chapter infinite sequences and...

33
CHAPTER 10 INFINITE SEQUENCES AND SERIES 10.1 Sequences 10.2 Infinite Series 10.3 The Integral Tests 10.4 Comparison Tests 10.5 The Ratio and Root Tests 10.6 Alternating Series: Absolute and Conditional Convergence 10.7 Power Series 10.8 Taylor and MacLaurin Series Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144) 2 10.1 Sequences Definition An infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession of numbers, called terms. It is understood that the terms have a definite order, that is, there is a first term a 1 , a second term a 2 , a third term a 3 , and so forth. Such a sequence would typically be written as a 1 ,a 2 ,a 3 ,a 4 ,….a n… where the dots are used to indicate that the sequence continues indefinitely. Some specific example are 1, 2, 3, 4, ….. 111 1, , , ,.... 234 2, 4, 6, 8, ….. 1, 1, 1, 1,…. The number a n is called the nth term or general term, of the sequence.

Upload: others

Post on 29-Feb-2020

11 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

CHAPTER 10  INFINITE SEQUENCES AND SERIES  

10.1    Sequences 10.2  Infinite Series 10.3  The Integral Tests 10.4  Comparison Tests 10.5    The Ratio and Root Tests 10.6    Alternating Series: Absolute and Conditional Convergence 10.7    Power Series 10.8    Taylor and MacLaurin Series      

    

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  2 

10.1  Sequences 

Definition 

An infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession of 

numbers, called terms. 

It is understood that the terms have a definite order, that is, there is a first term 

a1, a second term a2, a third term a3, and so forth. 

Such a sequence would typically be written as  

a1, a2, a3, a4,….an… 

where the dots are used to indicate that the sequence continues indefinitely.  

Some specific example are 

1, 2, 3, 4, ….. 1 1 1

1, , , ,....2 3 4  

 2, 4, 6, 8, …..   1, ‐1, 1, ‐1,…. 

The number an is called the nth term or general term, of the sequence. 

 

Page 2: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  3 

Example 10.1: 

In each part, find the general term of the sequence. 

(a) 1 2 3 4, , , ....

2 3 4 5              (b) 1 1 1 1, , , ....

2 4 8 16  

 

(c) 1 2 3 4, , , ....

2 3 4 5

            (d)  1, 3, 5, 7, ….. 

   

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  4 

When the general term of sequence is known, there is no need to write out the initial 

terms, and it is common to write the general term enclosed in braces. 

Sequence  Brace Notation 

1 2 3 4, , , .... ....

2 3 4 5 1

n

n  11

n

n

n

n

 

1 1 1 1 1, , , .... ...

2 4 8 16 2n  1

1

2

n

nn

 

11 2 3 4, , , ....,( 1) ,....

2 3 4 5 1n n

n

 1

1

( 1)1

nn

n

n

n

 

1, 3, 5, 7, …..,2n‐1,…  12 1

nn

n  

   

Page 3: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  5 

Convergence and Divergence 

Sometimes the numbers in a sequence approach a single value as the index n increases. 

This happens in the sequence 

1,12,13,14, … ,

1, …  

whose terms approach 0 as n gets larger, and in the sequence 

0,12,23,34,45, … ,1

1, …  

whose terms approach 1. 

On the other hand, sequences like 

√1, √2, √3,… . . , √ , … .  

have terms that get larger than any number as n increases, and sequences like 

1, 1,1, 1… . , 1 , … .  

bounce back and forth between 1 and ‐1, never converging to a single value. 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  6 

 

 

      

Example 10.2: 

Find the limit of each of these sequences. 

(a) 

1

n

                          (b)   ( 1)n                         (c)  8 2n        

 

 

         

 

Page 4: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  7 

Calculating Limits of Sequences 

    

          

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  8 

Example 10.3: 

Determine whether the sequence converges or diverges. If it converges, find the limit. 

(a) 

100

n

       

 (b) 

1n

n

        (c) 

4

4 2

3 1

5 2 1

n n

n n

  

 

 

(e) 

2

3

2 5 7n n

n

     

(b) 

5 3

4 2

2

7 3

n n

n n

          (b) 1( 1)2 1

n n

n  

 

   

Page 5: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  9 

The Sandwich Theorem 

 

 Example 10.4: 

Find the limit of the sequence: 

(a)   2

sinn

n

          (b)   

2cos

3nn

       

(c) 

1( 1)n

n

    

 

   

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  10 

Using L’Hôpital’s rule. 

The next theorem enables us to use L’Hôpital’s rule to find the limits of some sequences. It 

formalizes the connection between  lim nn

a  

and  lim ( )x

f x . 

 

Example 10.5:(Evaluating a limit using L’Hôpital’s rule). 

(a) 

lnlimn

n

n       (b) 

2

lim2nn

n

            (c) n

nn /1lim

      (d) 

1lim

1

n

n

n

n

 

   

Page 6: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  11 

Commonly Occuring Limits 

The next theorem gives some limits that arise frequently. 

 

   

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  12 

Example 10.6: 

Find the limit of each convergent sequence. 

(a)

lnn

na

n

      (b)   3n

na n      (c)   

25nna n

 

 

 

(d)    

1

3

n

na     (e)   

3n

n

na

n

    (f)   

55

!

n

nan

 

   

Page 7: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  13 

10.2    Infinite Series 

 

 

 

 

   

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  14 

i) The nth partial sum Sn of the series  na is 

1 2 ...n kS a a a  ii) The sequence of partial sums of the series  na   is  

1 2 3, , ,..... ,...nS S S S  

 

         

Example 10.7: 

Given the series 

1 1 1 1... ...

1 2 2 3 3 4 ( 1)n n

 

(a) Find S1, S2, S3, S4, S5 and S6. 

(b) Find Sn. 

(c) Show that the series converges and find its sum. 

Page 8: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  15 

Example 10.8: Given the series, 

1 1

1

( 1) 1 ( 1) 1 ( 1) ... ( 1) ...n n

n

 

(a) Find S1, S2, S3, S4, S5 and S6. 

(b) Find Sn. 

(c) Show that the series diverges. 

   

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  16 

Geometric Series 

 

Example 10.9: 

Determine whether each of the following geometric series converges or diverges. If 

the series converges, find its sum. 

(a)  0

1 3

7 2

n

n

                (b)  0

13

5

n

n

 

Page 9: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  17 

Telescoping Series 

A telescoping series does not have a set form, like the geometric series do. A telescoping 

series is any series where nearly every term cancels with a preceding or following term. For 

instance, the series 

21

1

k k k

 

Using partial fractions, we find that 

2

1 1 1 1

( 1) 1k k k kk k

 

Thus, the nth partial sum of the given series can be represented as follows: 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  18 

21 1

1 1 1

1

1 1 1 1 1 1 11 ..

2 2 3 3 4 1

1 1 1 1 1 1 11 ..

2 2 3 4 1

11

1

n n

nk k

Sk kk k

n n

n n n

n

 

The limit of the sequence of partial sums is 

1 1lim lim 1

1n

n nS

n n

 

so the series converges, with sum S = 1. 

 

 

Page 10: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  19 

 Example 10.10: 

In each case, express the nth partial sums Sn in terms of n and determine whether 

the series converges or diverges. 

(a)  0

1

( 1)( 2)n n n

          (b)  0

1 1

2 1 2 3n n n

 

   

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  20 

Divergent Series 

One reason that a series may fail to converge is that its terms don’t become small. For 

example, the series 

2 2

1

1 4 9 .... ...n

n n

 

This series is diverges because the partial sums grow beyond every number L. After n = 1, 

the partial sums 21 4 9 ....ns n  is greater than

2n . 

  

 

Theorem above states that if a series converges, then the limits of its nth term an as n  

is 0.Sometimes, it is possible for a series to become diverges. 

Page 11: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  21 

lim 0nn

a

So this theorem leads to a test for detecting the kind of divergence that occurred in some of the series.  

The nth‐Term Test 

 

If ,                    then further investigation is necessary to determine whether the series 1

nn

a

is converge or diverge. 

   

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  22 

Example 10.11: 

Applying the nth‐Term Test 

(a) 12 1n

n

n

 

 

 

(b) 2

1n

n

 

 

 

(c) 1

1

( 1)n

n

 

 

Page 12: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  23 

Combining Series 

 

 

 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  24 

Example 10.12: 

(a)  11

7 2

( 1) 3nn n n

   

 

(b)  1 11

1 1

2 6n nn

 

 

(c) 

2

1

1 1

2 3n nn

 

 

 

 

Page 13: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  25 

10.3  The Integral Tests 

    

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  26 

Example 10.13: 

Determine whether the following series converge.  

(a)  21 1n

n

n

       (b)  1

1

2 5n n

          (c) 

0

ln

n

n

n

   The p‐Series  The Integral Test is used to analyze the convergence of an entire family of infinite series 

             known as the p – series. For what values of the real numbers p does the p – series 

converge? 1

1p

n n

Page 14: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  27 

  

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  28 

        

  

 

 

 

 

Page 15: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  29 

Example 10.14: 

Test each of the following series for convergence. 

(a)  101

1

n n

       (b)  31

1

n n

              (c)  24

1

( 1)n n

  

   

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  30 

10.4  Comparison Tests 

We have seen how to determine the convergence of geometric series, p‐series and a few 

others. We can test the convergence of many more series by comparing their terms to 

those of a series whose convergence is known. 

Note:Let  na ,  nc and  nd be series with positive terms. The series  na converges if it is “smaller” than(dominated by) a 

known convergent series  nc and diverges if it is “larger” than (dominates)a known divergent series nd . That is, “smaller than 

convergent is convergent”, and “bigger than divergent is divergent”.  

Page 16: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  31 

Example 10.15: 

Test the following series for convergence. 

(a) 1

1

3 1nn

 

 

(b)  2

1

1n n

 

 

(c)  32

ln

n

n

n

 

 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  32 

 

 

Example 10.16: 

Test the following series for convergence by using the limit comparison test. 

(a) 1

1

2 5nn

     (b)  1

3 2

(3 5)n

n

n n

     (c) 

1

100

70nn

n

ne

 

   

Page 17: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  33 

10.5  The Ratio and Root Tests 

Intuitively, a series of positive terms  na converges if and only if the sequence na

decrease rapidly toward 0. One way to measure the rate at which the sequence  na is 

decreasing is to examine the ratio  nn aa /1 as n grows large. This approach leads to the 

following theorem: 

 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  34 

Note: You will find the ratio test most useful with series involving factorials or 

exponentials. 

 Example 10.17: 

Use the ratio test to determine whether the following series converge or diverge. 

(a) 

1 !

2

n

n

n              (b) 

1 !n

n

n

n

     

   

 

(c) 1

n

n

ne

            (d) 

1

( 1)( 2)

!n

n n

n

 

 

 

Page 18: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  35 

The following test is often useful if an contains powers of n. 

 

   

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  36 

Example 10.18:  

Determine whether the series is convergent or divergent.  

(a) 

1 )(ln

1

nnn    

 

         

(b)  21

2n

k n

 

 

 

(c)  1 2 1

n

n

n

n

 

 

Page 19: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  37 

Guidelines to Use the Convergence Test. 

Here is a reasonable course of action when testing a series of a positive terms 

1nnafor 

convergence. 

1. Begin with the Divergence Test. If you show that  lim 0nn

a

, then the series diverges 

and your work is finished.  

2. Is the series a special series?Recall the convergence properties for the following 

series. 

Geometric Series:    converges if  1 and diverges for  1.nar r r  

p‐series: 1  converges for  1 and diverges for  1.

pp p

n  

Check also for a telescoping series. 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  38 

3. If the general nth term of the series looks like a function you can integrate, then try 

the Integral Test. 

4. If the general nth term of the series involves, where a is a constant, the Ratio Test is 

advisable. Series with n in an exponent may yield to the Root Test. 

5. If the general nth term of the series is a rational function of  n (or a root or a rational 

function), use the Direct Comparison or the Limit Comparison Test. Use the families of 

series given in Step 2 as a comparison series. 

 

   

Page 20: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  39 

10.6  Alternating Series, Absolute and Conditional 

Convergence 

Alternating Series 

We consider alternating series in which signs strictly alternate, as in the series, 

1

1

1 1 1 1 1 1 1 11 ...

2 3 4 5 6 7 8

n

n n

 

The factor  11

n has the pattern {…,1,‐1 ,1, ‐1, …} and provides the alternating signs. 

We prove the convergence of the alternating series by applying the Alternating Series Test.

         

 

 

 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  40 

 

 

 

 

 

 

Example 10.19: 

(a)

1

21

( 1)n

n n

      (b) 

12

1

2( 1)

4 3n

n

n

n

       (c) 

1

1

2( 1)

4 3n

n

n

n

 

   

Page 21: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  41 

Absolute and Conditional Convergence 

The convergence test we have developed cannot be applied to a series that has mixed 

terms or does not strictly alternate. In such cases, it is often useful to apply the following 

theorem. 

 

The series 

1

21

( 1)n

n n

 is an example of an absolutely convergent series because the series 

of absolute values, 

1

2 21 1

( 1) 1n

n nn n

 

is a convergent p‐series. In this case, removing the alternating signs in the series does not 

affect its convergence. 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  42 

On the other hand, the convergent alternating harmonic series  

1

1

( 1)n

n n

 has the 

property that the corresponding series of absolute values, 

1

1 1

( 1) 1n

n nn n

 

does not converge. In this case, removing the alternating signs in the series does effect 

convergence. 

   

Page 22: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  43 

Example 10.20:  Determine whether the following series diverge, converge absolutely, or 

converge conditionally. 

a) 

1

1

( 1)n

n n

 

 

b) 

1

31

( 1)n

n n

 

 

c)  1

sin

n

n

n

   

 

d) 1

1( 1)

2n

n

n

n

   

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  44 

    

Page 23: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  45 

 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  46 

 10.7   Power Series 

The most important reason for developing the theory in the previous sections is to 

represent functions as power series‐that is, as series whose terms contain powers of a 

variable x.  

The good way to become familiar with power series is to return to geometric series. 

Recall that for a fixed number r, 

2

0

11 ...          , provided   1

1n

nr r r r

r

 

It’s a small change to replace the real number r by the variable x. In doing so, the geometric 

series becomes a new representation of a familiar function: 

2

0

11 ...          , provided   1

1n

nx x x x

x

 

 

Page 24: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  47 

Convergence of Power Series 

We begin by establishing the terminology of power series. 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  48 

 

Page 25: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  49 

Example : 

Find the interval and radius of convergence for each power series:  

a) 0 !

n

n

x

n

 

Solution: The center of the power series is 0 and the terms of the series are. We test the series for absolute convergence using Ratio Test: 

1

1

/( 1)!lim         (Ratio Test)

/ !

!   lim         (Invert and multiply)

( 1)!

1   lim     0       (Simplify and take the limit with   fixed)

( 1)

n

nn

n

nn

n

x n

x n

x n

nx

x xn

 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  50 

Notice that in taking the limit as n  , x is held fixed. Therefore,  0   for all values 

of  x, which implies that the interval of convergence of the power series is  

x and the radius of convergence is R  

 

   

Page 26: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  51 

b) 0

( 1) ( 2)

4

n n

nn

x

 

Solution: We test for absolute convergence using the Root Test: 

(‐1) ( 2)lim         (Root Test)

4

2      1

4  

n n

nnn

x

x

 

In this case,  depends on the value of x. For absolute convergence, x must satisfy 

21

4

x

 

which implies that  2 4x . Using standard techniques for solving inequalities, the 

solution set is  4 2 4,  or  2 6x x . Thus, the interval of convergence 

includes (‐2, 6). 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  52 

The Root Test does not give information about convergence at the endpoints, x = ‐2 

and x = 6, because at these points, the Root Test results in  1 . To test for 

convergence at the endpoints, we must substitute each endpoint into the series and 

carry out separate tests.  

At x = ‐2, the power series becomes  

0 0

0

( 1) ( 2) 4     Substitute  2 and simplify

4 4

                            1        Diverges by nth term test/divergence test

n n n

n nn n

n

xx

 

  The series clearly diverges at the left endpoint. At x = 6, the power series is 

0 0

0

( 1) ( 2) 41      Substitute  6 and simplify

4 4

                            1         Diverges by nth term test/divergence test

n n nn

n nn n

n

n

xx

 

Page 27: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  53 

This series also diverges at the right endpoint. Therefore, the interval of convergence 

is ( ‐2, 6), excluding the endpoints and the radius of convergence is R =4. 

 

(When the convergence set is the entire x‐axis). 

Show that the power series  1 !

n

n

x

n

converges for all x. 

 

 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  54 

Example 10.21: 

(Convergence only at the point x=0). 

Show that the power series  1! n

nn x

converges only when x = 0. 

 

   

Page 28: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  55 

Example 10.22: 

(Convergence set is a bounded interval). 

Find the convergence set for the power series  1

n

n

x

n

 

 

 

   

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  56 

According to the Theorem 11.23, the set of numbers for which the power series  0

nn

na x

converges is an interval centered at x =0. We call this the interval of convergence of the 

power series. If this interval has length 2R, then R is called the radius of convergence of the 

series. If the series has radius of convergence R =0, and if it converges for all x, we say that 

R . 

   

Page 29: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  57 

Example 10.23: 

Find the interval of convergence for the power series  0

2n n

n

x

n

.  

What is the radius of the convergence? 

  

Example 10.24: 

Find the interval of convergence of the power series  0

( 1)

3

n

nn

x

   

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  58 

Term‐by‐term Differentiation and Integration. 

Suppose that a power series  0

nn

na x

 has a radius of convergence r>0, and let f be defined 

by  

2 30 1 2 3

0( ) ... ...n n

n nn

f x a x a a x a x a x a x

 

for every x in the interval of convergence. If –r < x < r, then 

(i)   2 1 1

1 2 31

( ) 2 3 ... ...n nn n

nf x a a x a x na x na x

 

(ii) 

2 3 11

0 0 1 21

( ) ... ...2 3 1 1

nnx n

nn

x x x af t dt a x a a a x

n n

 

   

Page 30: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  59 

Example 10.25: 

Find a function f that is represented by the power series  

2 31 ... ( 1) ...n nx x x x  

 

 

 

Example 10.26: 

Find a power series representation for  2

1

(1 )x if  1x . 

 

 

 

 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  60 

Example 10.27: 

Find a power series representation for  ln(1 )x if  1x . 

 

 

 

 

Example 10.28: 

Find a power series representation for1tan x

   

Page 31: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  61 

10.8     Taylor and MacLaurin Series 

In the previous lecture, we considered power series representation for several special 

functions, including those where f(x) has the form 

1

(1 )x ,  ln(1 )x  and 1tan x

provided x is suitably restricted. We now wish to consider the following question. 

If a function f has a power series representation  

0( ) n

nn

f x a x

or  0( ) ( )nn

nf x a x c

 

what is the form of  na ? 

Suppose that,  

2 3 40 1 2 3 4

0( ) ...n n

nf x a x a a x a x a x a x

 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  62 

and the radius of convergence of the series is r > 0. A power series representation for  ( )f x

may be obtained by differentiating each term of the series for f(x). We may then find a 

series for  ( )f x by differentiating the terms of the series for  ( )f x . Series for  ( )f x , (4)( )f x

and so on, can be found in similar fashion. Thus, 

2 3 11 2 3 4

1( ) 2 3 4 ... n

nn

f x a a x a x a x na x

 

2 22 3 4

2( ) 2 (3 2) (4 3) ... ( 1) n

nn

f x a a x a x n n a x

33 4

3( ) (3 2) (4 3 2) ... ( 1)( 2) n

nn

f x a a x n n n a x

 

and for every positive integer k, 

( )( ) ( 1)( 2)...( 1)k n kn

n kf x n n n n k a x

 

Page 32: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  63 

Each series obtained by differentiation has the same radius of convergence r as the series 

for f(x). Substituting 0 for x in each of these representations, we obtain 

0 1 2 3(0) , (0) , (0) 2 , (0) (3 2)f a f a f a f a  

and for every positive integer k,  

( )( ) ( 1)( 2)...(1)kkf x k k k a  

If we let k =n, then  

( )( ) !nnf x n a  

Solving the preceding equations for  ,....,,, 210 aaa  we see that  

0 1 2 3

(0) (0)(0), (0), ,

2 (3 2)

f fa f a f a a

 

And, in general,       

( )(0)

!

n

n

fa

n

 

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  64 

MacLaurin Series for f(x) 

If a function f has a power series representation 

0( ) n

nn

f x a x

 

with radius of convergence r > 0, then ( )(0)kf exists for every positive integer k and 

( )(0)

!

n

n

fa

n

. Thus, 

( )2

( )

0

(0) (0)( ) (0) (0) ... ...

2! !

(0)

!

nn

nn

n

f ff x f f x x x

n

fx

n

 

   

Page 33: CHAPTER INFINITE SEQUENCES AND SERIESkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/chapter_10_infinite_series.pdfAn infinite sequence or more simply a sequence is an unending succession

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  65 

Taylor Series for f(x) 

If a function f has a power series representation 

 

 

with radius of convergence r > 0, then ( )( )kf c exists for every positive integer k and 

( )( )

!

n

n

f ca

n

. Thus, 

2

( )

( )

0

( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ...

2!

(0)( ) ...

!

( )( )

!

nn

nn

n

f cf x f c f c x c x c

fx c

n

f cx c

n

 

0( ) ( )nn

nf x a x c

Calculus & Analytic Geometry II (MATF 144)  66 

Example 10.29: 

Find the MacLaurin Series for f(x) = cos x. 

 

 

 

 

 

Example 10.30: 

Find the Taylor Series for f(x) = ln x at c =1. 

 

 

 

Prepared by: Pn.Suriawati Sahari