MA.3.6 Taylor展开

Taylor 公式

f(x)x0可导(可微), 则有

f(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)+o(xx0)

Proof

f(x)=a0+a1(xx0)+a2(xx0)2++an(xx0)n
x=x0时,有a0=f(x0)
又因为
f(x)=a1+2a2(xx0)++nan(xx0)n1
x=x0时,有a1=f(x0)
同理可得:
a2=f(x0)2!

an=f(n)(x0)n!

Taylor 定理

fx0n阶可导, 则

f(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)+f(x0)2!(xx0)2+$$$$+f(n)(x0)n!(xx0)n+o(xx0)n=k=0nf(k)(x0)k!(xx0)k+o(xx0)n

limxx0f(x)Tn(x)(xx0)n=0
运用n1次 L'Hôpital 法则:
=limxx0f(x)Tn(x)n(xx0)n1==limxx0f(n1)(x)Tn(n1)(x)n!(xx0)

由于Tn(x)=k=0nf(k)(x0)k!(xx0)k
Tn(n1)(x)=[0+f(n1)(x0)(n1)!(xx0)n1+f(n)(x0)n!(xx0)n](n1)
=f(n1)(x0)+f(n)(x0)(xx0)

因此,原式
=1n!limxx0f(n1)(x)f(n1)(x0)(xx0)(xx0)f(n)(x0)
n阶导数的定义:f(n)(x)=[f(n1)(x)]
=1n!(f(n)(x0)f(n)(x0))=0

Taylor 多项式的唯一性

f(x)x0n阶可导,且

f(x)=k=0nf(k)(x0)k!(xx0)k+o((xx0)n)

bk为 Taylor 系数,即bk=f(k)(x0)k!

根据 Taylor 定理:
f(x)=k=0nak(xx0)k+o((xx0)n)

相减得到:
k=0n(akbk)(xx0)k+o((xx0)n)

即:(a0b0)+(a1b1)(xx0)++(anbn)(xx0)n=o((xx0)n)

xx0得到a0=b0
从而:
(a1b1)+(a2b2)(xx0)+ +(an1bn1)(xx0)n1=o((xx0)n1)

xx0得到a1=b1
以此类推:
an=bn

f(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)+f(x0)2!(xx0)2+$$$$+f(n)(x0)n!(xx0)n+o((xx0)n)

余项的表示与估计

x0(a,b),函数f(a,b)n+1阶可导,则对于任意x(a,b),存在ξ介于xx0之间,使得:

f(x)=k=0kf(k)(x0)k!(xx0)k+f(n+1)(ξ)(n+1)!(xx0)n+1=defTn(x)+Rn(x)

上述公式称为f(x)x0点的带 Lagrange 型余项的n阶 Taylor 公式,Rn(x)称为 #Lagrange余项

Analysis

f(x)Tn(x)(xx0)n+1=f(n+1)(ξ)(n+1)!

联想到柯西不等式,令F(x)=f(x)Tn(x)G(x)=(xx0)n+1。由于FGx=x0处函数值相等:

0=F(x0)=F(x0)==F(n)(x0)0=G(x0)=G(x0)==G(n)(x0)

Proof
LHS=F(x)F(x0)G(x)G(x0)=F(ξ1)G(ξ1)(ξ1)

=F(ξ2)F(x0)G(ξ2)G(x0)=F(ξ2)G(ξ2)(ξ2)

类推n次:

==F(n)(ξn)G(n)(ξn)(ξn)

=F(n)(ξn)F(n)(x0)G(n)(ξn)G(n)(x0)=F(n+1)(ξ)G(n+1)(ξ)(ξ(x0,ξn))

=f(n+1)(ξ)0(n+1)!

Corollary

推论:若对于所有x(a,b),有|f(n+1)(x)|M,则余项满足:

|Rn(x)|M(n+1)!|xx0|n+1

Maclaurin 公式

x0=0时,Taylor 公式称为 Maclaurin 公式,即

f(x)=k=0nf(k)(0)k!xk+{o(xn)(x0)f(n+1)(θx)(n+1)!xn+1(0<θ<1)

常见函数的 Maclaurin 公式

  1. ex的 Maclaurin 公式:n=0xnn!+o(xn)

ex=1+x+x22!+x33!+ +xnn!+eθx(n+1)!xn+1,0<θ<1

  1. sin(x)2n Maclaurin 公式:n=0(1)nx2n+1(2n+1)!+o(x2n+2)/o(x2n+1)

sin(x)=xx33!+x55! +(1)nx2n+1(2n+1)!+(1)n+1cos(θx)(2n+2)!x2n+2,0<θ<1

  1. cos(x)2n Maclaurin 公式:n=0(1)nx2n(2n)!+o(x2n)/o(x2n+1)

cos(x)=1x22!+x44! +(1)nx2n(2n)!+(1)nsin(θx)(2n+1)!x2n+1,0<θ<1

  1. ln(1+x)的 Maclaurin 公式:n=1(1)n+1xnn+o(xn)

ln(1+x)=xx22+x33 +(1)n1xnn+(1)nθn(n+1)(1+θ)n+1xn+1,0<θ<1

  1. (1+x)α的 Maclaurin 公式:Cnkxn+o(xn)

(1+x)α=1+αx+α(α1)2!x2+ +α(α1)(αn+1)n!xn +α(α1)(αn)(n+1)!(1+θx)α(n+1)xn+1,0<θ<1

Tips: 若a为自然数n,则k>nf(k)(x)=0, 上式变为 #二项式定理

  1. 11x的 Maclaurin 公式:n=0xn+o(xn)

11x=1+x+x2+x3+ +xn+θn+1(n+1)!xn+1,0<θ<1, |x|<1

Example

求函数ex44n次Maclaurin公式

Solution
间接法:不直接求Maclaurin系数

ex4=k=0n1k!(x4)k+o((x4)n)
o(cxk)=o(xk)
=k=0n(1)kk!x4k+o(x4n)

Example

cos2x2n次Maclaurin公式

Analysis
三角平方->三角函数的公式

cos2x=12+12cos2x

利用函数的展开式计算极限
Example

limx0ex4cos2xx2x4

Analysis
若使用 #LHospital法则 求导过程麻烦
故使用 #Maclaurin公式 化简

Solution
ex4cos2xx2=(1x4+o(x4))(1x2+13x4+o(x4))x2=43x4+o(x4),x0
故答案为43

Example

limx0xsinxx3
x[xx33!+o(x3)]x3=16

=>本质:忽略某些高阶无穷小

Example

x0时, 求无穷小(exex)2sinxx的阶

Tips
写到低次幂不抵消为止

Solution

  1. ex=1+x+x22+x36+o(x3)

  2. ex=1x+x22x36+o(x3)

  3. 2sinx=2xx33+o(x3)

代入:=[(1+x+x22+x36+o(x3))(1x+x22x36+o(x3))]2x+x36o(x3)
可见,此时三阶已经无法抵消
=23x3+o(x3)x为三阶

Example

Given that f(x)=x1+x4. Find out f(n)(0).

Solution
11+(x4)=k=0m(x4)k+o((x4)m)
f(x)=x1+x4=k=0m(1)kx4k+1+o(x4m+1)
也为
n=04m+1f(n)(0)n!xn+o(x4m+1)

#Taylor多项式/唯一性
f(n)(0)n!={0n4k+1(1)kn=4k+1
f(n)(0)={0n4k+1(1)kn!n=4k+1

Example

f[0,1] 上二阶可导,f(0)=f(1)=0,且x[0,1],有 |f(x)|M。证明:|f(x)|M8

Tips
不建议在0/1展开,f(x)不好控制
=>在x0展开

Solution

f(t)xf(t)=f(x)+f(x)(tx)+f(ξ)(tx)22!

f(0)=f(x)+f(x)(0x)+f(ξ1)(0x)22!,ξ1(0,x)
f(1)=f(x)+f(x)(1x)+f(ξ2)(1x)22!,ξ2(x,1)

注意到 x+(1x)=1

分别乘以 (1x), x
0=(1x)f(x)x(1x)f(x)+f(ξ1)2x2(1x)
0=xf(x)+x(1x)f(x)+f(ξ2)2(1x)2x
|f(x)|=x(1x)2|xf(ξ1)+(1x)f(ξ2)|
x(1x)2MM8

Example

证明e是无理数

Proof

ex=1+x+x22!++xnn!+eθxn+1(n+1)!

x=1

e=1+1+12!++1n!+eθ(n+1)!

反证法:令e=pq,其中p,qN+n>q(且n>3

n!pq=(1+1+12!++1n!)n!+eθ(n+1)

eθ/(n+1)是整数

由于n>q,因此n!p/q为整数

因此,eθ/(n+1)为整数。

但是0<eθn+1<en+1<34,不是整数,产生矛盾

Example

计算e的近似值,Δ<105

Solution
3(n+1)!<105
n8即可