3.3 泰勒展开

高等数学A1



周维祺

引例:可微分

若ff在aa附近可微,则在aa附近

f(x)=f(a)+f′(a)(x−a)+o(x−a)f(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+o(x-a)

误差项的估计:充分光滑

  • 令F(x)=f(x)−f(a)−f′(a)(x−a)F(x)=f(x)-f(a)-f'(a)(x-a), G(x)=(x−a)2G(x)=(x-a)^2

  • 则F′(x)=f′(x)−f′(a)F'(x)=f'(x)-f'(a), G′(x)=2(x−a)G'(x)=2(x-a)

  • 从而F(a)=G(a)=F′(a)=G′(a)=0F(a)=G(a)=F'(a)=G'(a)=0

  • 由中值定理得 F(x)−F(a)G(x)−G(a)=F′(η)G′(η)=F′(η)−F′(a)G′(η)−G′(a)=F′′(ξ)G′′(ξ)=f′′(ξ)2\frac{F(x)-F(a)}{G(x)-G(a)}=\frac{F'(\eta)}{G'(\eta)}=\frac{F'(\eta)-F'(a)}{G'(\eta)-G'(a)}=\frac{F''(\xi)}{G''(\xi)}=\frac{f''(\xi)}{2}

带拉格朗日余项的泰勒展开

若ff在aa附近二阶可导,则ff在aa附近可以写作

f(x)=f(a)+f′(a)(x−a)+12f′′(ξ)(x−a)2f(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{1}{2}f''(\xi)(x-a)^2

带拉格朗日余项的泰勒展开

一般地,若ff在aa附近nn阶可导,则ff在aa附近可以写作

f(x)=∑k=0n−1f(k)(a)k!(x−a)k+f(n)(ξ)n!(x−a)nf(x)=\sum_{k=0}^{n-1}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k+\frac{f^{(n)}(\xi)}{n!}(x-a)^n

误差项的估计:不够光滑

  • 令F(x)=f(x)−f(a)−f′(a)(x−a)F(x)=f(x)-f(a)-f'(a)(x-a), G(x)=(x−a)G(x)=(x-a)

  • 则F′(x)=f′(x)−f′(a)F'(x)=f'(x)-f'(a), G′(x)=1G'(x)=1

  • 从而F(a)=G(a)=F′(a)=0F(a)=G(a)=F'(a)=0

  • 由洛必达法则得 lim⁡x→aF(x)−F(a)G(x)−G(a)=lim⁡x→aF′(x)G′(x)=lim⁡x→aF′(x)=0\lim\limits_{x\to a}\frac{F(x)-F(a)}{G(x)-G(a)}=\lim\limits_{x\to a}\frac{F'(x)}{G'(x)}=\lim\limits_{x\to a}F'(x)=0

带皮亚诺余项的泰勒展开

若ff在aa附近一阶可导,则存在h1(x)h_1(x)满足lim⁡x→ah1(x)=0\lim\limits_{x\to a}h_1(x)=0
使得ff在aa附近可以写作

f(x)=f(a)+f′(a)(x−a)+h1(x)(x−a)f(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+h_1(x)(x-a)

带皮亚诺余项的泰勒展开

一般地,若ff在aa附近nn阶可导,则存在hn(x)h_n(x)满足lim⁡x→ahn(x)=0\lim\limits_{x\to a}h_n(x)=0
使得ff在aa附近可以写作

f(x)=∑k=0nf(k)(a)k!(x−a)k+hn(x)(x−a)n⏟也写作o((x−a)n)f(x)=\sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k+\underbrace{h_n(x)(x-a)^n}_{也写作 o\left((x-a)^n\right)}

泰勒展开

下式称为ff在aa处的nn阶泰勒展开

f(x)=∑k=0nf(k)(a)k!(x−a)k+Rn(x)⏟余项f(x)=\sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k+\underbrace{R_n(x)}_{余项}

(有时也称取a=0a=0的情况为麦克劳林展开)

练习

  • 求以下函数在00处的nn阶泰勒展开,分别写出皮亚诺余项和拉格朗日余项的形式

  • f(x)=exf(x)=e^x

  • f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x, f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x

  • f(x)=ln⁡(1±x)f(x)=\ln(1\pm x)

余项的估计

  • 拉格朗日余项: f(n)(ξ)n!(x−a)n\frac{f^{(n)}(\xi)}{n!}(x-a)^n

  • n!∼O(nn)n!\sim O(n^n), 若∣x−a∣|x-a|有界,f(n)f^{(n)}有界,则余项→0\to 0

  • 常见场合:x∈[a−r,a+r]x\in [a-r, a+r],且f(n)f^{(n)}在[a−r,a+r][a-r, a+r]上连续

  • 例:f(x)=exf(x)=e^x;
    反例:f(x)=(1+x2)−1f(x)=(1+x^2)^{-1} (f(n)(0)f^{(n)}(0)增长速度与n!n!相仿 )

练习

计算f(x)=11−xf(x)=\frac{1}{1-x}在00处的nn阶泰勒展开

泰勒级数

  • f(x)=∑k=0∞f(k)(a)k!(x−a)kf(x)=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k

  • 例 ex=1+x+12x2+13!x3+…e^x=1+x+\frac{1}{2}x^2+\frac{1}{3!}x^3+\ldots

  • 级数不一定收敛,例f(x)=11−xf(x)=\frac{1}{1-x}

  • (收敛性:下学期进一步学习)

一些应用

  • 用泰勒展开计算e\sqrt e,精确到0.010.01

  • 在00处作带拉格朗日余项的展开
    ex=∑k=0n−11k!xk+eξn!xne^x=\sum\limits_{k=0}^{n-1}\frac{1}{k!}x^k+\frac{e^{\xi}}{n!}x^n,ξ∈[0,12]\xi\in[0,\frac{1}{2}]

  • 取x=1/2x=1/2

一些应用

  • e=∑k=0n−11k!(12)k+eξn!(12)n\sqrt e=\sum\limits_{k=0}^{n-1}\frac{1}{k!}(\frac{1}{2})^k+\frac{e^{\xi}}{n!}(\frac{1}{2})^n,ξ∈[0,12]\xi\in[0,\frac{1}{2}]

  • n=3n=3,余项=eξ3!(12)3≥148>0.02=\frac{e^{\xi}}{3!}(\frac{1}{2})^3\ge\frac{1}{48}>0.02;

  • n=4n=4,余项=eξ4!(12)4≤324(12)4<0.0079<0.01=\frac{e^{\xi}}{4!}(\frac{1}{2})^4\le\frac{3}{24}(\frac{1}{2})^4<0.0079<0.01

  • e≈∑k=031k!(12)k≈1.65\sqrt e\approx\sum_{k=0}^{3}\frac{1}{k!}(\frac{1}{2})^k\approx1.65

一些应用

  • 用泰勒展开计算lim⁡x→0ex−x−1x2\lim_{x\to0}\frac{e^x-x-1}{x^2}

  • ex−x−1=eξ2x2e^x-x-1=\frac{e^{\xi}}{2}x^2, ξ∈[0,x]\xi\in[0,x]

  • 因此 lim⁡x→0ex−x−1x2=lim⁡ξ→0eξ2=12\lim_{x\to0}\frac{e^x-x-1}{x^2}=\lim_{\xi\to0}\frac{e^{\xi}}{2}=\frac{1}{2}

练习

  • 用泰勒展开计算sin⁡π10\sin\frac{\pi}{10},精确到0.0010.001

  • 用泰勒展开计算ln⁡1.2\ln 1.2,精确到0.0010.001

  • 用泰勒展开计算lim⁡x→0x+ln⁡(1−x)x2\lim_{x\to 0}\frac{x+\ln(1-x)}{x^2}

  • 用泰勒展开计算lim⁡x→0cos⁡x−e−x22x4\lim_{x\to 0}\frac{\cos x-e^{-\frac{x^2}{2}}}{x^4}

拓展阅读:7272法则

  • 设有利率为r%r\%的存款产品,则大约经过72r\frac{72}{r}年本金翻倍

  • (1+r%)n=2⇒nln⁡(1+r%)=ln⁡2(1+r\%)^n=2\Rightarrow n\ln(1+r\%)=\ln 2

  • ln⁡(1+x)=x−x22+x33−…≈x\ln(1+x)=x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}-\ldots\approx x

  • n≈ln⁡2r%≈69.3r≈72rn\approx\frac{\ln 2}{r\%}\approx\frac{69.3}{r}\approx\frac{72}{r} (取7272较易计算)

小结

  • 泰勒展开的概念

  • 皮亚诺和拉格朗日余项及其估计

  • 泰勒展开作近似计算和求极限