Задача 1. Каждую из данных функций аппроксимировать многочленом
-й степени относительно
, оценить погрешность и установить, при каких значениях
она может быть сделана сколь угодно малой.
1)
; 2)
, 3)
.
Решение. Чтобы получить приближенное выражение данной функции
в виде многочлена относительно независимой переменной
, следует написать для этой функции многочлен Маклорена. Затем для оценки той погрешности, которая возникает в результате замены данной функции ее многочленом Маклорена, следует найти остаточный член
формулы Маклорена, применяя его общую формулу к данной функции, и, наконец, для определения тех значений
, при которых погрешность может быть сделана сколь угодно малой, необходимо исследовать поведение остаточного члена при
и при различных значениях
. Погрешность может быть сделана сколь угодно малой только при тех значениях
, при которых
.
1) Вычислив значения данной функции и ее производных при
:


и пользуясь многочленом Маклорена (*),

получим искомое приближенное выражение данной трансцендентной функции в виде многочлена
-й степени:

Погрешность этого приближенного равенства определяется остаточным членом формулы Маклорена. Для функции

получим

зависит как от степени
аппроксимирующего многочлена, так и от значений переменной
.
При неограниченном возрастании
и при любом значении
величина
является бесконечно малой, что было установлено в примере 3 (урок 13), а величина
является ограниченной. Поэтому при любом значении
и при
остаточный член в разложении функции
неограниченно убывает, стремясь к нулю:
Из этого следует, что при любом значении
можно аппроксимировать трансцендентную функцию
ее многочленом Маклорена с любой желаемой точностью и что последовательное повышение степени аппроксимирующего многочлена дает и последовательное повышение точности аппроксимации.Полагая
, получим приближенные формулы


которые расположены в порядке возрастающей точности.
2) Вычисляем значения функции
и ее производных при
:



.......................................

Здесь при
все производные четного порядка равны нулю. Поэтому аппроксимирующий эту функцию многочлен Маклорена будет содержать только нечетные степени
:
(
— радианная мера угла).Это приближенное равенство отчетливо выражает нечетность функции
, т. е. что
.Погрешность этого приближенного равенства определим по общей формуле остаточного члена
формулы Маклорена.Для функции
погрешность
соответствует многочлену Маклорена
-й степени, который для функции
тождественен многочлену
-й степени.Используя очевидное неравенство
, избавимся от неизвестной величины
и получим простое выражение для оценки погрешности, возникающей при замене функции
многочленом (2)
Как было доказано в задаче 40 при
и при любом значении
величина
стремится к нулю. Вследствие этого при
и остаточный член
формулы Маклорена для функции
также стремится к нулю при любом значении
, т. е. 
Следовательно, при любом значении
можно заменить функцию
ее многочленом Маклорена с любой сколь угодно малой погрешностью. При этом последовательное уменьшение погрешности достигается путем последовательного увеличения числа членов аппроксимирующего многочлена (2).Полагая
, получим простейшие приближенные выражения для
:
Вторая из этих формул точнее первой, а третья точнее второй.
3) При
значения функции
и ее производных будут:
...............................
Здесь значения всех производных нечетного порядка равны нулю. Поэтому многочлен Маклорена, аппроксимирующий функцию
, содержит только четные степени
:
Эта приближенная формула отчетливо выражает четность функции
, т. е. что
.Погрешность этой приближенной формулы будет
Избавляясь от неизвестной
, в силу неравенства
, получим неравенство
многочленом (3).
Исследуя поведение погрешности
при различных значениях
и при
, посредством таких же рассуждений, как и в двух предыдущих задачах, приходим к выводу:
При любом значении
и при
остаточный член
формулы Маклорена для функции
стремится к нулю, т. е.
.
Из этого следует, что при любом значении
функцию
можно аппроксимировать ее многочленом Маклорена с любой заданной точностью, причем последовательное повышение точности аппроксимации достигается путем простого увеличения числа членов аппроксимирующего многочлена (3),
Полагая
, получим простейшие приближенные формулы для
: 

которые расположены в порядке повышающейся точности.

