高中数学泰勒公式

如题所述

泰勒公式(Taylor's formula)

   泰勒中值定理:若函数f(x)在含有x的开区间(a,b)有直到n+1阶的导数,则当函数在此区间内时,可以展开为一个关于(x-x。)多项式和一个余项的和:   f(x)=f(x。)+f'(x。)(x-x。)+f''(x。)/2!*(x-x。)^2,+f'''(x。)/3!*(x-x。)^3+??+f(n)(x。)/n!*(x-x。)^n+Rn(x)

   其中Rn(x)=f(n+1)(ξ)/(n+1)!*(x-x.)^(n+1),这里ξ在x和x.之间,该余项称为拉格朗日型的余项。   (注:f(n)(x。)是f(x。)的n阶导数,不是f(n)与x。的相乘。)



我们知道f(x)=f(x.)+f'(x.)(x-x.)+α(根据拉格朗日中值定理导出的有限增量定理有limΔx→0 f(x.+Δx)-f(x.)=f'(x.)Δx),其中误差α是在limΔx→0 即limx→x.的前提下才趋向于0,所以在近似计算中往往不够精确;

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:

   P(x)=A0+A1(x-x.)+A2(x-x.)^2+??+An(x-x.)^n   

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。

设函数P(x)满足P(x.)=f(x.),P'(x.)=f'(x.),P''(x.)=f''(x.),??,P(n)(x.)=f(n)(x.),于是可以依次求出A0、A1、A2、??、An。显然,P(x.)=A0,所以A0=f(x.);P'(x.)=A1,A1=f'(x.);P''(x.)=2!A2,A2=f''(x.)/2!??P(n)(x.)=n!An,An=f(n)(x.)/n!。

至此,多项的各项系数都已求出,得:

P(x)=f(x.)+f'(x.)(x-x.)+f''(x.)/2!?(x-x.)^2+??+f(n)(x.)/n!?(x-x.)^n.   

接下来就要求误差的具体表达式了。

设Rn(x)=f(x)-P(x),于是有Rn(x.)=f(x.)-P(x.)=0。

所以可以得出Rn(x.)=Rn'(x.)=Rn''(x.)=??=Rn(n)(x.)=0。根据柯西中值定理可得Rn(x)/(x-x.)^(n+1)=(Rn(x)-Rn(x.))/((x-x.)^(n+1)-0)=Rn'(ξ1)/(n+1)(ξ1-x.)^n(注:(x.-x.)^(n+1)=0),这里ξ1在x和x.之间;

继续使用柯西中值定理得(Rn'(ξ1)-Rn'(x.))/((n+1)(ξ1-x.)^n-0)=Rn''(ξ2)/n(n+1)(ξ2-x.)^(n-1)这里ξ2在ξ1与x.之间;连续使用n+1次后得出Rn(x)/(x-x.)^(n+1)=Rn(n+1)(ξ)/(n+1)!

这里ξ在x.和x之间。但Rn(n+1)(x)=f(n+1)(x)-P(n+1)(x),由于P(n)(x)=n!An,n!An是一个常数,故P(n+1)(x)=0,于是得Rn(n+1)(x)=f(n+1)(x)。综上可得,余项Rn(x)=f(n+1)(ξ)/(n+1)!?(x-x.)^(n+1)。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Rn(x)写为Rn。

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