泰勒公式 - 泰勒级数
泰勒公式,应用于 数学 、 物理 领域, 是一个用函数在某点的信息描述其附近取值的公式。 如果函数足够平滑的话,在已知函数在某一点的各阶 导数 值的情况之下,泰勒公式可以 用这些导数值 做 系数 构建一个 多项式 来 近似 函数在这一点的 邻域中的值 。泰勒公式还给出了这个多项式和实际的函数值之间的偏差。
泰勒公式是将一个在x=x 0 处具有n阶导数的函数f(x)利用关于(x-x 0 )的n次 多项式 来逼近函数的方法。
若函数f(x)在包含x 0 的某个闭区间[a,b]上具有n阶导数,且在开区间(a,b)上具有(n+1)阶 导数 ,则对 闭区间 [a,b]上任意一点x,成立下式:
其中,表示f(x)的n阶导数,等号后的多项式称为函数f(x)在x 0 处的泰勒展开式,剩余的Rn(x)是泰勒公式的余项, 是(x-x 0 )x n 的高阶无穷小。
泰勒公式的余项Rn(x)可以写成以下几种不同的形式:
1、佩亚诺(Peano)余项:
这里只需要n阶导数存在。
2、施勒米尔希-罗什(Schlomilch-Roche)余项:
其中θ∈(0,1),p为任意正整数。(注意到p=n+1与p=1分别对应拉格朗日余项与柯西余项) [3]
3、拉格朗日(Lagrange)余项:
其中θ∈(0,1)。
4、柯西(Cauchy)余项:
其中θ∈(0,1)。
5、积分余项:
其中以上诸多余项事实上很多是等价的。
我们知道,根据 拉格朗日中值定理 导出的有限增量定理有:
于是我们需要一个能够足够精确的且能估计出误差的多项式:
来近似地表示函数f(x)且要写出其误差f(x)-P(x)的具体表达式。
于是可以依次求出A0、A1、A2、……、An,显然有:
至此,多项的各项系数都已求出,得:
以上就是函数的泰勒展开式。
接下来就要求误差的具体表达式了。设,令得到:
其中θ1在x和x0之间;
继续使用柯西中值定理得到:
其中θ2在θ1和x0之间;
连续使用n+1次后得到:
其中θ在x和x 0 之间;
同时:
而:
进而:
综上可得:
一般来说展开函数时都是为了计算的需要,故x往往要取一个定值,此时也可把R n (x)写为R n 。
在数学中,泰勒级数(英语:Taylor series)用无限项连加式—— 级数 来表示一个函数,这些相加的项由函数在某一点的 导数 求得。
定义 :如果 f(x)在点x=x 0 具有任意阶导数,则幂级数
在泰勒公式中,取x0=0,得到的级数
注意:如果f(x)的麦克劳林级数在点的某一 邻域 内 收敛 ,它不一定收敛于f(x)。因此,如果f(x)在某处有各阶 导数 ,则f(x)的麦克劳林级数虽然能算出来,但这个级数能否在某个区域内收敛,以及是否收敛于f(x)还需要进一步验证。
f(x)设函数f(x)在x 0 的某个邻域
如果f(x)在区间
能展开成泰勒级数
下面给出几个常见函数在x=0处的泰勒级数,即麦克劳林级数
指数函数 :
自然对数 :
几何级数 :
正弦函数 :
余弦函数 :
正切函数:
参考博客