当前课程知识点:微积分(先修课) > 第四章 微分中值定理和导数的应用 > 4.9 泰勒(Taylor)公式 > 4.9.1 泰勒(Taylor)公式(1)
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们讲
第四章
微分中值定理和导数的应用
第九节
泰勒公式
在所有的函数中
多项式函数是最简单的函数
在一点附近
能否将一般的函数
用多项式函数近似
如果可以的话
多项式函数与函数之间
又有什么关系
多项式函数的值与函数值
之间的差到底有多大
所有这些问题
都会在本节中得到解答
本讲将介绍函数
在一点泰勒多项式的概念
并给出带有
皮亚诺余项的泰勒公式
所谓泰勒公式
主要讨论的就是
如果函数在一点
具有各阶导数时
在这一点附近
我们能不能
用一个多项式来近似这个函数
如果能够用多项式来近似这个函数
那这个多项式与这个函数之间
有什么关系
而函数值与这个多项式之间
它的差别是多少
这就是我们泰勒公式
要处理的问题
在我们的课程中
我们主要根据
函数值与多项式值之差
他们的形式
来介绍两种不同的余项形式
我们首先来看一下
带有皮亚诺型余项
这样的泰勒公式
首先我们从我们熟悉的
函数在一点的连续性出发
如果函数f(x)在x0是连续的
那么根据连续的定义
以及极限与无穷小的关系
我们就知道在x0附近
f(x)就等于f(x0)
加上一个无穷小量
我们换一个角度
来看一下这个等式
也就是说在x0附近
f(x)的值可以用一个常数来近似
这两个值之间的差
就是一个无穷小量
也就是一个极限为0的东西
下面我们来看一下
如果函数在x0这点是可导的
那么根据可导的定义
我们就可以得到
在x0附近
f(x)可以写成f(x0)加上
f'(x0)乘以x减x0再加上
x减x0的高阶无穷小量
这个等式也就是说
在x0附近
我们可以用一个一次多项式
f(x0)加上f'(x0)乘上x减x0
用这个一次多项式的值来近似f(x)
他们之间的差是
x减x0的高阶无穷小
那如果函数在x0这点
具有二阶导数 三阶导数
一直到n阶导数时
我们能不能得到在这点附近
f(x)相应的可以用一个
二次多项式 三次多项式
一直到n次多项式来近似
如果能
那么函数值
与相应的多项式值之间
它的差有多大
该如何表示这个差别
为了讨论这个问题
我们先给出一个多项式的定义
定义6
如果函数f(x)在x0处
存在n阶导数
我们就称下面这个多项式
也就是f(x0)加上
f'(x0)乘上x减x0一直加到
n的阶乘分之一
乘上f的n阶导数
在x0这点的值
再乘上x减x0的n次方
我们就称这个多项式
是函数f(x)
在x0点的n次泰勒多项式
我们用连和号
就可以简单的记作
k的阶乘分之一乘上f的k阶导
在x0这点的值
再乘上x减x0的k次方
对k从0到n求和
这就是函数
在x0这点的泰勒多项式
在这里面
这个系数k的阶乘分之一
f的k阶导在x0这点的值
我们一般就称作是f(x)
在x0这点的泰勒系数
这个定义也就是说
我们只要知道了
f(x)在x0这点的各阶导数值
我们就利用这个各阶导数值
构造了这么一个多项式
所以说这个多项式
只依赖于函数
在这一点的各阶导数值
下面我们就证明这个多项式
具有以下的性质
定理14
如果函数f(x)在x0处
存在n阶导数
那么在x0附近我们就有
f(x)就等于他在x0这点的
n次泰勒多项式的值
再加上x减x0的n次方的
高阶无穷小
这个等式是成立的
这个等式我们就称作是
函数f(x)在x0这一点的
带有皮亚诺型余项的
n阶泰勒公式
其中x减x0的n次方的高阶无穷小
就称为是皮亚诺型余项
这个公式就意味着在x0附近
函数值可以用他的
n次泰勒多项式的值来近似
而两者的误差就是
x减x0的n次方的高阶无穷小
下面我们来证明这个公式
要证明泰勒公式
根据高阶无穷小的定义
也就是要证明f(x)减去
他n次泰勒多项式的值
再除以x减x0的n次方
在x趋向x0时的极限是等于0的
根据泰勒多项式它的定义
我们知道
这个极限是一个
0比0型的分式极限
而且函数f(x)
在x0这点具有n阶导数
也就意味着
他在x0这点附近
具有n减1阶导数
所以我们可以对这个0比0型的
分式极限连续应用
n减1次洛必达法则
我们就得到分母上变成了
n的阶乘乘上x减x0
而分子上就变成了
f的n减1阶导数
减掉f的n减1阶导数
在x0这点的值
再减掉f的n阶导数
在x0这点的值乘上x减x0
在x趋向x0时
这仍然是一个
0比0型的分式极限
但是由于我们不知道f(x)
它的n阶导数在其他点是否存在
所以我们不能继续用洛必达法则
但是我们可以利用在x0这一点
n阶导数的定义
来求最后这个表达式的极限
因为f(x)在x0这点具有n阶导数
所以我们知道f的n减1阶导
减掉它的n减1阶导在x0这点的值
比上x减x0
在x趋向于x0时的极限
就是f的n阶导在x0这点的值
所以我们就知道
下面这个表达式
在x趋向x0时
它的极限是等于0的
这样我们就证明了
f(x)减去他n次泰勒多项式的值
除上x减x0的n次方
在x趋向x0时的极限是等于0的
也就是f(x)就等于
它的n次泰勒多项式的值
再加上x减x0的n次方的高阶无穷小
这样我们就证明了
在给定条件下
我们的公式是成立的
也就是这时候泰勒公式是成立的
事实上我们可以证明
如果一个形如
ak乘上x减x0的k次方
对k从0到n求和
这个形式的多项式
他如果满足f(x)
等于这个多项式的值
在加上x减x0的n次方的高阶无穷小
那么这样的多项式
不是别的
就是函数在x0这点的
n次泰勒多项式
也就是这个多项式中的系数ak
就等于函数在x0这点的泰勒系数
k的阶乘分之f的k阶导
在x0这点的值
这说明满足皮亚诺型余项的
这个形式的多项式是唯一的
下面我们来求几个简单函数
它的泰勒多项式
例1
我们求f(x)等于e的x次方
在x0等于0处的n阶
带皮亚诺余项的泰勒公式
因为这个指数函数
它的k阶导数就是他本身
所以它的k阶导数
在0这点的值就等于1
那么根据带有皮亚诺型余项
泰勒公式的定义
也就是f(x)就等于k的阶乘分之
f的k阶导在0这点的值
再乘上x的k次方
对k从0到n求和
再加上x的n次方的高阶无穷小
我们将导数值代入
就得到f(x)他在0这一点的
n阶带有皮亚诺余项的泰勒公式
就是k的阶乘分之一乘上x的k次方
对k从0到n求和
再加上x n的高阶无穷小
这就是指数函数e的x次方
在0这一点的泰勒公式
下面我们看第二个函数
我们求函数f(x)等于1/1加x
在0这一点的n阶
带皮亚诺型余项的泰勒公式
我们知道这个函数
它的k阶导数就等于
-1的k次方乘上k的阶乘
再除以1加x的k加1次方
在x等于0时
它的k阶导数也就等于
-1的k次方再乘上k的阶乘
这样我们利用n阶
带皮亚诺型余项的
泰勒公式的定义
就知道这个函数f(x)
在0这点的n阶泰勒公式是
-1的k次方乘上x的k次方
对k从0到1求和
再加上x的n次方的高阶无穷小
同样的大家可以得到
函数1/1减x在0这点的n阶
带有皮亚诺型余项的泰勒公式
也就是x的k次方
对k从0到n求和
再加上xn的高阶无穷小
下面我们看第三个函数
我们求f(x)等于ln(1加x)
在x0等于0处的n阶
带皮亚诺余项的泰勒公式
这个函数它的k阶导数
就等于-1的k减1次方
乘上k减1的阶乘
再除以1加x的的k次方
这个时候我们的k是从1
开始取值
那么它的k阶导数在0这点的值
就是-1的k减1次方
再乘上k减1的阶乘
这个函数他在0这点的值
就是f(0)是等于0的
所以这个函数在x0等于0处的
n阶带皮亚诺余项的泰勒公式
就可以写成k分之-1的k减1次方
乘上x的k减1次方
我们对k从1到n求和
再加上x^n的高阶无穷小
下面我们来看第四个函数
我们求函数f(x)等sinx
在x0等于0处的带有
皮亚诺型余项的泰勒公式
我们知道sinx的k阶导数
也就等于sin(x+kπ/2)
所以它的k阶导数在0这点的值
也就等于sin(kπ/2)
那么我们知道k如果是偶数时
这个k阶导数值是0
而k如果是奇数
也就是写成2m加1时
这个k阶导数值
就是-1的m次方
所以根据它的k阶导数
在0这点值的情况
我们就可以写出sinx
在x0等于0处的带有
皮亚诺型余项的泰勒公式
它的泰勒多项式是
2m加1阶乘分之
-1的m次方乘上x的2m加1次方
我们对m从0到n求和
这是一个2n加1次多项式
也就是这是sinx在0这点的
2n加1次泰勒多项式
所以后面我们加的余项形式是
x的2n加1次方的高阶无穷小
因为对正弦函数来说
他在0这点的2n加1次多项式
和他在0这点的
2n加2次泰勒多项式是一样的
所以我们也可以写成
余项形式是
x的2n加2次方的高阶无穷小
这是sinx在0这点的
带皮亚诺型余项的泰勒公式
与sinx的情况类似
我们就可以得到
cosx在0这点的
带有皮亚诺型余项的泰勒公式
也就是2k的阶乘分之-1的k次方
乘上x的2k次方
我们对k从0到n求和
这是cosx在0这点的
2n次泰勒多项式
所以我们的余项形式是
x的2n次方的高阶无穷小
因为cosx在0这一点的
2n次泰勒多项式
和他的2n加1次
泰勒多项式也是一样的
所以余项形式还可以写作
x的2n加1次方的高阶无穷小
在这一讲中
我们利用函数在一点的各阶导数值
定义了他在这一点的泰勒多项式
证明了带有皮亚诺型余项的
泰勒公式
并说明了满足这种性质的
多项式是唯一的
带有皮亚诺型余项的泰勒公式
是在给定条件下我们能够得到的
最好结果
但由于误差只是给出了一种
定性的描述
反映的是在x0附近的性态
所以在应用上
受到了一定限制
下一讲介绍的
带有拉格朗日型余项的泰勒公式
就是在条件加强的基础上
得到了应用更方便的余项形式
也就是拉格朗日余项
谢谢同学们
下一讲 再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试