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1 - x + x2 - x3 + x4 + O( )x5 &gt

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

SESSION 05

> restart: series(1/(1+x),x=0,5);

1 - x + x2 - x3 + x4 + O( )x5

> series(1/(1+x),x=1,4);

1 2 - 1

4 x - 1 + 1 8(x - 1)2 - 1

16(x - 1)3 + O((x - 1)4)

> series(1/(1-x^4),x,10);

1 + x4 + x8 + O(x12)

> Order;

6

> series(log(1+x)-x-x^2/2,x=0);

-x2 + 1 3 x3 - 1

4 x4 + 1

5 x5 + O( )x6

> Order:=10;

Order := 10

> series(log(1+x)-x-x^2/2,x=0);

-x2 + 1 3 x3 - 1

4 x4 + 1 5 x5 - 1

6 x6 + 1 7 x7 - 1

8 x8 + 1

9 x9 + O(x10)

> Order:=6;

Order := 6

> series(exp(x),x);

1 + x + 1 2 x2 + 1

6 x3 + 1 24 x4 + 1

120 x5 + O( )x6

> series(sin(x),x);

x - 1 6 x3 + 1

120 x5 + O( )x6

> series(cos(x),x);

1 - 1 2 x2 + 1

24 x4 + O( )x6

> series(sinh(x),x);

x + 1 6 x3 + 1

120 x5 + O( )x6

> series(cosh(x),x);

1 + 1 2 x2 + 1

24 x4 + O( )x6

> series((1+x)^a,x);

1 + a x + 1

2 a (a - 1) x2 + 1

6 a (a - 1) (a - 2) x3 + 1

24 a (a - 1) (a - 2) (a - 3) x4 + 1

120 a (a - 1) (a - 2) (a - 3) (a - 4) x5 + O( )x6

> series(1/(1-x),x);

1 + x + x2 + x3 + x4 + x5 + O( )x6

> f:=x-> cos(x)-x; plot(f(x),x=-1..1); plot(f(x),x=0.739..0.7395);

f := x ! cos( ) - xx

(2)

> a:=series(f(x),x=Pi/4,2); p:=convert(a,polynom); solve(p); evalf(%);

plot([f(x),p],x=-1..1);

a := 1 2 2 - 1

4 !

"

#$

%&

' + - 1 2 2 - 1

"

#$

%&

' x - 1

4 !

"

#$

%&

' + O x - 1

4 !

"

#$

%&

'

" 2

##

$

%&

&

' p := 1

2 2 - 1 4 ! + - 1

2 2 - 1

"

#$

%&

' x - 1

4 !

"

#$

%&

' 2 4 + !( )

4 2 + 2( ) 0.7395361338

> a:=series(f(x),x=Pi/4,3); p:=convert(a,polynom): solve(p); evalf(%);

plot([f(x),p],x=-1..1);

a := 1 2 2 - 1

4 !

"

#$

%&

' + - 1 2 2 - 1

"

#$

%&

' x - 1

4 !

"

#$

%&

' - 1

4 2 x - 1 4 !

"

#$

%&

' 2

+ O x - 1 4 !

"

#$

%&

'

" 3

##

$

%&

&

' - 1

64 2 32 2 + 64 - 8 2 ! + 32 10 + 4 2 - 2 !( ), - 1

64 2 32 2 + 64 - 8 2 ! - 32 10 + 4 2 - 2 !( ) -3.996722841, 0.7390920425

(3)

> restart: p:=sin(x): u:=series(p,x,10); q:=convert(u,polynom);

plot([p,q],x=-5..5); plot(p-q,x=-100..100);

u := x - 1 6 x3 + 1

120 x5 - 1

5040 x7 + 1

362880 x9 + O(x10) q := x - 1

6 x3 + 1 120 x5 - 1

5040 x7 + 1 362880 x9

(4)

> restart: p:=sin(x):

plot([p,seq(convert(series(p,x,n),polynom),n=2..20)],x=-10..10, y=-3..3);

> restart: f:=x->tan(tanh(x))-tanh(tan(x)); series(f(x),x,8);

series(f(x),x,12);

f := x ! tan tanh( ( )x) - tanh tan( ( )x) 2

45 x7 + O( )x8 2

45 x7 - 26

4725 x11 + O(x12)

> f:=x->1/(1+x^2): plot(f(x),x=-10..10);

u:=series(f(x),x,7); p:=convert(u,polynom); plot([f(x),p],x=-2..2, y=-2..2);

(5)

u := 1 - x2 + x4 - x6 + O( )x8 p := 1 - x2 + x4 - x6

> L:=[]: for i from 1 to 18 do L:=[op(L),convert(series(f(x),x,2*i+1), polynom)] od: L;

plot([f(x),seq(L[k],k=1..8)],x=-2..2,y=-2..2);

plot([f(x),seq(L[k],k=8..16)],x=-2..2,y=-2..2);

[1 - x2, 1 - x2 + x4, 1 - x2 + x4 - x6, 1 - x2 + x4 - x6 + x8, 1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10, 1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10 + x12, 1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10 + x12 - x14,

1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10 + x12 - x14 + x16, 1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10 + x12 - x14 + x16 - x18, 1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10 + x12 - x14 + x16 - x18 + x20,

1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10 + x12 - x14 + x16 - x18 + x20 - x22, 1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10 + x12 - x14 + x16 - x18 + x20 - x22 + x24, 1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10 + x12 - x14 + x16 - x18 + x20 - x22 + x24 - x26, 1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10 + x12 - x14 + x16 - x18 + x20 - x22 + x24 - x26 + x28, 1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10 + x12 - x14 + x16 - x18 + x20 - x22 + x24 - x26 + x28 - x30, 1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10 + x12 - x14 + x16 - x18 + x20 - x22 + x24 - x26 + x28 - x30 + x32, 1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10 + x12 - x14 + x16 - x18 + x20 - x22 + x24 - x26 + x28 - x30 + x32 - x34, 1 - x2 + x4 - x6 + x8 - x10 + x12 - x14 + x16 - x18 + x20 - x22 + x24 - x26 + x28 - x30 + x32 - x34 + x36 ]

(6)

En incluant des ordres de plus en plus élevés, l'expression est de mieux en mieux approximé dans l'intervalle de -1 à 1, mais au voisinage des extrémités de l'intervalle le développement limité tend vers une grandeur très grande positive ou négative. Le rayon de convergence de la série semble être de 1.

> restart: f:=x->exp(-x): plot(f(x),x=0..10);

u:=series(f(x),x,7); p:=convert(u,polynom); plot([f(x),p],x=0..10, y=0..2);

(7)

u := 1 - x + 1 2 x2 - 1

6 x3 + 1 24 x4 - 1

120 x5 + 1

720 x6 + O( )x7 p := 1 - x + 1

2 x2 - 1 6 x3 + 1

24 x4 - 1 120 x5 + 1

720 x6

> L:=[]: for i from 1 to 36 do L:=[op(L),convert(series(f(x),x,i), polynom)] od:

plot([f(x),seq(L[k],k=1..18)],x=0..10,y=0..2);

plot([f(x),seq(L[k],k=18..36)],x=0..10,y=0..2);

(8)

On voit graphiquement que l'exponentielle est bien approximée par un développement à l'ordre n sur un intervalle de -n a +n. Sans que cela soit une démonstration, on peut supposer que le rayon de convergence est infini, ce qui se démontre proprement par ailleurs.

> restart: u:=series(sin(x),x): v:=series(cos(x),x): series(u*v,x);

series(u/v,x); series(tan(x),x);

series(u+v,x);

x - 2 3 x3 + 2

15 x5 + O( )x6 x + 1

3 x3 + 2

15 x5 + O( )x6 x + 1

3 x3 + 2

15 x5 + O( )x6 1 + x - 1

2 x2 - 1 6 x3 + 1

24 x4 + 1

120 x5 + O( )x6

> restart: u:=series(tan(x),x,7); series(ln(1+u),x,7);

u := x + 1 3 x3 + 2

15 x5 + O( )x7

(9)

x - 1 2 x2 + 2

3 x3 - 7 12 x4 + 2

3 x5 - 31

45 x6 + O( )x7

> u:=series(1/(1+x),x=0,7); int(u,x);

u := 1 - x + x2 - x3 + x4 - x5 + x6 + O( )x7 x - 1

2 x2 + 1 3 x3 - 1

4 x4 + 1 5 x5 - 1

6 x6 + 1

7 x7 + O( )x8

> v:=series(ln(1+x),x,8); diff(v,x);

v := x - 1 2 x2 + 1

3 x3 - 1 4 x4 + 1

5 x5 - 1 6 x6 + 1

7 x7 + O( )x8 1 - x + x2 - x3 + x4 - x5 + x6 + O( )x7

> u:=series(tan(x),x); solve(u=y,x); series(arctan(x),x);

u := x + 1 3 x3 + 2

15 x5 + O( )x7 y - 1

3 y3 + 1

5 y5 + O( )y6 x - 1

3 x3 + 1

5 x5 + O( )x6

> restart: f:=x->(1+x)*tan(Pi/(x+4));

plot(f(x),x=-10..10, y=-20..20,discont=true);

u:=series(f(x),x); re:=solve(u=y,x);

v:=convert(re,polynom); v:=subs(y=x,v);

plot([f(x),v,x],x=-3..3,y=-3..3,discont=true,color=[pink,blue,green]);

f := x ! (1 + x) tan ! x + 4

"

#$

%&

' u := 1 + - 1

8 ! + 1

"

#$

%&

' x + - 3 32 ! + 1

128 !2

"

#$

%&

' x2 + 3

128 ! + 1 256 !2 - 1

1536 !3

"

#$

%&

' x3

+ - 3 512 ! - 5

2048 !2 - 1

6144 !3 + 5 98304 !4

"

#$

%&

' x4 + 3

2048 ! + 1 1024 !2 + 1

4096 !3 - 1 245760 !5

"

#$

%&

' x5 +

O( )x6 re := - 8

! - 8(y - 1) + 4 ! -12 + !( )

! - 8 ( )3

y - 1

( )2 - 4 ! -576 + !( 3 + 408 ! - 44 !2) 3 (! - 8)5

y - 1 ( )3

- 4 ! -804 !( 3 + 29 !4 + 6640 !2 - 15744 ! + 9216) 3 (! - 8)7

y - 1 ( )4

+ 2 ! 165344 !( 4 + 3 !7 - 4546560 ! + 68 !6 + 3886080 !2 - 8204 !5 + 1474560 - 1275840 !3) 15 (! - 8)9

y - 1

( )5 + O((y - 1)6) v := - 8 (y - 1)

! - 8 + 4 ! -12 + !( ) (y - 1)2

! - 8 ( )3

- 4 ! -576 + !( 3 + 408 ! - 44 !2) (y - 1)3 3 (! - 8)5

- 4 ! -804 !( 3 + 29 !4 + 6640 !2 - 15744 ! + 9216) (y - 1)4 3 (! - 8)7

(10)

+

2 ! 165344 !( 4 + 3 !7 - 4546560 ! + 68 !6 + 3886080 !2 - 8204 !5 + 1474560 - 1275840 !3) (y - 1)5 15 (! - 8)9

v := - 8 (x - 1)

! - 8 + 4 ! -12 + !( ) (x - 1)2

! - 8 ( )3

- 4 ! -576 + !( 3 + 408 ! - 44 !2) (x - 1)3 3 (! - 8)5

- 4 ! -804 !( 3 + 29 !4 + 6640 !2 - 15744 ! + 9216) (x - 1)4 3 (! - 8)7

+

2 ! 165344 !( 4 + 3 !7 - 4546560 ! + 68 !6 + 3886080 !2 - 8204 !5 + 1474560 - 1275840 !3) (x - 1)5 15 (! - 8)9

> restart: f:=x->sinh(x) - ((a*x+b*x^3+c*x^5)/(1 + d*x^2+e*x^4));

u:=series(f(x),x,11); p:=convert(u,polynom); co:=coeffs(p,x);

so:=[solve({co})]; subs(so[1],f(x)); u:=series(subs(so[1],f(x)),x,12);

f := x ! sinh( ) - x a x + b x3 + c x5 1 + d x2 + e x4

u := 1 - a( ) x + 1 6 - b + a d

"

#$

%&

' x3 + -c + a e - -b + a d( ) d + 1 120

"

#$

%&

' x5

+ - -b + a d( ) e - -c + a e + d b - a d( 2) d + 1 5040

"

#$

%&

' x7

+ 1

362880 - -c + a e + d b - a d( 2) e - (e b - 2 e a d + d c - d2 b + a d3) d

"

#$

%&

' x9 + O(x11)

p := 1 - a( ) x + 1 6 - b + a d

"

#$

%&

' x3 + -c + a e - -b + a d( ) d + 1 120

"

#$

%&

' x5

+ - -b + a d( ) e - -c + a e + d b - a d( 2) d + 1 5040

"

#$

%&

' x7

+ 1

362880 - -c + a e + d b - a d( 2) e - (e b - 2 e a d + d c - d2 b + a d3) d

"

#$

%&

' x9

co := 1 - a, 1

6 - b + a d, -c + a e - -b + a d( ) d + 1

120, - -b + a d( ) e - -c + a e + d b - a d( 2) d + 1 5040, 1

362880 - -c + a e + d b - a d( 2) e - (e b - 2 e a d + d c - d2 b + a d3) d so := c = 551

166320, a = 1, e = 5 11088, d = -13

396, b = 53 396 ()

*

+, - ./

0

12 3 sinh( ) - x

x + 53

396 x3 + 551 166320 x5 1 - 13

396 x2 + 5 11088 x4 u := 11

457228800 x11 + O(x12)

>

>

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