

x

4

4!

x

6

6!

+ ⋯ = ∑(−1)

k

  

x

2k

(2k)!

k=0

                                                              (10) 

It is easy to see that 

R = ∞ since the series is absolutely convergent for every x by comparison 

with the series (8) for

  e

x

 [ The series (8) is larger than the series (10) since it contains the 

terms

  x

n

/n!  for n both even and odd, not just  for  n  even , as  in (10)]Differentiating  we obtain 

f

′(x)

= −x +

x

3

3!

+

x

5

5!

x

7

7!

+ ⋯ = ∑(−1)

k

  

x

2k+1

(2k + 1)!

k=0

                                                           (11) 

Since  this  series  has  a radius  of  convergences 

R = ∞ .  we  can differentiate  once  more  to  

obtain 

f

′′(x)

= −1 +

x

2

2!

+

x

4

4!

x

6

6!

+ ⋯ = ∑   

(−1)

k+1

x

2k

(2k)!

k=0

= −f(x) 

Thus we see that f satisfies the differential equation 

f

′′

+ f = 0                                                                                                                                 (12) 


background image

Lecture no.2-7                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

Moreover, from equations (10) and (11) we see that 

f (0) = 1  and f

(0) = 0                                                                                                             (13) 

It is easily seen that the function

f(x) = cos x   satisfies equation (12) together with the conditions 

(13) In fact, although .We do not prove here; it is the only function that does so Thus we have 

cos x = 1 −

x

2

2!

+

x

4

4!

x

6

6!

+ ⋯ = ∑  (−1)

k

   

x

2k

(2k)!

k=0

                                                        (14) 

Since  

d

dx

cos x = − sin x . 

We obtain, from (14), the series (after multiplying both sides by -1) 

sin x = x −

x

3

3!

+

x

5

5!

x

7

7!

+ ⋯ = ∑(−1)

k

  

x

2k+1

(2k + 1)!

k=0

                                                           (15) 

Power series expansions can be very useful for approximate integration 

EXAMPLE8 :   Calculate 

∫ e

−t2

1

0

 with  an error 

< 0 ∙ 0001 

Solution  Substituting

  t

2

 for  x in (9) , we find  that 

e

−t

2

= 1 − t

2

+

t

4

2!

+

t

6

3!

+ ⋯ = ∑(−1)

k

  

t

2k

k!

k=0

                                                                       (16) 

Then we integrate to find that 

 

∫ e

−t2

x

0

  dt = x −

x

3

3!

+

x

5

5 ∙ 2!

x

7

7 ∙ 3!

+ ⋯ = ∑   

(−1)

k

x

2k+1

(2k + 1)!

k=0

                                         (17) 

The error

|S − S

n

|    is bounded by |a

n−1

| = |

x

2(n+1)−1

[2(n+1)+1](n+1)!

In our  example

  x = 1 .  so we need  to choose  n  so that 

1

(2n + 3)(n + 1)!

< 0 ∙ 0001. or  (2n + 3)(n + 1)! > 10.000 

If

  n = 6 . then (2n + 3 )(n + 1)! = (15)(7)! = 75.600  With  this  choice of n(n = 5 is  too 

small ), we obtain 


background image

Lecture no.2-7                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

∫ e

−t2

1

0

  dt = x −

1
3

+

1

5 ∙ 2!

1

7 ∙ 3!

+

1

9 ∙ 4!

1

11 ∙ 5!

+

1

13 ∙ 6!

 

≈ 1 − 0 ∙ 33333 + 0 ∙ 1 − 0 ∙ 02381 + 0 ∙ 00463 − 0 ∙ 00076 + 0 ∙ 00011 = 0 ∙ 74684. 

And to four decimal places,  

∫ e

−t2

1

0

  dt = 0 ∙ 7468 

PROBLEMS : 

1 ∙ By substituting x

2

 for  x in  (4) , find a series  expansion  for

   

1

1+x

2

  that  is valid  for |

x| < 1 

2. Integrate the series obtained in Problem 1 to obtain a series expansion for

  tan

−1

3.Use  the result of Problem  2 to  obtain an estimate  of π that  is correct to  two  decimal  places 

4. Use the series expansion for In x to calculate the following to two decimal places of accuracy: 
(a) In 0.5 

In Problems 5-13 estimate the given integral to within the given accuracy 

5 ∙ ∫ e

−t2

1

0

 dt ; error  0 ∙ 01                      6 ∙ ∫ e

−t3

1

0

  dt; error   < 0 ∙ 001 

7 ∙ ∫ cos   t

2

 dt ; error 0 ∙ 001

1
2

0

                     8 ∙ ∫ sin t

2

 dt ; error 0 ∙ 0001

1
2

0

 

 

9 ∙   ∫ t

2

e

−t2

1

0

 dt ; error  0 ∙ 01 

[ Hint: The series explanation of 

t

2

e

−12

is obtained by multiplying each term of the series 

expansion of 

e

−12

 by t

2

 ] 

10 ∙ ∫ t

5

e

−t5

1

0

 dt;   error  < 0 ∙ 0001                 11 ∙ ∫ cos √t

1

0

   dt; error   < 0 ∙ 001 

12 ∙   ∫ t sin √t  dt; error  < 0 ∙ 001

1

0

                 13 ∙ ∫

dt

1 + t

8

 ; error  < 0 ∙ 0001

1
2

0

 

14. Find  a series expansion  for 

xe

x

 that  is valid  for all  values  of  x 

15. Use the result  of  Problem 14 to  find  a series expansion  for 

∫ te

x

 dt

x

0

 




رفعت المحاضرة من قبل: Cruz Maldanado
المشاهدات: لقد قام عضو واحد فقط و 198 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل