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 > 4.9.2 泰勒(Taylor)公式(2)
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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
本讲将介绍
带有拉格朗日型余项的
泰勒公式
并强调函数在x等0处
泰勒公式的基础性
这就是函数的麦克劳林公式
在前面我们已经介绍了
带有皮亚诺型余项的泰勒公式
我们知道皮亚诺型余项
只能定性的反映
多项式近似函数值的程度
而且只有当x充分靠近x0时
我们才能保证
他们的误差是充分小的
也就是说
带有皮亚诺型余项的泰勒公式
他只是定性的反映了
泰勒多项式
接近函数f(x)的程度
而且他是一个局部性的结论
下面我们来介绍
另外一个余项形式
也就是带有拉格朗日余项的
泰勒公式
我们先从基本的情况
开始讲起
我们知道如果f(x)
在x0的某个邻域内可导
那么对于这个邻域中的x
我们根据拉格朗日中值定理
就知道存在
介于x与x0之间的一个点ξ
使得f(x)等于f(x0)加上
f'(ξ)再乘上x减x0
这个等式也就意味着
在这个区间中
任何一点的值f(x)
可以用f(x0)来近似
他们之间的差就等于
f'(ξ)乘上x减x0
如果f(x)在x0的某个邻域内
存在二阶导数
那么对于这个邻域内的
任何一个x
我们根据柯西中值定理
我们就会知道一定存在
介于x与x0之间的一个点x1
使得f(x)减掉f(x0)
再减掉f'(x0)乘上x减x0
除以x减x0的平方
也就等于f'(x1)减掉f'(x0)
除以两倍的x1减x0
那么根据拉格朗日中值定理
我们又找到
存在x1与x0之间的一个点ξ
使得f'(x1)减掉f'(x0)
除上x1减x0
就等于f''(ξ)
这样我们就得到了
我们这个分式函数就等于
f的二阶导数在ξ这点的值
再乘上1/2
也就是我们得到了
f(x)就等于f(x0)
加上f'(x0)乘上x减x0
再加上1/2倍的f''(ξ)乘以
x减x0的平方
这个等式也就意味着
只要二阶导数存在
那么对于这个范围中的
任何一个x
我们都可以用右边
这个一次多项式的值
来近似f(x)的值
而这两个值之间的差
可以表示成1/2乘上
二阶导数在某一点的值
在乘上x减x0的平方
事实上
这个结论我们可以推广到
一般的情况
也就是说如果函数
在一个区间上存在n加1阶导数
那么在这个区间内
我们的函数值就可以用
他在这个区间中某一点的
n次泰勒多项式来近似
而他的误差就只与
它的n加1阶导数
在某一点的值是有关的
这就是我们要讲的
下面一个定理
定理15
如果函数f(x)在(a,b)内
存在n加1阶导数
x0 x是这个区间中的两个点
那么f(x)的函数值
就等于f(x)在x0这点的
n次泰勒多项式的值
再加上n加1的阶乘分之
f的n加1阶导
在ξ点的值再乘上
x减x0的n加1次方
这个等式就是我们所说的
函数在x0这点的
带有拉格朗日型余项的
n阶泰勒公式
其中后面这个误差
也就是f的n加1阶导在ξ点的值
除上n加1的阶乘再乘上
x减x0的n加1次方
这就是所谓的拉格朗日型余项
下面我们看一下
这个公式的证明
我们假设F就是f减掉
它的n次泰勒多项式
我们再设G(x)就等于
x减x0的n加1次方
那么我们要证这个泰勒公式成立
也就相当于证明
F(x)比上G(x)可以写作
f的n加1阶导在ξ点的值
再除上n加1的阶乘
我们知道
我们给出的F(x)和G(x)
他是满足他们在x0这一点的
函数值一直到n阶导数值
都是等于0的
我们利用柯西中值定理
就知道存在
介于x与x0之间的一些点
x1 x2一直到xn
以及点ξ使得下面这个等式
是成立的
也就是F(x)除上G(x)
我们给他写成F(x)减掉F(x0)
除上G(x)减掉G(x0)
我们用一次柯西中值定理
就会得到他应该等于
F'(x1)除上G'(x1)
类似的我们对一阶导数的比
再用一次柯西中值定理
就会得到x2满足一个等式
这样我们连续用
n次柯西中值定理
我们就得到这个比值
就等于F的n阶导在xn这点的值
除上G的n阶导在xn这点的值
我们再用一次柯西中值定理
就会得到
他就等于F的n加1阶导
在ξ这点的值
再除上G的n加1阶导
在ξ这点的值
根据F的定义
我们知道F的n加1阶导
也就等于f的n加1阶导
而G(x)的n加1阶导就等于
n加1的阶乘
这样我们也就证明了
带有拉格朗日型余项的
泰勒公式是成立的
关于我们介绍的
皮亚诺余项和拉格朗日型余项
我们做一点说明
皮亚诺型余项表示的
是一种局部性质
而拉格朗日型余项说明的
是函数的一个整体性质
与皮亚诺型余项相比
拉格朗日型余项在理论上
给出了余项的定量表示
所以在一定条件下
我们就可以利用
拉格朗日型余项得到
利用泰勒多项式
近似函数值时的误差估计
也就是在做具体的近似计算时
我们可以得到误差限的估计
下面我们来看一道例题
我们假设函数f(x)
是一个三次多项式
我们做两个问题
第一个问题是写出这个函数
在x0等于1这点
带有拉格朗日型余项的
一阶泰勒公式
第二个问题写出这个函数
在x0等于1这一点
它的三次泰勒多项式
我们来看具体的求解过程
对这个函数进行求导
我们就会得到它的一阶导函数
和二阶导函数
我们进一步就能得到
他在1这一点的函数值是5
一阶导数值是4
那么根据带有拉格朗日型余项的
一阶泰勒公式的定义
我们就得到这个函数
在1这点的一阶带有
拉格朗日型余项的泰勒公式
就是f(x)等于f(1)
加f'(1)乘上x减1再加上
f''(ξ)除上2的阶乘
乘以x减1的平方
将具体的结果代入
就会得到他在1这点的
一阶带有拉格朗日型余项的
泰勒公式
下面我们看第二个问题的解答
我们假设f(x)
在x0等于1这点的
3次泰勒多项式就是T3
那么我们根据三阶带有
拉格朗日型余项的泰勒公式
就会得到
f(x)就等于T3(x)在加上
f的4阶导在某一点的值
除上4的阶乘
乘以x减1的4次方
由于f是一个三次多项式
所以它的四阶导数是恒为0的
也就是说我们要求的
3次泰勒多项式
就与f(x)是相等的
所以他在x等于1这点的
三次泰勒多项式
也就等于f(x)本身
就等于x三次方
减掉2倍x的平方
加上5倍的x加1
从第二问的解答我们知道
如果我们函数
本身就是一个多项式函数
那么我们用多项式
来近似这一个函数
他最好的近似当然就是他本身
下面我们来介绍
在特殊点处的泰勒公式
因为根据泰勒多项式的定义
我们可以看出
函数在x0点的泰勒多项式
与函数在0这点的泰勒多项式
基本上就是一个平移变换
所以说
如果我们能讨论清楚
函数在0这点的情况
那么经过平移
我们就能解决函数
在x0这点的泰勒展开的情况
我们将函数在x0等于0
这点的泰勒公式就称作是
函数它的麦克劳林公式
也就是说我们给出一个定义
定义7
函数f(x)在x0
等于0处的泰勒公式
就称为是函数的麦克劳林公式
有了麦克劳林公式的定义
我们结合上
前面已经介绍过的例题
我们就能得到几个
简单函数的麦克劳林公式
下面是几个简单函数
带有皮亚诺型余项的
麦克劳林公式
e的x次方他在0这点的
n次泰勒多项式
就是k阶乘分之1
乘上x的k次方
对k从0到n求和
相应的我们就得到了
e的x次方
它的带有皮亚诺型余项的
麦克劳林公式
回忆一下
我们前面讨论过的例题
我们就能得到
1/1加x和1/1减x它的带有
皮亚诺型余项的麦克劳林公式
以及ln(1+x)
和sinx还有cosx
这三个函数它的带有
皮亚诺型余项的麦克劳林公式
这些简单函数的麦克劳林公式
是我们处理泰勒展开
以及利用泰勒多项式
处理一些简单问题时经常用到的
希望同学们能够掌握
尤其是能够
准确的掌握这些展开式中
前几项的具体表达式
下面我们来看几道例题
例2
我们假设f(x)
等于sinx除上2加x
我们求这个函数在x等于0处的
三次泰勒多项式
我们知道求三次泰勒多项式
需要牵扯到这个函数在0这点的
函数值以及一阶 二阶导
和三阶导数的值
我们当然可以直接求
需要的这些值
对于这道题目来说
我们也可以利用
直接求一阶导二阶导
三阶导的方法
来得到我们需要的三次泰勒多项式
但是这个函数里面
只是牵扯到了sinx
和1/2加x
而这两个函数他在0这一点的
泰勒多项式
我们是知道的
所以我们下面的具体解答
是利用所谓的间接法的思想
来求解的
我们看一下具体的解答过程
因为sinx在0这一点
它的三阶带有皮亚诺余项的
麦克劳林公式我们是知道的
而函数1/2加x我们给他变形
变成1/2乘上
1加x/2分之1
我们将1加x/2分之一
在0这点做展开
就会得到
1/2乘上括号里面是
1减x/2再加上四分之x平方
再加x平方的高阶无穷小
那么我们这样就能得到
f(x)就等于
这两个展开式右端的乘积
我们将这两个展开式的右端做乘积
我们只要将不超过
三次的项求出来
就能得到我们要求的
三次泰勒多项式
所以我们展开
最后的结果就是
1/2倍的x减掉
1/4倍的x的平方
再加上1/24倍的x三次方
加上x三次方的高阶无穷小
所以我们要求的
三次泰勒多项式
也就是(1/2)x
减掉1/4倍的x平方
再加上1/24x的三次方
下面我们再看一道例题
我们假设函数f(x)就等于
1除上x平方加上3倍x再加2
我们来求这个函数
在x等于1处的
带皮亚诺型余项的
n阶泰勒公式
对这个函数来说
我们直接求
它的n阶导数的表达式是困难的
但是对这个函数
我们可以将他的分母做因式分解
从而就可以将这个函数
写成两项之和然后进一步
利用两项的泰勒展开
就能得到我们要求的结果
下面我们来看一下
具体的解答过程
我们知道
f(x)是可以写成1/1加x
减掉1/2加x
我们对1/1加x进行变形
最后整理成1/2乘上
分母上是1加二分之x减1
分子上是1
利用前面1/1加x
它的麦克劳林公式
我们就得到了
1/1加x在1这点的带有
皮亚诺型余项的泰勒公式
类似的我们对1/2加x进行变形
整理成1/3乘上
分母上是1加三分之x减1
分子上是1
我们仍然利用1/1加x的
带有皮亚诺型余项的
麦克劳林公式
就得到了1/2加x
在1这点的泰勒公式
这样我们将这两项求差
就得到了
f(x)在1这点的
带有皮亚诺型余项的
泰勒公式
这是我们处理一般函数
在某一点的泰勒展开常用的方法
也就是说
我们利用一些简单的代数变形
将我们要处理的函数
与我们知道麦克劳林展开的
简单函数联系起来
这样就可以利用
所谓的间接法得到我们要求的
泰勒多项式
在这一讲中
我们介绍了
带有拉格朗日型余项的泰勒公式
从公式的证明可以看出
相对于
带有皮亚诺型余项的泰勒公式
它的局部性
带有拉格朗日型余项的泰勒公式
反映的则是一个整体性质
拉格朗日型余项
在理论上给出了函数与其泰勒多项式
值差的准确值
是一般的近似计算问题中
常用的一种余项形式
本讲中介绍的几个简单函数的
麦克劳林公式是利用间接法
求泰勒多项式的基础
也是利用泰勒公式
处理相关问题的基础
我们应该熟练掌握
下一讲将介绍
泰勒公式的简单应用
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