均值定理指出 f(x)=f(x0)+f′(c)(x−x0),其中 c 是介於 x 和 x0 之間某個未知的點。這是一個帶有不精確餘項的線性近似。泰勒公式將此思想推廣到任意階:以 n 次多項式近似 f,並明確表達剩餘誤差。
泰勒多項式
定義。 f 在 x0 處的 n 次泰勒多項式為
Pn(x):=k=0∑nk!f(k)(x0)(x−x0)k=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+⋯+n!f(n)(x0)(x−x0)n.
係數 k!f(k)(x0) 是使得 Pn(k)(x0)=f(k)(x0)(k=0,1,…,n)成立的唯一取值:多項式在 x0 處與 f 及其各階導數(至 n 階)完全吻合。
帶拉格朗日餘項的泰勒公式
定理(泰勒公式)。 設 f 在包含 x0 和 x 的某開區間上 (n+1) 次可微。則
f(x)=Pn(x)+Rn(x),(1)
其中**拉格朗日餘項(Lagrange remainder)**為
Rn(x)=(n+1)!f(n+1)(ξ)(x−x0)n+1(2)
對某個嚴格介於 x0 和 x 之間的 ξ 成立。
證明
固定 x=x0,設 J 為以 x0 和 x 為端點的閉區間。定義
F(t):=f(x)−k=0∑nk!f(k)(t)(x−t)k,G(t):=(x−t)n+1.
兩者在 J 上連續,在 J 的內部可微。注意:
- F(x)=0,G(x)=0。
- F(x0)=f(x)−Pn(x),G(x0)=(x−x0)n+1=0。
F 的導數的伸縮。 利用乘積法則對每一項 k!f(k)(t)(x−t)k 求導:
dtd[k!f(k)(t)(x−t)k]=k!f(k+1)(t)(x−t)k−(k−1)!f(k)(t)(x−t)k−1.
對 k=0 到 n 求和,求和式伸縮——每一項 (k−1)!f(k)(t)(x−t)k−1 與第一部分中 k↦k−1 的項相消——只剩 k=n 項的第一個被加數:
F′(t)=−n!f(n+1)(t)(x−t)n,G′(t)=−(n+1)(x−t)n.
套用羅爾定理。 構造輔助函式
ϕ(t):=F(t)−G(x0)F(x0)G(t).
則 ϕ(x0)=0,ϕ(x)=F(x)−G(x0)F(x0)⋅0=0。由羅爾定理,存在嚴格介於 x0 和 x 之間的 ξ 使得 ϕ′(ξ)=0:
F′(ξ)−G(x0)F(x0)G′(ξ)=0.
因 ξ=x,(x−ξ)n=0,代入 F′ 和 G′:
−n!f(n+1)(ξ)(x−ξ)n+G(x0)F(x0)(n+1)(x−ξ)n=0⟹G(x0)F(x0)=(n+1)!f(n+1)(ξ).
兩端乘以 G(x0)=(x−x0)n+1,得 F(x0)=Rn(x),即 (2) 中的形式。□
標準麥克勞林展開
當 x0=0 時,公式稱為麥克勞林展開(Maclaurin expansion)。下列等式對所有 x∈R 成立(令 n→∞ 並驗證 Rn→0):
ex=k=0∑∞k!xk=1+x+2!x2+3!x3+⋯
sinx=k=0∑∞(2k+1)!(−1)kx2k+1=x−6x3+120x5−⋯
cosx=k=0∑∞(2k)!(−1)kx2k=1−2x2+24x4−⋯
ln(1+x)=k=1∑∞k(−1)k−1xk=x−2x2+3x3−⋯(−1<x≤1)
(1+x)α=k=0∑∞(kα)xk=1+αx+2!α(α−1)x2+⋯(∣x∣<1)
其中廣義二項式係數為 (kα):=k!α(α−1)⋯(α−k+1)。
利用餘項估計誤差
拉格朗日形式 (2) 給出具體的誤差界。若對所有介於 x0 和 x 之間的 t 均有 ∣f(n+1)(t)∣≤M,則
∣Rn(x)∣≤(n+1)!M∣x−x0∣n+1.
例。 以 x0=0 處的 P3 近似 e0.1:
P3(0.1)=1+0.1+20.01+60.001≈1.105166.
餘項滿足 ∣R3(0.1)∣≤4!e0.1(0.1)4<243⋅10−4≈1.25×10−5。近似精確到小數點後五位。
計算極限
泰勒公式使未定式極限的計算變得系統化。計算 limx→0x3sinx−x,展開 sinx=x−6x3+O(x5):
x3sinx−x=x3−x3/6+O(x5)→−61.
摘要
- 泰勒多項式 Pn 是 f 在 x0 處的 n 次近似,在 x0 處與 f 及其各階導數(至 n 階)完全吻合。
- 泰勒公式:f(x)=Pn(x)+Rn(x),其中拉格朗日餘項 Rn(x)=(n+1)!f(n+1)(ξ)(x−x0)n+1,ξ 介於 x0 和 x 之間。
- 證明思路:定義一個在 x0 處取值等於餘項的輔助函式;套用柯西均值定理,消去各階導數項,只留最高階項。
- 拉格朗日餘項給出界 ∣Rn(x)∣≤(n+1)!M∣x−x0∣n+1(在 ∣f(n+1)∣≤M 時成立)。
- ex、sinx、cosx、ln(1+x) 和 (1+x)α 的標準冪級數均由令 n→∞ 得出。