Магия математики: Как найти x и зачем это нужно - Артур Бенджамин

а потом и третьего порядка аппроксимации: $1051,27.

Аппроксимации Тейлора могут быть представлены в виде графика, на котором вместе с первыми тремя многочленами Тейлора изображена показательная (экспоненциальная) функция y = ex.

Постепенно увеличивая степень многочлена, мы достигаем все большей точности аппроксимации, особенно если x близок к 0. Но что же такого особенного в многочленах Тейлора, что делает их настолько эффективными? Аппроксимация первого порядка (называемая линейной) утверждает, что при x, близком к 0,

На графике получается прямая линия, проходящая через точку (0, f(0)) с наклоном f'(0). Значит, многочлен Тейлора степени n будет проходить через ту же точку (0, f(0)) и иметь такие же первую, вторую, третью и т. д., вплоть до n-ной, производные, что и начальная функция f(x).

Кстати, многочлены и ряды Тейлора отлично показывают себя при работе и с другими величинами (не только 0), к которым стремится х. Так, ряд Тейлора для f(x) с начальной точкой a равен

При a = 0 он будет равен f(x) для всех действительных или комплексных значений x, близких к a.

Возьмем ряд Тейлора для f(x) = sin x. Посмотрите: f'(x) = cos x, f''(x) = –sin x, f'''(x) = –cos x, а f''''(x) = sin x = f(x). При сопоставлении с 0, начав с f(0), мы придем к циклу 0, 1, 0, –1, 0, 1, 0, –1…., в котором каждое четное значение x попросту исчезает из ряда. Следовательно, получается, что при любом x, выраженном в радианах,

Аналогично, для f(x) = cos x имеем

Ну и напоследок давайте возьмем пример, в котором ряд Тейлора равен функции при некоторых – но не всех – значениях x. Пусть это будет Здесь f(0) = 1, и, согласно цепному правилу, первые несколько производных выглядят как

Следуя и дальше этой закономерности (или воспользовавшись методом индукции), мы неизбежно придем к заключению, что n-ная производная (1 – x)–1 будет равна n!(1 – x)−(n + 1) (а при x = 0 – просто n!). Следовательно, ряд Тейлора трансформируется в

что будет верно только при таком значении x, которое находится в диапазоне от –1 до 1. Если же x, например, будет больше 1, то складываемые величины будут становиться все больше и больше, пока сумму станет вовсе невозможно определить.

Странно, правда? Возможно, вам интересно узнать, каково это – складывать бесконечное количество чисел. А как будет выглядеть их сумма? Ответы на эти вопросы – в следующей главе, посвященной бесконечности, главе, в которой мы встретимся со многими странными, удивительными, непредсказуемыми и прекрасными тайнами математики.

Глава номер двенадцать

Магия бесконечности

Бесконечно интересно

Когда еще, как не в конце, под самый занавес, говорить о бесконечности? И когда еще, как не в конце, вспоминать начало? А в начале у нас была сумма всех чисел от 1 до 100:

А потом – и сумма чисел от 1 до n:

А еще были другие суммы чисел конечных диапазонов. В этой главе мы попытаемся сосчитать те числа, ряд которых имеет начало, но не имеет конца, например,

(надеюсь, мне удалось убедить вас, что в результате получится 2, причем не приблизительно, а ровно 2). Некоторые такие ряды дают очень интересные результаты сложения, например,

А другие – вовсе не имеют их, как, скажем,

В математике принято считать, что суммой всех положительных чисел является бесконечность, что записывается следующим образом:

то есть результат постоянно растет, не имея при этом верхнего предела. По сути, это означает, что ответ превосходит любое число, которое только может возникнуть у вас в голове – сотню, миллион, квадриллион… И все-таки в конце главы мы увидим, что вполне бывает, например, и такое:

Заинтригованы? Уверен, что да. Уже через несколько строк мы покинем привычный нам мир и отправимся в сумеречное царство бесконечности, где возможны самые странные вещи, – в царство, манящее всех математиков своей неизведанностью и красотой.

Является ли бесконечность числом? Не совсем, хотя с ним порой и обращаются, как с обычным числом: вы вполне можете натолкнуться на что-нибудь вроде

Теоретически никакого самого большого числа нет: вы всегда можете прибавить к нему единицу и получить еще большее число. Символ ∞ по существу обозначает величину «произвольно большую» или бо́льшую, чем любая другая положительная величина. Другой полюс бесконечности представлен −∞, величиной меньшей, чем любая другая отрицательная величина.

Кстати, количества, выражаемые как ∞ – ∞ (бесконечность минус бесконечность) или 1/0 являются неопределенными. Конечно, очень велико искушение заявить, что 1/0 = ∞, потому что при делении единицы на все меньшую и меньшую положительную величину частное будет расти. Но ведь если делить 1 на все меньшие и меньшие по абсолютной величине отрицательные числа, то частное будет представать все большим и большим по абсолютной величине отрицательным числом.

Важность бесконечной суммы: геометрические ряды

Начнем, пожалуй, с утверждения, принимаемого всеми математиками и кажущегося неправильным большинству непосвященных:

То, что две эти величины очень близки друг к другу, не вызывает сомнений практически ни у кого. Но считать их одним и тем же числом?.. Несколько чересчур, правда? Неправда. Позвольте мне попробовать убедить вас в обратном. Поверьте, доказательств у меня так много, что хотя бы одно из них обязательно покажется вам правдоподобным.

Самое, пожалуй, простое исходит из утверждения, что

Умножаем обе стороны на 3 и получаем

Другое доказательство основано на методе, который мы использовали в главе 6 для периодических десятичных дробей. Обозначим бесконечную последовательность знаков после запятой переменной w, вот так:

Умножим обе части на 10:

Вычтем первое уравнение из второго

и получим w = 1.

А вот доказательство, для которого алгебра вообще не нужна. Надеюсь, вы согласны с тем, что два числа могут считаться разными, если между ними расположено третье число, не равное ни первому, ни второму (например, их среднее арифметическое)? Пойдем от обратного: предположим, что 0,99999… и 1 суть разные величины. Какое же тогда число будет между ними? А если такого числа нет, значит, мы не можем утверждать, что они разные.

Два числа или две бесконечные суммы считаются равными в том случае, если они сколь угодно близки друг к другу, то есть разница между ними меньше любой положительной величины, будь то 0,1 или 0,0000001, или 1, деленное на триллион. Разница между 1 и 0,99999… – наглядный тому пример, и именно это дает математикам право утверждать, что 1 и 0,99999… суть одно и то же число.

Следуя той же логике, мы можем оценить бесконечную сумму следующего ряда:

А еще мы можем найти ей физическое соответствие. Представьте, что вы стоите в двух метрах от кирпичной стены. Вы делаете шаг вперед – ровно на метр. Следующий шаг будет вполовину короче – полметра. Потом четверть метра, одна восьмая метра и так далее. С каждым шагом расстояние между вами и стеной сокращается ровно вполовину. Если проигнорировать физические ограничения на длину каждого следующего шага (в том числе и длину ваших ступней), то рано или поздно вы подберетесь вплотную к стене. Всего же вы пройдете ровно 2 метра.