对于一些较复杂的函数,为了便于研究,往往希望用一些简单的函数来近似表达,例如:
当x->0时,sinx≈arcsinx≈tanx≈arctanx≈ln(1+x)≈ex-1≈x
由于用多项式表示的函数,只要对自变量进行有限次加、减、乘三种算术运算,便能求出它的函数值来,因此我们经常用多项式来近似表达函数。
泰勒公式就是将函数用多项式表达的一种通用方法,又称为泰勒展开、泰勒级数,是将一个在x=x0处具有n阶导数的函数f(x)利用关于(x-x0)的n次多项式来逼近函数的方法。
定理: 如果函数(x)在x0处具有n阶导数,那么存在x0的一个邻域,于该邻域内的任一x,有:
具体证明的介绍请参考《理解泰勒中值定理1的证明过程的两个影响理解的简单隐含推导》的介绍。
多项式(3-3)公式右边去除“+Rn(x)”部分用pn(x)来表示:
称pn(x)为函数f(x)在x0处(或按(x-x0)的幂展开)的n 次泰勒多项式。
公式(3-3)本身称为f(x)在x0处(或按(x-x0)的幂展开)的带有佩亚诺(Peano)余项的n 阶泰勒公式,而Rn(x)的表达式(3-4)称为佩亚诺余项,它就是用 n 次泰勒多项式来近似表达f(x)所产生的误差,这一误差是当x一>x0时(x-x0)n的高阶无穷小,但不能由它具体估算出误差的大小。
定理:如果函数f(x)在x0的某邻域U(x0)内具有n+1阶导数,那么对于任意x∈U(x0),有:
其中:
这里ε是x0与x之间的某个值。
公式(3-5)称为f(x)在x0处(或按(x-x0)的幂展开)的带有拉格朗日余项的n阶泰勒公式,而Rn(x)的表达式(3-6)称为拉格朗日余项。当n=0时,泰勒公式(3-5)变成拉格朗日中值公式:
f(x) = f(x0)+f’(ε)(x-x0) ,其中 ε∈(x0,x)
因此,泰勒中值定理2是拉格朗日中值定理的推广。
由泰勒中值定理2可知,以多项式pn(x)近似表达函数f(x)时,其误差为|Rn(x)|。如果对于某个固定的n,当x∈U(x0)时,|f(n+1)(x)|≤M,那么有估计式:
在泰勒公式(3-3)中,如果取x0=0,那么有带有佩亚诺余项的麦克劳林(Maclaurin)公式:
在泰勒公式(3-5)中,如果取x0=0,那么ε在0与x之间。因此可以令ε=θx(0<θ<1),从而泰勒公式(3-5)变成较简单的形式,即所谓带有拉格朗日余项的麦克劳林公式:
由(3-8)或(3-9)可得近似公式:
误差估计式(3-7)相应地变成:
本文介绍了2个泰勒中值定理,泰勒中值定理1是将在某点具有n+1阶导数的函数表示为一个多项式加个余量的形式,泰勒中值定理2则将泰勒中值定理1的余量进行了细化。通过拉格朗日余项的n阶泰勒公式和带有拉格朗日余项的麦克劳林公式,可以将一个函数表示成n项的n阶多项式,从而为函数后续的运算提供便利。
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