Maxima Manual: 15. Summen, Produkte und Reihen

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# 15. Summen, Produkte und Reihen

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## 15.1 Summen und Produkte

Funktion: bashindices (expr)

  Transformiert einen Ausdruck expr, der mehrere Summen oder Produkte enthält so, dass alle Summen und Produkte einen unterschiedlichen Index haben. Dies erleichtert zum Beispiel Substitutionen mit der Funktion `changevar`. Die neuen Indizes werden mit `jnummer` bezeichnet, wobei die Zahl nummer der Wert der Optionsvariablen `gensumnum` ist.

  Beispiel:

      (%i1) sum(1/k^2,k,0,inf)+sum(1/k,k,0,inf);
                             inf       inf
                             ====      ====
                             \     1   \     1
      (%o1)                   >    - +  >    --
                             /     k   /      2
                             ====      ====  k
                             k = 0     k = 0
      (%i2) bashindices(%);
                           inf         inf
                           ====        ====
                           \      1    \       1
      (%o2)                 >     -- +  >     ---
                           /      j2   /        2
                           ====        ====   j1
                           j2 = 0      j1 = 0

Optionsvariable: cauchysum

  Standardwert: `false`

  Werden zwei Reihen miteinander multipliziert und die Optionsvariablen `sumexpand` sowie `cauchysum` haben beide den Wert `true`, dann wird die Cauchy-Produktformel angewendet.

  Beispiele:

      (%i1) sumexpand: false$
      (%i2) cauchysum: false$
      (%i3) s: sum (f(i), i, 0, inf) * sum (g(j), j, 0, inf);
                            inf         inf
                            ====        ====
                            \           \
      (%o3)                ( >    f(i))  >    g(j)
                            /           /
                            ====        ====
                            i = 0       j = 0
      (%i4) sumexpand: true$
      (%i5) cauchysum: true$
      (%i6) ''s;
                       inf     i1
                       ====   ====
                       \      \
      (%o6)             >      >     g(i1 - i2) f(i2)
                       /      /
                       ====   ====
                       i1 = 0 i2 = 0

Optionsvariable: genindex

  Standardwert: `i`

  `genindex` enthält das Zeichen für den Präfix, der verwendet wird, um einen neuen Index für eine Summe oder ein Produkt zu generieren. Siehe auch `gensumnum`.

Optionsvariable: gensumnum

  Standardwert: 0

  `gensumnum` enthält die Nummer, die an den Präfix `genindex` angehängt wird, um den nächsten Index für eine Summe oder ein Produkt zu generieren. Hat `gensumnum` den Wert `false`, wird der Index nur aus dem Zeichen `genindex` gebildet. Siehe auch `genindex`.

Funktion: intosum (expr)

  Multipliziert Faktoren in eine Summe herein. Tritt der Index der Summe als ein Faktor außerhalb der Summe auf, wird von der Funktion `intosum` ein neuer Index gebildet. Summen haben die Eigenschaft `outative`, so dass Faktoren bei der Vereinfachung aus der Summe herausgezogen werden. Mit der Funktion `intosum` wird diese Vereinfachung rückgängig gemacht.

  Beispiel:

      (%i1) sum(2*x^2*n^k, k , 0, inf);
                                     inf
                                     ====
                                   2 \      k
      (%o1)                     2 x   >    n
                                     /
                                     ====
                                     k = 0
      (%i2) intosum(%);
                                inf
                                ====
                                \        k  2
      (%o2)                      >    2 n  x
                                /
                                ====
                                k = 0

Funktion: lsum (expr, i, L)

  Bildet die Summe für den Ausdruck expr zum Index i für alle Elemente der Liste L. Kann das Argument L nicht zu einer Liste ausgewertet werden, wird eine Substantivform zurückgegeben. Siehe auch `sum`.

  Beispiele:

      (%i1) lsum (x^i, i, [1, 2, 7]);
                                  7    2
      (%o1)                      x  + x  + x
      (%i2) lsum (i^2, i, rootsof (x^3 - 1));
                           ====
                           \      2
      (%o2)                 >    i
                           /
                           ====
                                         3
                           i in rootsof(x  - 1)

Funktion: niceindices (expr)

  Gibt den Indizes von Summen und Produkten im Ausdruck expr einen neuen Namen. `niceindices` benennt die Indizes nacheinander mit den Namen, die in der Liste der Optionsvariablen `niceindicespref` enthalten sind. Die Standardnamen sind `[i, j, k, l, m, n]`. Sind nicht genügend Namen in der Liste vorhanden, werden weitere Indizes durch das Anhängen einer Nummer gebildet.

  `niceindices` wertet das Argument aus.

  Beispiele:

      (%i1) product (sum (f (foo + i*j*bar), foo, 1, inf), bar, 1, inf);
                       inf    inf
                      /===\   ====
                       ! !    \
      (%o1)            ! !     >      f(bar i j + foo)
                       ! !    /
                      bar = 1 ====
                              foo = 1
      (%i2) niceindices (%);
                           inf  inf
                          /===\ ====
                           ! !  \
      (%o2)                ! !   >    f(i j l + k)
                           ! !  /
                          l = 1 ====
                                k = 1

Optionsvariable: niceindicespref

  Standardwert: `[i, j, k, l, m, n]`

  `niceindicespref` ist die Liste mit den Namen, die die Funktion `niceindices` nutzt, um die Indizes von Summen und Produkte umzubenennen.

  Beispiele:

      (%i1) niceindicespref: [p, q, r, s, t, u]$
      (%i2) product (sum (f (foo + i*j*bar), foo, 1, inf), bar, 1, inf);
                       inf    inf
                      /===\   ====
                       ! !    \
      (%o2)            ! !     >      f(bar i j + foo)
                       ! !    /
                      bar = 1 ====
                              foo = 1
      (%i3) niceindices (%);
                           inf  inf
                          /===\ ====
                           ! !  \
      (%o3)                ! !   >    f(i j q + p)
                           ! !  /
                          q = 1 ====
                                p = 1

Funktion: nusum (expr, i, i_0, i_1)

  Wendet den Gosper-Algorithmus der unbestimmten Summation für den Ausdruck expr und dem Index i an. Der Index i läuft von i_0 bis i_1. Der Ausdruck expr und das Ergebnis der Summation müssen als Produkte von ganzzahligen Exponentiationen, Fakultäten, Binomialen und rationalen Funktionen darstellbar sein.

  Die Funktionen `nusum` und `unsum` wenden einige Regeln für die Vereinfachung von Summen und Differenzen von endlichen Produkten an. Siehe auch `unsum`.

  Beispiele:

      (%i1) nusum (n*n!, n, 0, n);

      Dependent equations eliminated:  (1)
      (%o1)                     (n + 1)! - 1
      (%i2) nusum (n^4*4^n/binomial(2*n,n), n, 0, n);
                           4        3       2              n
            2 (n + 1) (63 n  + 112 n  + 18 n  - 22 n + 3) 4      2
      (%o2) ------------------------------------------------ - ------
                          693 binomial(2 n, n)                 3 11 7
      (%i3) unsum (%, n);
                                    4  n
                                   n  4
      (%o3)                   ----------------
                              binomial(2 n, n)
      (%i4) unsum (prod (i^2, i, 1, n), n);
                          n - 1
                          /===\
                           ! !   2
      (%o4)              ( ! !  i ) (n - 1) (n + 1)
                           ! !
                          i = 1
      (%i5) nusum (%, n, 1, n);

      Dependent equations eliminated:  (2 3)
                                  n
                                /===\
                                 ! !   2
      (%o5)                      ! !  i  - 1
                                 ! !
                                i = 1

Funktion: product (expr, i, i_0, i_1)

  Bildet das Produkt des Ausdrucks expr zum Index i in den Grenzen i_0 bis i_1. `product` wertet expr sowie die untere Grenze i_0 und obere Grenze i_1 aus. Der Index i wird nicht ausgewertet.

  Ist die Differenz der oberen und unteren Grenze eine ganze Zahl, wird expr für jeden Wert des Index i ausgewertet. Das Ergebnis ist ein explizites Produkt. Andernfalls ist der Bereich des Index unbestimmt. Maxima wendet einige einfache Regeln an, um das Produkt zu vereinfachen. Hat die Optionsvariable `simpproduct` den Wert `true`, wendet Maxima weitere Regeln an, um Produkte zu vereinfachen.

  Siehe auch `nouns` und `evflag` für die Auswertung von Ausdrücken, die die Substantivform eines Produktes enthalten.

  Beispiele:

      (%i1) product (x + i*(i+1)/2, i, 1, 4);
      (%o1)           (x + 1) (x + 3) (x + 6) (x + 10)
      (%i2) product (i^2, i, 1, 7);
      (%o2)                       25401600
      (%i3) product (a[i], i, 1, 7);
      (%o3)                 a  a  a  a  a  a  a
                             1  2  3  4  5  6  7
      (%i4) product (a(i), i, 1, 7);
      (%o4)          a(1) a(2) a(3) a(4) a(5) a(6) a(7)
      (%i5) product (a(i), i, 1, n);
                                   n
                                 /===\
                                  ! !
      (%o5)                       ! !  a(i)
                                  ! !
                                 i = 1
      (%i6) product (k, k, 1, n);
                                     n
                                   /===\
                                    ! !
      (%o6)                         ! !  k
                                    ! !
                                   k = 1
      (%i7) product (k, k, 1, n), simpproduct;
      (%o7)                          n!
      (%i8) product (integrate (x^k, x, 0, 1), k, 1, n);
                                   n
                                 /===\
                                  ! !    1
      (%o8)                       ! !  -----
                                  ! !  k + 1
                                 k = 1
      (%i9) product (if k <= 5 then a^k else b^k, k, 1, 10);
                                    15  40
      (%o9)                        a   b

Optionsvariable: simpproduct

  Standardwert: `false`

  Hat `simpproduct` den Wert `true`, versucht Maxima ein Produkt weiter zu vereinfachen. Die Vereinfachung kann eine geschlossene Form liefern. Hat `simpproduct` den Wert `false` oder wird das Produkt als Substantivform `'product` definiert, werden nur einige einfache Regeln von Maxima für die Vereinfachung angewendet. `simpproduct` ist auch ein Auswertungsschalter. Siehe `evflag`.

  Siehe auch `product` für ein Beispiel.

Optionsvariable: simpsum

  Standardwert: `false`

  Hat `simpsum` den Wert `true`, versucht Maxima eine Summe oder Reihe weiter zu vereinfachen. Die Vereinfachung kann eine geschlossene Form liefern. Hat `simpsum` den Wert `false` oder die Summe oder Reihe liegt als Substantivform `'sum` vor, werden nur einige einfache Regeln von Maxima für die Vereinfachung angewendet. `simpsum` ist auch ein Auswertungsschalter. Siehe `evflag`.

  Siehe auch `sum` für ein Beispiel.

Funktion: sum (expr, i, i_0, i_1)

  Bildet die Summe des Ausdrucks expr zum Index i in den Grenzen i_0 bis i_1. Die Funktion `sum` wertet expr sowie die untere Grenze i_0 und obere Grenze i_1 aus. Der Index i wird nicht ausgewertet.

  Ist die Differenz der oberen und unteren Grenze eine ganze Zahl, wird expr für jeden Wert des Index i ausgewertet. Das Ergebnis ist eine explizite Summe. Andernfalls ist der Bereich des Index unbestimmt. Maxima wendet einige einfache Regeln an, um die Summe zu vereinfachen. Hat die Optionsvariable `simpsum` den Wert `true`, wendet Maxima weitere Regeln an, um Summen zu vereinfachen.

  Werden zwei unendliche Reihen miteinander multipliziert und die Optionsvariablen `sumexpand` sowie `cauchysum` haben beide den Wert `true`, dann wird die Cauchy-Produktformel angewendet.

  Die Optionsvariable `genindex` enthält das Zeichen, das der Präfix eines automatisch generierten Index ist. `gensumnum` enthält eine ganze Zahl, die an den Präfix `genindex` angehängt wird, um einen automatischen Index zu generieren. `gensumnum` wird von Maxima automatisch erhöht. Hat `gensumnum` den Wert `false`, wird keine Zahl an den Präfix angehängt.

  Das Paket `simplify_sum` enthält die Funktion `simplify_sum`, mit der Summen zu einer geschlossenen Form vereinfacht werden können.

  Siehe auch `sumcontract`, `sumexpand`, `intosum`, `bashindices`, `niceindices`, `cauchysum` und `zeilberger`.

  Beispiele:

      (%i1) sum (i^2, i, 1, 7);
      (%o1)                          140
      (%i2) sum (a[i], i, 1, 7);
      (%o2)           a  + a  + a  + a  + a  + a  + a
                       7    6    5    4    3    2    1
      (%i3) sum (a(i), i, 1, 7);
      (%o3)    a(7) + a(6) + a(5) + a(4) + a(3) + a(2) + a(1)
      (%i4) sum (a(i), i, 1, n);
                                  n
                                 ====
                                 \
      (%o4)                       >    a(i)
                                 /
                                 ====
                                 i = 1
      (%i5) sum (2^i + i^2, i, 0, n);
                                n
                               ====
                               \       i    2
      (%o5)                     >    (2  + i )
                               /
                               ====
                               i = 0
      (%i6) sum (2^i + i^2, i, 0, n), simpsum;
                                    3      2
                         n + 1   2 n  + 3 n  + n
      (%o6)             2      + --------------- - 1
                                        6
      (%i7) sum (1/3^i, i, 1, inf);
                                  inf
                                  ====
                                  \     1
      (%o7)                        >    --
                                  /      i
                                  ====  3
                                  i = 1
      (%i8) sum (1/3^i, i, 1, inf), simpsum;
                                      1
      (%o8)                           -
                                      2
      (%i9) sum (i^2, i, 1, 4) * sum (1/i^2, i, 1, inf);
                                    inf
                                    ====
                                    \     1
      (%o9)                      30  >    --
                                    /      2
                                    ====  i
                                    i = 1
      (%i10) sum (i^2, i, 1, 4) * sum (1/i^2, i, 1, inf), simpsum;
                                        2
      (%o10)                       5 %pi
      (%i11) sum (integrate (x^k, x, 0, 1), k, 1, n);
                                  n
                                 ====
                                 \       1
      (%o11)                      >    -----
                                 /     k + 1
                                 ====
                                 k = 1
      (%i12) sum (if k <= 5 then a^k else b^k, k, 1, 10);
                10    9    8    7    6    5    4    3    2
      (%o12)   b   + b  + b  + b  + b  + a  + a  + a  + a  + a

Funktion: sumcontract (expr)

  Fasst alle Summen in dem Ausdruck expr zusammen, die sich in ihrem oberen und unterem Index nur um eine Konstante voneinander unterscheiden. Das Ergebnis ist eine Ausdruck mit einer Summe, für die Summen, die zusammengefasst werden können und weiteren Termen, die hinzu addiert werden müssen, um einen äquivalenten Ausdruck zu erhalten.

  Es kann notwendig sein zunächst das Kommando `intosum(expr)` auszuführen. Siehe `intosum`.

  Beispiel:

      (%i1) 'sum(1/l,l,1,n)+'sum(k,k,1,n+2);
                               n        n + 2
                              ====      ====
                              \     1   \
      (%o1)                    >    - +  >    k
                              /     l   /
                              ====      ====
                              l = 1     k = 1
      (%i2) sumcontract(%);
                                  n
                                 ====
                                 \          1
      (%o2)                2 n +  >    (l + -) + 3
                                 /          l
                                 ====
                                 l = 1

Optionsvariable: sumexpand

  Standardwert: `false`

  Hat die Optionsvariable `sumexpand` den Wert `true`, werden Produkte von Summen und Potenzen von Summen zu verschachtelten Summen vereinfacht. Siehe auch `cauchysum`.

  Beispiele:

      (%i1) sumexpand: true$
      (%i2) sum (f (i), i, 0, m) * sum (g (j), j, 0, n);
                           m      n
                          ====   ====
                          \      \
      (%o2)                >      >     f(i1) g(i2)
                          /      /
                          ====   ====
                          i1 = 0 i2 = 0
      (%i3) sum (f (i), i, 0, m)^2;
                           m      m
                          ====   ====
                          \      \
      (%o3)                >      >     f(i3) f(i4)
                          /      /
                          ====   ====
                          i3 = 0 i4 = 0

Funktion: unsum (f, n)

  Gibt die erste Rückwärtsdifferenz `f(n) - f(n-1)` zurück. Siehe auch `nusum`.

  Beispiele:

      (%i1) g(p) := p*4^n/binomial(2*n,n);
                                           n
                                        p 4
      (%o1)               g(p) := ----------------
                                  binomial(2 n, n)
      (%i2) g(n^4);
                                    4  n
                                   n  4
      (%o2)                   ----------------
                              binomial(2 n, n)
      (%i3) nusum (%, n, 0, n);
                           4        3       2              n
            2 (n + 1) (63 n  + 112 n  + 18 n  - 22 n + 3) 4      2
      (%o3) ------------------------------------------------ - ------
                          693 binomial(2 n, n)                 3 11 7
      (%i4) unsum (%, n);
                                    4  n
                                   n  4
      (%o4)                   ----------------
                              binomial(2 n, n)

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## 15.2 Einführung in Reihen

Maxima kennt die Funktionen `taylor` und `powerseries`, um die Reihenentwicklung von differenzierbaren Funktionen zu finden. Maxima hat weiterhin Funktionen wie `nusum`, um geschlossene Formen von Reihen zu finden. Operationen wie die Addition und Multiplikation arbeiten wie gewohnt für Reihen. Das folgende Kapitel beschreibt die Variablen und Funktionen für eine Reihenentwicklung.

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## 15.3 Funktionen und Variablen für Reihen

Funktion: deftaylor (f_1(x_1), expr_1, …, f_n(x_n), expr_n)

  Für eine Funktion f_i einer Variablen x_i definiert `deftaylor` den Ausdruck expr_i als die Taylorreihe um den Nullpunkt. expr_i ist typischerweise ein Polynom in der Variablen x_i oder eine Summe. `deftaylor` akzeptiert aber auch allgemeinere Ausdrücke.

  `powerseries(f_i(x_i), x_i, 0)` gibt die Reihe zurück, die mit `deftaylor` definiert wurde.

  `deftaylor` gibt eine Liste der Funktionen f_1, …, f_n zurück. `deftaylor` wertet die Argumente aus.

  Siehe auch `taylor` und `powerseries`.

  Beispiele:

      (%i1) deftaylor (f(x), x^2 + sum(x^i/(2^i*i!^2), i, 4, inf));
      (%o1)                          [f]
      (%i2) powerseries (f(x), x, 0);
                            inf
                            ====      i1
                            \        x         2
      (%o2)                  >     -------- + x
                            /       i1    2
                            ====   2   i1!
                            i1 = 4
      (%i3) taylor (exp (sqrt (f(x))), x, 0, 4);
                            2         3          4
                           x    3073 x    12817 x
      (%o3)/T/     1 + x + -- + ------- + -------- + . . .
                           2     18432     307200

Optionsvariable: maxtayorder

  Standardwert: `true`

  Hat `maxtayorder` den Wert `true`, werden bei der algebraischen Manipulation von Taylor-Reihen, von der Funktion `taylor` so viele Terme wie möglich mitgeführt.

Funktion: pade (taylor_series, numer_deg_bound, denom_deg_bound)

  Gibt eine Liste aller rationalen Funktionen zurück, die die angegebene Taylor-Reihenentwicklung haben und deren Summe des Nennergrads und des Zählergrads kleiner oder gleich des Grads der Reihenentwicklung ist.

  Das Argument taylor_series ist eine Taylor-Reihe in einer Variablen. Die Argumente numer_deg_bound und denom_deg_bound sind positive ganze Zahlen, die eine Grenze für den Nennergrad und den Zählergrad der rationalen Funktion angeben.

  Die Taylor-Reihe kann auch eine Laurent-Reihe sein und die Grenzen für den Grad können `inf` sein.

  Siehe auch `taylor`.

  Beispiele:

      (%i1) taylor (1 + x + x^2 + x^3, x, 0, 3);
                                    2    3
      (%o1)/T/             1 + x + x  + x  + . . .
      (%i2) pade (%, 1, 1);
                                       1
      (%o2)                       [- -----]
                                     x - 1
      (%i3) t: taylor(-(83787*x^10 - 45552*x^9 - 187296*x^8
                         + 387072*x^7 + 86016*x^6 - 1507328*x^5
                         + 1966080*x^4 + 4194304*x^3 - 25165824*x^2
                         + 67108864*x - 134217728)
               /134217728, x, 0, 10);
                          2    3       4       5       6        7
                   x   3 x    x    15 x    23 x    21 x    189 x
      (%o3)/T/ 1 - - + ---- - -- - ----- + ----- - ----- - ------
                   2    16    32   1024    2048    32768   65536

                                        8         9          10
                                  5853 x    2847 x    83787 x
                                + ------- + ------- - --------- + . . .
                                  4194304   8388608   134217728
      (%i4) pade (t, 4, 4);
      (%o4)                          []

  Es gibt keine rationale Funktion des Grads 4 im Zähler und Nenner für die oben angegebene Taylor-Reihenentwicklung. Die Summe des Zählergrads und des Nennergrads müssen mindestens gleich dem Grad der Reihenentwicklung sein. In diesem Fall ist der Grad der Taylor-Reihenentwicklung `10`.

      (%i5) pade (t, 5, 5);
                           5                4                 3
      (%o5) [- (520256329 x  - 96719020632 x  - 489651410240 x

                        2
       - 1619100813312 x  - 2176885157888 x - 2386516803584)

                     5                 4                  3
      /(47041365435 x  + 381702613848 x  + 1360678489152 x

                        2
       + 2856700692480 x  + 3370143559680 x + 2386516803584)]

Funktion: powerseries (expr, x, a)

  Gibt eine geschlossene Form für die Reihenentwicklung des Ausdrucks expr in der Variablen x um den Punkt a zurück. Das Argument a kann die Werte `inf` oder `infinity` haben. Die Reihenentwicklung für eine Funktion `f(x)` hat die allgemeine Form:

                        inf
                        ====
                        \               n
             f(x) =      >    b  (x - a)
                        /      n
                        ====
                        n = 0

  Mit den Koeffzienten:

                           !
                  d        !
                  -- (f(x))!
                  dn       !
                           !x = a
             b  = ---------------
              n         n!

  Kann die Funktion `powerseries` keine Reihenentwicklung für den Ausdruck expr finden, können möglicherweise mit der Funktion `taylor` die ersten Terme der Reihenentwicklung berechnet werden.

  Hat die Optionsvariable `verbose` den Wert `true`, werden Meldungen zu den verwendeten Algorithmen von der Funktion `powerseries` angezeigt.

  Beispiel:

      (%i1) verbose: true$

      (%i2) powerseries (log(sin(x)/x), x, 0);
      trigreduce: can't expand
                       log(sin(x))

      trigreduce: try again after applying the rule:
                                       d
                                     / -- (sin(x))
                                     [ dx
                       log(sin(x)) = I ----------- dx
                                     ]   sin(x)
                                     /

      powerseries: first simplification returned
                                      /
                                      [
                           - log(x) + I cot(x) dx
                                      ]
                                      /

                 inf
                 ====        i1  - 1 + 2 i1             2 i1
                 \      (- 1)   2           bern(2 i1) x
      (%o2)       >     ------------------------------------
                 /                   i1 (2 i1)!
                 ====
                 i1 = 1

Option variable: psexpand

  Default value: `false`

  When `psexpand` is `true`, an extended rational function expression is displayed fully expanded. The switch `ratexpand` has the same effect.

  When `psexpand` is `false`, a multivariate expression is displayed just as in the rational function package.

  When `psexpand` is `multi`, then terms with the same total degree in the variables are grouped together.

Funktion: revert (expr, x)
Funktion: revert2 (expr, x, n)

  Die Funktion `revert` berechnet eine Taylorreihe in der Variablen x um den Entwicklungspunkt Null, die der Taylorreihe der inversen Funktion entspricht, die von der Taylorreihe expr repräsentiert wird. Das Ergebnis ist ein Polynom in einer CRE-Darstellung mit dem Grad der höchsten Potenz im Ausdruck expr.

  Die Funktion `revert2` entspricht der Funktion `revert` mit dem Unterschied, dass mit dem dritten Argument n der Grad der neuen Taylorreihe explizit angegeben werden kann. Dieser kann kleiner oder größer als der Grad der Taylorreihe expr sein.

  Mit dem Kommando `load(revert)` werden die Funktionen geladen.

  Siehe auch die Funktion `taylor`.

  Beispiel:

  Die Inverse der Funktion `exp(x) - 1` ist die Funktion `log(x+1)`. Mit dem Kommando `revert(taylor(exp(x) - 1, x, 0, 6), x)` wird die Taylorreihe der Inversen `log(x+1)` berechnet.

      (%i1) load (revert)$
      (%i2) t: taylor (exp(x) - 1, x, 0, 6);
                         2    3    4    5     6
                        x    x    x    x     x
      (%o2)/T/      x + -- + -- + -- + --- + --- + . . .
                        2    6    24   120   720
      (%i3) revert (t, x);
                     6       5       4       3       2
                 10 x  - 12 x  + 15 x  - 20 x  + 30 x  - 60 x
      (%o3)/R/ - --------------------------------------------
                                      60
      (%i4) ratexpand (%);
                           6    5    4    3    2
                          x    x    x    x    x
      (%o4)             - -- + -- - -- + -- - -- + x
                          6    5    4    3    2
      (%i5) taylor (log(x+1), x, 0, 6);
                          2    3    4    5    6
                         x    x    x    x    x
      (%o5)/T/       x - -- + -- - -- + -- - -- + . . .
                         2    3    4    5    6
      (%i6) ratsimp (revert (t, x) - taylor (log(x+1), x, 0, 6));
      (%o6)                           0
      (%i7) revert2 (t, x, 4);
                                4    3    2
                               x    x    x
      (%o7)                  - -- + -- - -- + x
                               4    3    2

Funktion: taylor (expr, x, a, n)
Funktion: taylor (expr, [x_1, x_2, …], a, n)
Funktion: taylor (expr, [x, a, n, 'asymp])
Funktion: taylor (expr, [x_1, x_2, …], [a_1, a_2, …], [n_1, n_2, …])
Funktion: taylor (expr, [x_1, a_1, n_1], [x_2, a_2, n_2], …)

  `taylor(expr, x, a, n)` entwickelt den Ausdruck expr in eine Taylor- oder Laurent-Reihenwicklung in der Variablen x um den Punkt a, die die Terme bis zur Ordnung `(x - a)^n` enthält.

  Hat der Ausdruck expr die Form `f(x)/g(x)` und hat `g(x)` keine Terme bis zur Ordnung n, dann versucht `taylor` den Ausdruck `g(x)` bis zur Ordnung `2 n` zu entwickeln. Treten in der Entwicklung weiterhin keine von Null verschiedenen Terme auf, verdoppelt `taylor` die Ordnung der Entwicklung für `g(x)` so lange, wie die Ordnung kleiner oder gleich `n 2^taylordepth` ist. Siehe auch `taylordepth`.

  `taylor(expr, [x_1, x_2, ...], a, n)` gibt die Reihenentwicklung der Ordnung n in allen Variablen x_1, x_2, … um den Punkt a zurück.

  Die beiden folgenden äquivalenten Kommandos `taylor(expr, [x_1, a_1, n_1], [x_2, a_2, n_2], ...)` und `taylor(expr, [x_1, x_2, ...], [a_1, a_2, ...], [n_1, n_2, ...])` geben eine Reihenentwicklung für die Variablen x_1, x_2, … um den Punkt `(a_1, a_2, ...)` mit den Ordnungen n_1, n_2, … zurück.

  `taylor(expr, [x, a, n, 'asymp])` entwickelt den Ausdruck expr in negativen Potenzen von `x - a`. Der Term mit der größten Ordnung ist `(x - a)^-n`.

  Folgende Optionsvariablen kontrollieren die Berechnung einer Taylorreihe:

  `maxtayorder`

    Hat `maxtayorder` den Wert `true`, werden bei der algebraischen Manipulation von Taylor-Reihen, von der Funktion `taylor` so viele Terme wie möglich mitgeführt.

  `taylordepth`

    Findet `taylor` keine von Null verschiedenen Terme in der Reihenentwicklung, wird die Ordnung der Entwicklung solange erhöht wie sie kleiner oder gleich `2^taylordepth` ist.

  `taylor_logexpand`

    Die Optionsvariable `taylor_logexpand` kontrolliert die Entwicklung von Logarithmusfunktionen, die bei der Reihenentwicklung auftreten. Der Standardwert ist `true` und die Logarithmusfunktionen in einer Reihenentwicklung werden vollständig entwickelt.

  `taylor_order_coefficients`

    Die Optionsvariable `taylor_order_coefficients` kontrolliert die Anordung von Termen in einer Reihenentwicklung. Der Standardwert ist `true` und die Anordung entspricht der kanonischen Darstellung eines Ausdrucks.

  `taylor_truncate_polynomials`

    Hat die Optionsvariable `taylor_truncate_polynomials` den Wert `false`, wird das Ergebnis der Reihenentwicklung eines Polynoms als exakt angenommen.

  `taylor_simplifier`

    Die Funktion zur Vereinfachung der Koeffizienten einer Entwicklung ist in der Optionsvariablen `taylor_simplifier` enthalten. Der Standardwert ist `simplify`. Der Variablen kann eine nutzerdefinierte Funktion zugewiesen werden.

  Mit der Funktion `taylorp` kann getestet werden, ob ein Ausdruck eine Taylorreihe repräsentiert. Die Funktion `taylorinfo` gibt Informationen zu einer Taylorreihe aus. Die spezielle CRE-Form einer Taylorreihe wird mit der Funktion `taytorat` in eine Standardform gebracht. Mit den Funktionen `revert` und `revert2` kann die Taylorreihe einer inversen Funktion berechnet werden.

  Beispiele:

      (%i1) taylor (sqrt (sin(x) + a*x + 1), x, 0, 3);
                                 2             2
                   (a + 1) x   (a  + 2 a + 1) x
      (%o1)/T/ 1 + --------- - -----------------
                       2               8

                                         3      2             3
                                     (3 a  + 9 a  + 9 a - 1) x
                                   + -------------------------- + . . .
                                                 48
      (%i2) %^2;
                                          3
                                         x
      (%o2)/T/           1 + (a + 1) x - -- + . . .
                                         6
      (%i3) taylor (sqrt (x + 1), x, 0, 5);
                             2    3      4      5
                        x   x    x    5 x    7 x
      (%o3)/T/      1 + - - -- + -- - ---- + ---- + . . .
                        2   8    16   128    256
      (%i4) %^2;
      (%o4)/T/                  1 + x + . . .
      (%i5) product ((1 + x^i)^2.5, i, 1, inf)/(1 + x^2);
                               inf
                              /===\
                               ! !    i     2.5
                               ! !  (x  + 1)
                               ! !
                              i = 1
      (%o5)                   -----------------
                                    2
                                   x  + 1
      (%i6) ev (taylor(%, x,  0, 3), keepfloat);
                                     2           3
      (%o6)/T/    1 + 2.5 x + 3.375 x  + 6.5625 x  + . . .
      (%i7) taylor (1/log (x + 1), x, 0, 3);
                                     2       3
                       1   1   x    x    19 x
      (%o7)/T/         - + - - -- + -- - ----- + . . .
                       x   2   12   24    720
      (%i8) taylor (cos(x) - sec(x), x, 0, 5);
                                      4
                                 2   x
      (%o8)/T/                - x  - -- + . . .
                                     6
      (%i9) taylor ((cos(x) - sec(x))^3, x, 0, 5);
      (%o9)/T/                    0 + . . .
      (%i10) taylor (1/(cos(x) - sec(x))^3, x, 0, 5);
                                                     2          4
                  1     1       11      347    6767 x    15377 x
      (%o10)/T/ - -- + ---- + ------ - ----- - ------- - --------
                   6      4        2   15120   604800    7983360
                  x    2 x    120 x

                                                                + . . .
      (%i11) taylor (sqrt (1 - k^2*sin(x)^2), x, 0, 6);
                     2  2       4      2   4
                    k  x    (3 k  - 4 k ) x
      (%o11)/T/ 1 - ----- - ----------------
                      2            24

                                          6       4       2   6
                                     (45 k  - 60 k  + 16 k ) x
                                   - -------------------------- + . . .
                                                720
      (%i12) taylor ((x + 1)^n, x, 0, 4);
                            2       2     3      2         3
                          (n  - n) x    (n  - 3 n  + 2 n) x
      (%o12)/T/ 1 + n x + ----------- + --------------------
                               2                 6

                                     4      3       2         4
                                   (n  - 6 n  + 11 n  - 6 n) x
                                 + ---------------------------- + . . .
                                                24
      (%i13) taylor (sin (y + x), x, 0, 3, y, 0, 3);
                     3                 2
                    y                 y
      (%o13)/T/ y - -- + . . . + (1 - -- + . . .) x
                    6                 2

                          3                       2
                     y   y            2      1   y            3
                + (- - + -- + . . .) x  + (- - + -- + . . .) x  + . . .
                     2   12                  6   12
      (%i14) taylor (sin (y + x), [x, y], 0, 3);
                           3        2      2      3
                          x  + 3 y x  + 3 y  x + y
      (%o14)/T/   y + x - ------------------------- + . . .
                                      6
      (%i15) taylor (1/sin (y + x), x, 0, 3, y, 0, 3);
                1   y              1    1               1            2
      (%o15)/T/ - + - + . . . + (- -- + - + . . .) x + (-- + . . .) x
                y   6               2   6                3
                                   y                    y

                                                 1            3
                                            + (- -- + . . .) x  + . . .
                                                  4
                                                 y
      (%i16) taylor (1/sin (y + x), [x, y], 0, 3);
                                   3         2       2        3
                  1     x + y   7 x  + 21 y x  + 21 y  x + 7 y
      (%o16)/T/ ----- + ----- + ------------------------------- + . . .
                x + y     6                   360

Optionsvariable: taylordepth

  Standardwert: 3

  Findet die Funktion `taylor` keine von Null verschiedenen Terme in der Reihenentwicklung, wird die Ordnung der Entwicklung solange erhöht wie sie kleiner oder gleich `2^taylordepth` ist.

  Siehe auch `taylor`.

Funktion: taylorinfo (expr)

  Gibt Informationen über die Taylorreihe expr zurück. Die Rückgabe ist eine Liste, die Listen mit den Namen der Variablen, den Entwicklungspunkten und den Ordnungen der Entwicklung enthalten.

  Ist expr keine Taylorreihe, ist die Rückgabe `false`.

  Beispiele:

      (%i1) taylor ((1 - y^2)/(1 - x), x, 0, 3, [y, a, inf]);
                        2                       2
      (%o1)/T/ - (y - a)  - 2 a (y - a) + (1 - a )

               2                        2
       + (1 - a  - 2 a (y - a) - (y - a) ) x

               2                        2   2
       + (1 - a  - 2 a (y - a) - (y - a) ) x

               2                        2   3
       + (1 - a  - 2 a (y - a) - (y - a) ) x  + . . .
      (%i2) taylorinfo(%);
      (%o2)               [[y, a, inf], [x, 0, 3]]

Funktion: taylorp (expr)

  Hat den Rückgabewert `true`, wenn das Argument expr eine Taylorreihe ist. Ansonsten ist der Rückgabewert `false`.

Optionsvariable: taylor_logexpand

  Standardwert: `true`

  `taylor_logexpand` kontrolliert die Entwicklung von Logarithmen in einer Taylorreihe. Der Standardwert ist `true` und die Logarithmusfunktionen in einer Reihenentwicklung werden vollständig entwickelt. Ansonsten werden Logarithmusfunktionen so weit entwickelt, wie es notwendig ist, um eine formale Reihenentwicklung zu erhalten.

Optionsvariable: taylor_order_coefficients

  Standardwert: `true`

  Die Optionsvariable `taylor_order_coefficients` kontrolliert die Ordnung der Koeffizienten einer Taylorreihenentwicklung. Hat `taylor_order_coefficients` den Wert `true`, werden die Koeffizienten kanonisch angeordnet.

Optionsvariable: taylor_simplifier

  Standardwert: `SIMPLIFY`

  Die Optionsvariable `taylor_simplifier` enthält den Namen der Funktion, die für die Vereinfachung der Koeffizienten einer Taylorreihenentwicklung von `taylor` aufgerufen wird. Der Standardwert ist die Lisp-Funktion `SIMPLIFY`.

Optionsvariable: taylor_truncate_polynomials

  Standardwert: `true`

  Hat die Optionsvariable `taylor_truncate_polynomials` den Wert `false`, wird das Ergebnis der Reihenentwicklung eines Polynoms als exakt angenommen.

  Beispiel:

      (%i1) taylor(x^6+x^4+x^2,x,0,4),taylor_truncate_polynomials:true;
                                2    4
      (%o1)/T/                 x  + x  + . . .
      (%i2) taylor(x^6+x^4+x^2,x,0,4),taylor_truncate_polynomials:false;
                                    2    4
      (%o2)/T/                     x  + x

Funktion: taytorat (expr)

  Konvertiert den Ausdruck expr von der speziellen Darstellung einer Taylorreihenentwicklung in eine CRE-Form.

  Beispiel:

      (%i1) taylor(atan(x),x,0,5);
                                  3    5
                                 x    x
      (%o1)/T/               x - -- + -- + . . .
                                 3    5
      (%i2) taytorat(%);
                                5      3
                             3 x  - 5 x  + 15 x
      (%o2)/R/               ------------------
                                     15

Funktion: trunc (expr)

  Die Rückgabe der Funktion `trunc` ist ein Ausdruck, der das Argument expr in der Ausgabe wie eine Taylorreihenentwicklung anzeigt. Der Ausdruck expr wird ansonsten nicht modifiziert.

  Beispiel:

      (%i1) expr: x^2 + x + 1;
                                  2
      (%o1)                      x  + x + 1
      (%i2) trunc (expr);
                                      2
      (%o2)                  1 + x + x  + . . .
      (%i3) is (expr = trunc (expr));
      (%o3)                         true

Optionsvariable: verbose

  Standardwert: `false`

  Hat die Optionsvariable `verbose` den Wert `true`, werden von der Funktion `powerseries` Meldungen über die verwendeten Algorithmen ausgegeben.

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## 15.4 Poisson Reihen

Function: intopois (a)

  Converts a into a Poisson encoding.

Function: outofpois (a)

  Converts a from Poisson encoding to general representation. If a is not in Poisson form, `outofpois` carries out the conversion, i.e., the return value is `outofpois (intopois (a))`. This function is thus a canonical simplifier for sums of powers of sine and cosine terms of a particular type.

Function: poisdiff (a, b)

  Differentiates a with respect to b. b must occur only in the trig arguments or only in the coefficients.

Function: poisexpt (a, b)

  Functionally identical to `intopois (a^b)`. b must be a positive integer.

Function: poisint (a, b)

  Integrates in a similarly restricted sense (to `poisdiff`). Non-periodic terms in b are dropped if b is in the trig arguments.

Option variable: poislim

  Default value: 5

  `poislim` determines the domain of the coefficients in the arguments of the trig functions. The initial value of 5 corresponds to the interval [-2^(5-1)+1,2^(5-1)], or [-15,16], but it can be set to [-2^(n-1)+1, 2^(n-1)].

Function: poismap (series, sinfn, cosfn)

  will map the functions sinfn on the sine terms and cosfn on the cosine terms of the Poisson series given. sinfn and cosfn are functions of two arguments which are a coefficient and a trigonometric part of a term in series respectively.

Function: poisplus (a, b)

  Is functionally identical to `intopois (a + b)`.

Function: poissimp (a)

  Converts a into a Poisson series for a in general representation.

Special symbol: poisson

  The symbol `/P/` follows the line label of Poisson series expressions.

Function: poissubst (a, b, c)

  Substitutes a for b in c. c is a Poisson series.

  (1) Where B is a variable u, v, w, x, y, or z, then a must be an expression linear in those variables (e.g., `6*u + 4*v`).

  (2) Where b is other than those variables, then a must also be free of those variables, and furthermore, free of sines or cosines.

  `poissubst (a, b, c, d, n)` is a special type of substitution which operates on a and b as in type (1) above, but where d is a Poisson series, expands `cos(d)` and `sin(d)` to order n so as to provide the result of substituting `a + d` for b in c. The idea is that d is an expansion in terms of a small parameter. For example, `poissubst (u, v, cos(v), %e, 3)` yields `cos(u)*(1 - %e^2/2) - sin(u)*(%e - %e^3/6)`.

Function: poistimes (a, b)

  Is functionally identical to `intopois (a*b)`.

Function: poistrim ()

  is a reserved function name which (if the user has defined it) gets applied during Poisson multiplication. It is a predicate function of 6 arguments which are the coefficients of the u, v, …, z in a term. Terms for which `poistrim` is `true` (for the coefficients of that term) are eliminated during multiplication.

Function: printpois (a)

  Prints a Poisson series in a readable format. In common with `outofpois`, it will convert a into a Poisson encoding first, if necessary.

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## 15.5 Kettenbrüche

Function: cf (expr)

  Converts expr into a continued fraction. expr is an expression comprising continued fractions and square roots of integers. Operands in the expression may be combined with arithmetic operators. Aside from continued fractions and square roots, factors in the expression must be integer or rational numbers. Maxima does not know about operations on continued fractions outside of `cf`.

  `cf` evaluates its arguments after binding `listarith` to `false`. `cf` returns a continued fraction, represented as a list.

  A continued fraction `a + 1/(b + 1/(c + ...))` is represented by the list `[a, b, c, ...]`. The list elements `a`, `b`, `c`, … must evaluate to integers. expr may also contain `sqrt (n)` where `n` is an integer. In this case `cf` will give as many terms of the continued fraction as the value of the variable `cflength` times the period.

  A continued fraction can be evaluated to a number by evaluating the arithmetic representation returned by `cfdisrep`. See also `cfexpand` for another way to evaluate a continued fraction.

  See also `cfdisrep`, `cfexpand`, and `cflength`.

  Examples:

  - expr is an expression comprising continued fractions and square roots of integers.

        (%i1) cf ([5, 3, 1]*[11, 9, 7] + [3, 7]/[4, 3, 2]);
        (%o1)               [59, 17, 2, 1, 1, 1, 27]
        (%i2) cf ((3/17)*[1, -2, 5]/sqrt(11) + (8/13));
        (%o2)        [0, 1, 1, 1, 3, 2, 1, 4, 1, 9, 1, 9, 2]

  - `cflength` controls how many periods of the continued fraction are computed for algebraic, irrational numbers.

        (%i1) cflength: 1$
        (%i2) cf ((1 + sqrt(5))/2);
        (%o2)                    [1, 1, 1, 1, 2]
        (%i3) cflength: 2$
        (%i4) cf ((1 + sqrt(5))/2);
        (%o4)               [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2]
        (%i5) cflength: 3$
        (%i6) cf ((1 + sqrt(5))/2);
        (%o6)           [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2]

  - A continued fraction can be evaluated by evaluating the arithmetic representation returned by `cfdisrep`.

        (%i1) cflength: 3$
        (%i2) cfdisrep (cf (sqrt (3)))$
        (%i3) ev (%, numer);
        (%o3)                   1.731707317073171

  - Maxima does not know about operations on continued fractions outside of `cf`.

        (%i1) cf ([1,1,1,1,1,2] * 3);
        (%o1)                     [4, 1, 5, 2]
        (%i2) cf ([1,1,1,1,1,2]) * 3;
        (%o2)                  [3, 3, 3, 3, 3, 6]

Function: cfdisrep (list)

  Constructs and returns an ordinary arithmetic expression of the form `a + 1/(b + 1/(c + ...))` from the list representation of a continued fraction `[a, b, c, ...]`.

      (%i1) cf ([1, 2, -3] + [1, -2, 1]);
      (%o1)                     [1, 1, 1, 2]
      (%i2) cfdisrep (%);
                                        1
      (%o2)                     1 + ---------
                                          1
                                    1 + -----
                                            1
                                        1 + -
                                            2

Function: cfexpand (x)

  Returns a matrix of the numerators and denominators of the last (column 1) and next-to-last (column 2) convergents of the continued fraction x.

      (%i1) cf (rat (ev (%pi, numer)));

      `rat' replaced 3.141592653589793 by 103993/33102 =3.141592653011902
      (%o1)                  [3, 7, 15, 1, 292]
      (%i2) cfexpand (%);
                               [ 103993  355 ]
      (%o2)                    [             ]
                               [ 33102   113 ]
      (%i3) %[1,1]/%[2,1], numer;
      (%o3)                   3.141592653011902

Option variable: cflength

  Default value: 1

  `cflength` controls the number of terms of the continued fraction the function `cf` will give, as the value `cflength` times the period. Thus the default is to give one period.

      (%i1) cflength: 1$
      (%i2) cf ((1 + sqrt(5))/2);
      (%o2)                    [1, 1, 1, 1, 2]
      (%i3) cflength: 2$
      (%i4) cf ((1 + sqrt(5))/2);
      (%o4)               [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2]
      (%i5) cflength: 3$
      (%i6) cf ((1 + sqrt(5))/2);
      (%o6)           [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2]

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