مواضيع المحاضرة: TAYLOR AND MACLAURIN SERIES
background image

Lecture no.2-8                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

1 

 

 TAYLOR AND MACLAURIN SERIES  

In the last two sections we used   the fact that within its interval of convergence, the function  

f (x) = ∑   a

k

 (x − x

0

)

k

∞

k=0

 

Is differentiable and integrable In this section we look more closely at the coefficients and show that 
they can be represented in terms of derivatives of the function f .We begin with the case and assume 
that so that theorem on power series differentiation applies We have  

f (x) = ∑   a

k

 x

k

∞

k=0

= a

0

+ a

1

x + a

2

x

2

+ a

n

x

n

+ ⋯.                                             (1) 

 And clearly, 

f(0) = a

0

+ 0 + 0 + ⋯ + 0 + ⋯ = a

0

                                                                                    (2) 

If we differentiate (1), we obtain 

f

′

(x) = ∑   a

k

 x

k−1

∞

k−1

= a

1

+ 2a

2

x + a

3

x

2

+ ⋯ + na

n

x

n−2

+ ⋯                                   (3)  

And  

f

′

(0) = a

1

                                                                                                                                         (4)   

Continuing to differentiate, we obtain 

f

′′

(x) = ∑ k(k − 1) a

k

x

k−2

 

∞

k=1

 

= 2a

2

+ 3 ∙ 2a

3

x + 4 ∙ 3a

4

x

2

+ ⋯ + n(n − 1)na

n

x

n−2

+ ⋯ 

And  

f

′

′(0) = 2a

2

 Or  

a

2

=

f

′

′(0)

2

=

f

′

′(0)

2!

                                                                                                                (5) 

Similarly,  

f

′′′

(x) = ∑

k(k − 1)(k − 2)  a

k

 x

k−3

∞

k=3

 

                          

=  3 ∙ 2a

3

x + 4 ∙ 3a

4

x + 5 ∙ 4 ∙ 3a

5

x

2

+ ⋯ + n(n − 1)(n − 2)a

n

x

n−3

+ ⋯ 

And  

f

′′′

(0) = 3 ∙ 2a

3

  , Or  


background image

Lecture no.2-8                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

2 

 

a

3

=

f

′′′

(0)

3 ∙ 2

=

f

′′′

(0)

3!

                                                                                                                    (6) 

It is not difficult to see that this pattern continues and that for every positive integer n 

 

a

n

=

f

(n)

(0)

n!

                                                                                                                                          (7) 

For   

n = 0   we use  the convention  0! = 1   and f

(0)

(x) = f(x) Then  formula  (7) holds  for  

every  n ,  and we have  the following: 

If   

f (x) = ∑

  a

k

 x

k

∞

k=0

 

then  f(x) = ∑

f

(k)

(0)

k!

∞

k=0

x

k

 

= f(0) + f

′

(0)x + f

′′

(0)

x

2

2!

+ ⋯ f

(n)

(0)

x

n

n!

+ ⋯                                                             (8) 

for  every  x in the  interval  of convergence  

In the general case, if 

f (x) = ∑   a

k

( x − x

0

)

k

∞

k=0

 

 

=

a

0

+ a

1

(x − x

0

) + a

2

(x − x

0

)

2

+ ⋯ + a

n

(x − x

0

)

n

+ ⋯.                                                         (9) 

Then  

f(x

0

) = a

0

 . 

And differentiating as before, we find that 

a

n

=

f

(n)

(x

0

)

n!

                                                                                                                                   (10) 

Thus we have the following If 

 

 

f (x) = ∑   a

k

( x − x

0

)

k

∞

k=0

 

Then  

f (x) = ∑

f

(k)

 (x

0

)

k!

( x − x

0

)

k

∞

k=0

 

= f(x

0

) + f

′(x

0

)

(x − x

0

) + f

′′(x

0

)

( x − x

0

)

2

2!

+ ⋯ + f

(n)

(x

0

) 

( x − x

0

)

n

n!

+ ⋯            (11)              


background image

Lecture no.2-8                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

3 

 

for  every  x in the in terval of  convergence  

Definition 1 TAYLOR AND MACLAURIN SERIES   The series in (11) is called the Taylor 
series   of the function f at

  x

0

  The special case   x

0

= 0 in (8) is called a Maclaurin series ‡ We 

see that the first n terms of the Taylor series of a function are simply the Taylor polynomial 
described in Section 13 .1. 

WARNING: We have shown here that if

f (x) = ∑

  a

k

( x − x

0

)

k

∞

k=0

 . then f is infinitely 

differentiable 

(i  ∙ e ∙. f   has derivatives of all  orders)  and that  the series  for f is  the  Taylor  

series  or Maclaurin series  if

   x

0

= 0)  of  f  What we have  not  shown  is that  if f  is  infinitely  

differentiable at

   x

0

.    then  f has  Taylor series  expansion  at   x

0

  In  general ,  this  last  

statement  is  false, as we  will  see  in Example  3 on  page  749  

EXAMPLE  1  Find  the Maclaurin series   for 

e

x

 

Solution  If  

f (x) = e

x

. then  f (0) = f

′

(0) = ⋯ = f 

(k)

(0) = 1. and 

́

 

e

x

= ∑  

x

k

k!

∞

k=0

= 1 + x +

x

2

2!

+

x

3

3!

+ ⋯ +

x

n

n!

+ ⋯                                                                 (12) 

 

What this example shows is that if has a Maclaurin series expansion, then the series must be the 
series (12) It does not show that actually does have such a series expansion To prove that the 
series in (12) is really equal to we differentiate, as in Example 14.9.5, and use the fact that the 
only continuous function that satisfies  

f

′

(x) = f (x).  f (0) = 1 

Is the function  

e

x

 

EXAMPLE 2   Assuming that the function   can be written as a Maclaurin series, find that series   

 Solution   If 

f (x) = cos x .  then  f (0) = 1.  f

′

(0) = 0. f

′′

(0) =   −1 f

′′′

(0) =  0. 

f

(4)

(0) = 1. and  so on .  so that  if   cos x = ∑

a

k

x

k

∞

k=0

  . 

Then  

cos x = f(0) + f

′

(0) +

f

′′

(0)x

2

2!

+

f

′′′

(0)x

3

3!

+

f

(4)

(0)x

4

4!

+ ⋯. 

Or  

cos x = 1 −

x

2

2!

+

x

4

4!

−

x

6

6!

+ ⋯ = ∑

(−1)

k

x

2k

  

(2k)!

∞

k=0

                                                                 (13) 


background image

Lecture no.2-8                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

4 

 

NOTE   Again, this does not prove that the equality in (13) is correct It only shows that if has a 
McLaurin expansion, then the expansion must be given by (13) We will show that has a 
McLaurin series in Example 5  

EXAMPLE  3 Let  

f (x) = {e

−1/x

2

.  if x ≠ 0     

0.        if x = 0

 

Find a Maclaurin expansion for f if one exists 

Solution.  First, we note that since 

lim

x→∞

e

−1/x

2

= 0. fis continuous Now recall from Example 

12.3.5, that

lim

x→∞

x

a

e

−bx

= 0. if b > 0 Let   y =

1

x

2

   Y Then as x → 0. y → ∞  Also 

1

x

n

  =

(

1

x

2

)

n/2

   so that   lim

x→0

(

e

−

1

x2

x

n

) =    lim

y→∞

  y

n/2

e

−y

= 0   by Example 12.3.5. 

Now for as so that   is continuous at 0 Similarly, which also approaches 0 as by the limit result 
above In fact, every derivative of f   is continuous and for every n , Thus f is infinitely 
differentiable, and if it had   a Maclaurin series that represented the function, then we would have 

f (x) = f(0) + f

′

(0) + f

′′

(0)

x

2

2!

+ ⋯ 

But 

f(0) + f

′

(0) + f

′′

(0) = ⋯ = 0 .   so that the Maclaurin series would be the zero series But 

since f is obviously not the zero function, we can only conclude that there is no Maclaurin series 
that represents  f at  any  point  other  than  0 

Example 3 illustrates that infinite differentiability is not sufficient to guarantee that a given   
function can be represented by its Taylor series Something more is needed  

Definition 2 ANALYTIC FUNCTION   We say that a function f is analytic at 

x

0

 if f can be 

represented by a Taylor series in some neighborhood of 

x

0

  

We see that the function and are analytic at 0, while the function  

f (x) = {e

−1/x

2

.  if x ≠ 0     

0.        if x = 0

 

Is not, A condition that guarantees analytic of an infinitely differentiable function is given below 

Theorem 1. Suppose that the function f has continuous derivatives of all orders in a neighborhood 
N

(x

0

)  of the number x

0

.Then  f is  analytic at

  x

0

 if and  only  if   


background image

Lecture no.2-8                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

5 

 

lim

n→∞

R

n

(x) = lim

n→∞

f

(n+1)

(C

n

)

(n + 1)!

(x − x

0

)

n+1

= 0                                                                        (14) 

For  every  x in N

(x

0

) whereC

n

 is  between 

x

0

 and x 

REMARK    The expression between the equal sings in (14) is simply the remainder term given 
by Taylor 's theorem  

Proof :The hypotheses of Taylor 's theorem apply, so that can write, for any n, 

f(x) = P

n

(x) + f(x) = R

n

(x).                                                                                                   (15) 

Where

  P

n

(x) is the  nth  degree  Taylor  Polynomial  for  f  To  show  that  f is  analytic ,  we 

must  show  that 

lim

n→∞

P

n

(x) = f (x)                                                                                                                         (16) 

For every

 x in  N(x

0

) But if x  is  in N(x

0

)  we  obtain , from  (14)and  (15) , 

lim

n→∞

P

n

(x) = lim

n→∞

[f (x) − R

n

(x)] = f (x) − lim

n→∞

R

n

(x) = f (x) − 0 = f (x) 

Conversely , if  is  analytic,  then

 f (x) = lim

n→∞

P

n

(x)so R

n

(x) → 0 as n  → ∞ 

EXAMPLE  4 If

 f (x) = e

x

 thenf

(n)

(x) = e

x

. and 

                                                                                             

 0 < C

n

  < |x|    

lim

n→∞

|

f

(n+1)

(C

n

)

(n + 1)!

(x − x

0

)

n+1

 | = lim

n→∞

e

C

n

|x|

(n+1)

(n + 1)!

≤ e

|x|

  lim

n→∞

|x|

(n+1)

(n + 1)!

→ 0 . 

Since 

|x|

(n+1)

(n+1)!

  is the 

(n + 2) and term in the converging power series ∑

|x|

k

∞

k=0

/k! and the terms in 

a converging power series 

→ 0 , Since this result is true for any  x ∈  ℝ  we may take  N =

(−∞. ∞) to conclude that the series (12) is valid for every real number x 

EXAMPLE  5 Let   Since all derivatives of cos x are equal to

 ± sin x  or  ± cos x . we see 

that

|f

(n+1)

(C

n

)| ≤ 1 Then forx

0

= 0. |R

n

(x)| ≤ |x|

(n+1)

/(n + 1)! which→ 0 as n → ∞. so  that 

the series(13) is also valid for every real number x  

EXAMPLE  6 it is evident that for the function in Example 3,

 R

n

(x) ↛ 0 if  x  ≠ 0  This follows 

from the fact that 

R

n

(x) = f (x) − P

n

(x) = e

−

1

x2

− 0 = e

−

1

x2

≠ 0 if  x ≠ 0  

EXAMPLE  7  Find  the  Taylor  expansion  for

 f (x) = In  x at x = 1 


background image

Lecture no.2-8                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

6 

 

Solution  Since  

f

′

(x) =

1

x

. f

′′

(x) = −

1

x

2

. f

′′

(x) =

2

x

3

.  f

(4)

(x) =   −

6

x

4

  . ⋯. 

f

(n)

(x) =

(−1)

n+1

(n − 1)!

x

n 

.  we find  that  f(1) = 0. f

′

(1) = 1. f

′′

(1) = −1. f

′′′

(1) = 2 . 

f

(4)

(1) = −6. ⋯.  f

(n)

(1) = (−1)

n+1

(n + 1)! Then  wherever valid . 

In  x = ∑ f

(k)

(1)

(k − 1)

k

k!

∞

k=0

                                                                                                                      (17) 

we showed that  

In (1 + x) = ∑

(−1)

k+1

x

k

k

+ R

n+1

(x).

n+1

k=1

                                                                                (18) 

Where

  R

n+1

(x) → 0 as n → ∞ whenever   −1 < x ≤ 1    From (18) we see that 

In u = In [ 1 + (u − 1)] ∑

(−1)

k+1

(u − 1)

k

k

+ R

n+1

(u − 1).

n+1

k=1

                                    (19) 

Where

  R

n+1

(u − 1) → 0 as n → ∞  whenever  −1 < x ≤ u − 1 ≤ 1. or  0  < u ≤ 2 But this 

implies that the series (17) converges to In (x) for

0 < x ≤ 2   Whenx = 2 . we obtain from (17),  

In 2 = 1 −

1
2

+

1
3

−

1
4

+

1
5

− ⋯ = ∑

(−1)

k+1

k

∞

k=1

.                                                             (20) 

EXAMPLE  8  Find  a Taylor  series for 

f (x) = sin x  at  x =

π

3

 

Solution  Here

f  (

π

3

) =

√3

2

. f

′

(

π

3

) =

1

2

. f

′′

(

π

3

) = −

√3

2

. f

′′′

(

π

3

) = −

1

2

. 

   and so on, so that 

   

 

 

sin x =

√3

2

+

1
2

(x −

π
3

) −

√3

2

[x − (

π
3)]

2

2!

−

1
2

[x − (

π
3)]

3

3!

+

√3

2

[x − (

π
3)]

4

4!

+ ⋯ 

The proof that this series is valid for every real number x is similar to the proof in Example 5 and 
is therefore omitted  


background image

Lecture no.2-8                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

7 

 

We provide here a list of useful Maclaurin series: 

e

x

= ∑

x

k

k!

∞

k=0

= 1 + x +

x

2

2!

+

x

3

3!

+ ⋯                                                                                     (21) 

cos x = ∑

(−1)

k

x

2k

(2k)!

∞

k=0

= 1 −

x

2

2!

+

x

4

4!

−

x

6

6!

+ ⋯                                                                (22) 

sin x = ∑

(−1)

k

x

2k+1

(2k + 1)!

= x −

x

3

3!

+

x

5

5!

−

x

7

7!

∞

k=0

+ ⋯                                                            (23) 

cosh x = ∑

x

2k

(2k)!

∞

k=0

= 1 +

x

2

2!

+

x

4

4!

−

x

6

6!

+ ⋯                                                                        (24) 

sinh x = ∑

x

2k+1

(2k + 1)!

= x −

x

3

3!

+

x

5

5!

−

x

7

7!

∞

k=0

+ ⋯                                                                (25) 

BINOMIAL SERIES 

We close this section by deriving another series that is quite useful. Let

 f (x) = (1 + x)

r

.  where r 

is a real number not equal to an integer. We have 

 

f

′

(x) = (1 + x)

r−1

. 

 

f

′′

(x) = r(r − 1)(1 + x)

r−2

. 

f

′′′

(x) = r(r − 1)(r − 2)(1 + x)

r−3

. 

 ⋮ 

f

(n)

(x) = r(r − 1)(r − 2) ⋯ (r − n + 1)(1 + x)

r−n

 

Not that  since  r  is not  an  integer ,

 r − n is never  equal  to  0 , all derivatives  exist  and  are  

nonzero  as long as

 x ≠ −1   Then 

f(0) = 1 . 

f′(0) = r . 

 

 


background image

Lecture no.2-8                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

8 

 

f

′′(0)

= r(r − 1). 

⋮ 

f

(n)

(0) = r(r − 1) ⋯ (r − n + 1) . 

And we can write 

(1 + x)

r

= 1 + rx +

r(r − 1)

2!

x

2

+

r(r − 1)(r − 2)

3!

x

3

+ ⋯ 

+

r(r − 1) ⋯ (r − n + 1)

n!

x

n

+ ⋯                                                                      (26) 

= 1 + ∑

r(r − 1) ⋯ (r − k + 1)

k!

x

k

∞

k=0

 

The series (26) is called the binomial series  

PROBLMS  

  

1 ∙ Find the Maclaurin series     sin x for all real x  

2. Find the Taylor series for 

e

x

 at  1 

3. Find the Maclaurin series for

e

−x

 

4. Find the Taylor series for 

cos x   at

π

4

 

5.Find the Taylor series for 

sinh  x   at In 2

 

6. Find the Maclaurin series for

  e

ax

 . a is  real 

 

7. Find the Maclaurin series for

 x e

x

  

8. Find the Maclaurin series for

 x

2

 e

−x

2

  

9. Find the Maclaurin series for

(sin x)/x 

10. Find the Taylor series for 

 e

x

 at  x = −1 

11. Find the Maclaurin series for

sin

2

 x[Hint ∶ sin

2

 x = (1 − cos 2x)/2] 

12. Find the Taylor series of

  √x at x = 4. What is its radius of convergence? 

13. Find the Maclaurin series  of   

sin

−1

xWhat  is its  radius of convergence? 

Hint: Expand

1

√1−x

2

 and  in 


background image

Lecture no.2-8                                                                               by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

9 

 

14. Use the Maclaurin series for

  sin x to obtain the Maclaurin series for sin x

2

 

15. Find the Maclaurin series for

 cos x

2

 

16. Use  Equation  (26) to find  a power series  representation  for 

√1 + x

4

 

17. Use  the result of problem 26 to find  a power  series representation  for 

√1 + x

3

4

   

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Cruz Maldanado
المشاهدات: لقد قام 0 عضواً و 483 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