反正切函数的级数展开

问题提出

“同学们,今天我们要学习一个很有趣的话题——反正切函数的级数展开。“我站在讲台上,看着呼噜星球的同学们,他们的表情还是那么怀疑。

“反正切函数?这是什么?“一个同学举手问道,“听起来就像随便找个函数然后展开它一样。”

“你的问题很好!“我笑着回应,“确实不是随便展开,而是有数学原理的。你们还记得我们上一节学习的莱布尼茨级数吗?就是那个用于计算π的公式。”

听到π,同学们的眼睛亮了起来。我继续说道:

“今天我们要更深入地理解:arctan xarctan\,x 的级数展开是什么?它为什么能用来计算π?有什么更高效的方法?”

观察与猜想

“让我们从基本的数学关系开始。“我在黑板上写下:

ddxarctan x=11+x2\frac{d}{dx}arctan\,x = \frac{1}{1+x^2}

“这个导数公式大家应该都熟悉。现在问题的关键是:11+x2\frac{1}{1+x^2} 的幂级数展开是什么?”

同学们开始思考。一个聪明的同学说:

“我记得几何级数:11−u=∑n=0∞un\frac{1}{1-u} = \sum_{n=0}^{\infty} u^n,当|u|<1时成立。”

“很好!“我鼓励道,“那我们令u=−x2u = -x^2,就能得到:”

11+x2=11−(−x2)=∑n=0∞(−x2)n=∑n=0∞(−1)nx2n\frac{1}{1+x^2} = \frac{1}{1-(-x^2)} = \sum_{n=0}^{\infty} (-x^2)^n = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n x^{2n}

“这个展开式在什么条件下成立呢?”

“当∣−x2∣<1|-x^2| < 1时,也就是∣x∣<1|x| < 1时成立。“同学们齐声回答。

“现在既然我们知道了11+x2\frac{1}{1+x^2}的幂级数展开,那么arctan xarctan\,x作为它的原函数,应该能得到怎样的级数呢?”

同学们陷入了沉思。我提示道:

“如果我们把上面的等式两边同时积分,会得到什么?”

∫11+x2dx=∫∑n=0∞(−1)nx2ndx\int \frac{1}{1+x^2} dx = \int \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n x^{2n} dx

“左边的积分我们知道是arctan x+Carctan\,x + C。右边的积分呢?”

“可以把积分号和求和号交换吗?“一个同学提出了关键问题。

“在这个例子中,由于幂级数在其收敛区间内一致收敛,我们可以合法地交换求和与积分的顺序。所以:”

arctan x=∑n=0∞∫(−1)nx2ndx+Carctan\,x = \sum_{n=0}^{\infty} \int (-1)^n x^{2n} dx + C

计算积分:

∫(−1)nx2ndx=(−1)nx2n+12n+1+C\int (-1)^n x^{2n} dx = (-1)^n \frac{x^{2n+1}}{2n+1} + C

因此,我们得到:

arctan x=∑n=0∞(−1)nx2n+12n+1+Carctan\,x = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{x^{2n+1}}{2n+1} + C

现在确定常数CC。令x=0x=0:

arctan 0=∑n=0∞(−1)n02n+12n+1+Carctan\,0 = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{0^{2n+1}}{2n+1} + C

0=0+C0 = 0 + C

所以C=0C = 0,最终得到:

arctan x=∑n=0∞(−1)nx2n+12n+1arctan\,x = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{x^{2n+1}}{2n+1}

“这个级数有什么特别之处呢?“我问道,“让我们看看当x=1x=1时会发生什么?”

同学们计算:

arctan 1=∑n=0∞(−1)n12n+12n+1=1−13+15−17+19−⋯arctan\,1 = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{1^{2n+1}}{2n+1} = 1 - \frac{1}{3} + \frac{1}{5} - \frac{1}{7} + \frac{1}{9} - \cdots

“我们知道arctan 1=π4arctan\,1 = \frac{\pi}{4},所以:”

π4=1−13+15−17+19−⋯\frac{\pi}{4} = 1 - \frac{1}{3} + \frac{1}{5} - \frac{1}{7} + \frac{1}{9} - \cdots

这就是我们上一节学习的莱布尼茨级数!它实际上就是反正切函数在x=1x=1时的特例。

严格证明

“现在我们要严格证明我们的发现。“我开始了正式的推导。

幂级数逐项积分定理:如果幂级数∑n=0∞anxn\sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n在区间∣x∣<R|x| < R内收敛,那么:

  1. 该级数在∣x∣<R|x| < R内绝对收敛
  2. 和函数S(x)=∑n=0∞anxnS(x) = \sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n在∣x∣<R|x| < R内连续
  3. 和函数在∣x∣<R|x| < R内可导,且可以逐项求导
  4. 和函数在∣x∣<R|x| < R内可积,且可以逐项积分

“应用这个定理,我们严格证明反正切函数的级数展开。”

第一步:收敛区间分析

已知11+x2=∑n=0∞(−1)nx2n\frac{1}{1+x^2} = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n x^{2n},收敛条件为∣−x2∣<1|-x^2| < 1,即∣x∣<1|x| < 1。

第二步:逐项积分

由幂级数逐项积分定理,在∣x∣<1|x| < 1内:

∫0x11+t2dt=∫0x∑n=0∞(−1)nt2ndt=∑n=0∞(−1)n∫0xt2ndt\int_0^x \frac{1}{1+t^2} dt = \int_0^x \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n t^{2n} dt = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \int_0^x t^{2n} dt

第三步:计算积分

∫0x11+t2dt=arctan t∣0x=arctan x−arctan 0=arctan x\int_0^x \frac{1}{1+t^2} dt = arctan\,t \Big|_0^x = arctan\,x - arctan\,0 = arctan\,x

∫0xt2ndt=t2n+12n+1∣0x=x2n+12n+1\int_0^x t^{2n} dt = \frac{t^{2n+1}}{2n+1} \Big|_0^x = \frac{x^{2n+1}}{2n+1}

第四步:得到最终结果

因此:

arctan x=∑n=0∞(−1)nx2n+12n+1arctan\,x = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{x^{2n+1}}{2n+1}

第五步:收敛区间讨论

该级数在∣x∣<1|x| < 1内绝对收敛。在x=1x=1和x=−1x=-1时,需要单独讨论:

  • 当x=1x=1时,级数为1−13+15−17+⋯1 - \frac{1}{3} + \frac{1}{5} - \frac{1}{7} + \cdots,这是一个交错级数,由莱布尼茨判别法可知收敛。
  • 当x=−1x=-1时,级数为−1+13−15+17−⋯-1 + \frac{1}{3} - \frac{1}{5} + \frac{1}{7} - \cdots,同样收敛。

所以收敛区间为∣x∣≤1|x| \leq 1。

结论与应用

“现在我们已经得到了反正切函数的级数展开,让我们看看它在实际计算中有什么应用。”

应用一:π的计算

最基本的直接应用就是计算π。使用莱布尼茨级数:

π=4×(1−13+15−17+19−⋯ )\pi = 4 \times \left(1 - \frac{1}{3} + \frac{1}{5} - \frac{1}{7} + \frac{1}{9} - \cdots\right)

“但是这个收敛速度很慢,“我解释道,“要得到高精度的π值,需要计算很多项。有什么改进的方法呢?”

应用二:Machin公式

这时我引入了一个非常重要的改进——Machin公式:

“这个公式有什么奇妙之处呢?让我们计算一下:”

首先计算arctan 15arctan\,\frac{1}{5}:

arctan 15=15−13⋅153+15⋅155−17⋅157+⋯arctan\,\frac{1}{5} = \frac{1}{5} - \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{5^3} + \frac{1}{5} \cdot \frac{1}{5^5} - \frac{1}{7} \cdot \frac{1}{5^7} + \cdots

=15−1375+115625−1546875+⋯= \frac{1}{5} - \frac{1}{375} + \frac{1}{15625} - \frac{1}{546875} + \cdots

同样计算arctan 1239arctan\,\frac{1}{239}:

arctan 1239=1239−13⋅12393+15⋅12395−⋯arctan\,\frac{1}{239} = \frac{1}{239} - \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{239^3} + \frac{1}{5} \cdot \frac{1}{239^5} - \cdots

=1239−13×2393+15×2395−⋯= \frac{1}{239} - \frac{1}{3 \times 239^3} + \frac{1}{5 \times 239^5} - \cdots

“比较这两个级数,你会发现什么?”

同学们发现arctan 1239arctan\,\frac{1}{239}的收敛速度快得多,因为分母239很大,后面的项迅速趋近于零。

“所以Machin公式的优势是:”

  1. arctan 15arctan\,\frac{1}{5}的级数收敛速度适中
  2. arctan 1239arctan\,\frac{1}{239}的级数收敛速度非常快
  3. 整体计算效率比直接使用莱布尼茨级数高很多

应用三:更高效率的π级数公式

“Machin公式之后,数学家们发现了更多类似的公式,例如:”

例题展示

“让我们做一个例题,展示Machin公式的应用。”

例题:使用Machin公式计算π的近似值,精确到小数点后6位。

解法:

首先使用Machin公式: π4=4×arctan 15−arctan 1239\frac{\pi}{4} = 4 \times arctan\,\frac{1}{5} - arctan\,\frac{1}{239}

计算arctan 15arctan\,\frac{1}{5}的级数:

arctan 15=15−13×53+15×55−17×57+19×59−⋯arctan\,\frac{1}{5} = \frac{1}{5} - \frac{1}{3 \times 5^3} + \frac{1}{5 \times 5^5} - \frac{1}{7 \times 5^7} + \frac{1}{9 \times 5^9} - \cdots

计算前几项:

  • 第1项:15=0.2\frac{1}{5} = 0.2
  • 第2项:−13×125=−1375=−0.0026666666666666666-\frac{1}{3 \times 125} = -\frac{1}{375} = -0.0026666666666666666
  • 第3项:15×3125=115625=0.000064\frac{1}{5 \times 3125} = \frac{1}{15625} = 0.000064
  • 第4项:−17×78125=−1546875≈−0.00000182857142857-\frac{1}{7 \times 78125} = -\frac{1}{546875} \approx -0.00000182857142857
  • 第5项:19×1953125=117578125≈0.00000005688888889\frac{1}{9 \times 1953125} = \frac{1}{17578125} \approx 0.00000005688888889

累加得到: arctan 15≈0.2−0.0026666666666666666+0.000064−0.00000182857142857+0.00000005688888889arctan\,\frac{1}{5} \approx 0.2 - 0.0026666666666666666 + 0.000064 - 0.00000182857142857 + 0.00000005688888889 ≈0.19739556132073016\approx 0.19739556132073016

因此: 4×arctan 15≈4×0.19739556132073016=0.78958224528292064 \times arctan\,\frac{1}{5} \approx 4 \times 0.19739556132073016 = 0.7895822452829206

现在计算arctan 1239arctan\,\frac{1}{239}的级数:

arctan 1239=1239−13×2393+15×2395−⋯arctan\,\frac{1}{239} = \frac{1}{239} - \frac{1}{3 \times 239^3} + \frac{1}{5 \times 239^5} - \cdots

计算前几项:

  • 第1项:1239≈0.004184100418410042\frac{1}{239} \approx 0.004184100418410042
  • 第2项:−13×2393=−13×13651919≈−140955757≈−0.00000002441549988-\frac{1}{3 \times 239^3} = -\frac{1}{3 \times 13651919} \approx -\frac{1}{40955757} \approx -0.00000002441549988
  • 第3项:15×2395=15×326515782399≈11.632578911995×1012≈6.125×10−13\frac{1}{5 \times 239^5} = \frac{1}{5 \times 326515782399} \approx \frac{1}{1.632578911995 \times 10^{12}} \approx 6.125 \times 10^{-13}

累加得到: arctan 1239≈0.004184100418410042−0.00000002441549988+6.125×10−13arctan\,\frac{1}{239} \approx 0.004184100418410042 - 0.00000002441549988 + 6.125 \times 10^{-13} ≈0.004184076002910162\approx 0.004184076002910162

因此: π4≈0.7895822452829206−0.004184076002910162=0.7853981692800104\frac{\pi}{4} \approx 0.7895822452829206 - 0.004184076002910162 = 0.7853981692800104

所以: π≈4×0.7853981692800104=3.1415926771200416\pi \approx 4 \times 0.7853981692800104 = 3.1415926771200416

与实际的π值(3.141592653589793)相比:

  • 近似值:3.1415926771200416
  • 实际值:3.141592653589793
  • 误差:约0.00000002353,精确到了小数点后7位!

呼噜星人的收获

通过这节课的学习,呼噜星球的同学们收获满满:

  1. 幂级数展开的理解:学会了如何通过已知的导数级数来构造原函数的级数展开
  2. 逐项积分的应用:掌握了幂级数在收敛区间内可以逐项积分的重要性质
  3. 反正切级数的推导:完整推导了arctan x=∑n=0∞(−1)nx2n+12n+1arctan\,x = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{x^{2n+1}}{2n+1}
  4. π计算的多种方法:了解了从简单的莱布尼茨级数到高效的Machin公式
  5. 收敛速度的优化:学会了如何选择合适的参数来加快级数收敛速度

更重要的是,我们看到了数学的和谐之美——一个简单的几何概念(反正切函数)竟然能够通过级数展开的方法,帮助我们计算出像π这样重要的数学常数。

下次我们将继续探索更多有趣的级数展开,看看数学还能带给我们怎样的惊喜!