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 > 4.9.3 泰勒(Taylor)公式(3)
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
泰勒公式是微分学的集大成者
他具有非常广泛的应用
本讲只是通过一个具体的问题
介绍泰勒公式的简单运用
问题的求解过程
暂时的就是利用泰勒公式
处理这些问题时的一般思路
在前面我们已经介绍了
函数在一点带有
皮亚诺型余项和
带有拉格朗日型余项的泰勒公式
在这一讲中
我们主要介绍
泰勒公式的几个简单应用
首先我们看一下
在极限计算问题中
如何利用泰勒多项式
来求极限
我们看第一个例题
我们求sinx减
tanx除上x三次方
在x趋向0时的极限
我们知道
正切函数的一阶导是sec方x
所以它的二阶导
就是两倍的sec方x
再乘上tanx
三阶导就等于
4倍的sec方x乘上tan方x
再加上2倍的sec四次方的x
这样我们就得到了
正切函数在0这一点的
一阶导数值是1
二阶导数值是0
三阶导数值是2
所以我们就能写出
正切函数在0这点的
三次带有皮亚诺型余项的
泰勒公式
也就是tanx就等于x加上
1/3倍的x三次方再加上
x三次方的高阶无穷小
根据前面的介绍
我们又知道sinx在x等于0这点
它的泰勒公式是
sinx就等于
x减掉1/6倍的x三次方
加上x三次方的高阶无穷小
所以我们要求极限的这个表达式
就变成了-1/2倍的x三次方
加上x三次方的高阶无穷小
再除上x的三次方
所以根据高阶无穷小的概念
我们就知道这个表达式
在x趋向0时的极限
就等于-1/2
这就是我们要求的极限值
根据泰勒公式求极限
也就是利用
泰勒公式它里面牵扯到的函数
就是多项式
而多项式函数对我们来说
就是简单函数
所以说如果我们能够把
一般的函数都转化成多项式函数
那么他们的极限计算问题
就变成了简单的
多项式函数求极限的问题
同时在这个题目的解答过程中
请大家注意
我们分子上sinx与tanx
在x趋向于0时
与x都是等价无穷小量
我们知道在极限运算中
等价无穷小我们是有一个
所谓的等价无穷小代换
但当时我们强调
只有乘除因子
才可以用她的等价无穷小来代替
那么在这个解答过程中
大家应该能够知道
如果我们让sinx和tanx
都用它的等价无穷小量代替
也就是都写成x
为什么我们得不到正确的结果
因为如果我们把它们
都用x代替时
相当于sinx后面我们扔掉了一项
是-1/6x的三次方
而tanx我们扔掉的是
1/3倍的x三次方
而这两项除上x三次方之后
他并不等于0
所以说在这个题目里面
我们就知道
如果我们要做等价代换
我们不应该
只用x去做等价代换
应该把他们的第二项都写上
如果第二项写上
我们得到的就是正确答案-1/2
接下来我们看第二道例题
我们求x减去x平方
乘上ln(1加1/x)
在x趋向无穷时的极限
这是一个无穷减无穷型的极限
在x趋向无穷时
1/x是趋向0的
我们利用ln(1加x)
在x等于0这一点的泰勒公式
我们就会得到
x平方乘上ln(1加1/x)
也就等于x平方
乘上1/x减掉1/2倍的
x平方分之一再加上
x平方分之一的高阶无穷小
也就等于x减掉1/2
加上一个无穷小量
所以我们要求极限的这个表达式
就变成了1/2加上一个无穷小量
也就是我们要求的极限值
就等于1/2
通过这道题的解答过程
我们可以看出
如果正确的运用泰勒公式
那么对某些求极限的问题来说
它可以起到简化极限过程
减少计算量的作用
所以说利用泰勒公式
求极限是我们求一些不定式极限
常用的办法
下面我们来看
泰勒公式的第二个应用
我们经常利用泰勒多项式来求
函数在指定点的高阶导数
我们之所以能用泰勒多项式
求函数在指定点的高阶导数
主要就是利用
函数在一点的泰勒多项式
是唯一的
下面我们看具体的例子
我们假设f(x)
就等于e的x平方次方
我们求这个函数
在0这点的100阶导数
对于这个问题
我们显然不能先求出
它的100阶导函数
再求100阶导函数在0这点的值
但是我们根据e的t次方
在t等于0这点的泰勒公式
我们就会得到e的x平方次方
在x等于0这点的泰勒公式就是
k的阶乘分之一
乘上x的2k次方
对k从0到n求和
再加上x的2n次方的高阶无穷小
那么根据函数
在0这点的泰勒多项式的定义
我们知道
他又等于k的阶乘分之
f的k阶导在0这点的值
乘上x的k次方
我们对k从0到m取值
因为泰勒多项式是唯一的
也就是说x的100次方
对应的系数
就应该与f在0这点的
100阶导数是有关的
所以我们就得到
100的阶乘分之一
乘上100阶导数
在0这点的值
这样我们就得到
我们要求的100阶导数值
就等于100的阶乘
除上50的阶乘
下面我们看另外一道
求高阶导数的题目
例4
我们求f(x)等于sin(sinx)
在0这点的5阶导数值
对于这个函数来说
尽管只是求五阶导数
如果大家从一阶导数
一直求到五阶导数
应该计算量也是比较大的
现在我们借用
sinx在0这点的泰勒多项式
我们来求这个五阶导数值
我们将sinx作为一个整体变量
那么sin(sinx)就等于
sinx减掉1/6倍的sin三次方x
再加上1/120sin五次方x
再加上sin五次方的高阶无穷小
根据我们要求的是五阶导数
所以说我们就将sinx在0这点
展开到五次方
sin三次方x我们就只展开到三次方
而sin五次方x我们只展开到一次方
这样我们就保证
我们需要的五次方都在这儿
没有丢掉
在这个表达式里面
我们把x五次方对应的项求出来
第一个就是1/120x五次方
第二部分里面
得到的是1/12x五次方
第三部分得到的
是1/120x的五次方
所以x五次方对应的项
就是1/10x的五次方
也就是说在我们的泰勒多项式里面
5次方对应的系数5的阶乘分之一
乘上f的五阶导在0这点的值
应该就等于1/10
所以我们要求的5阶导数值
就等于12
接下来我们来介绍
泰勒公式的另外一个应用
也就是我们利用泰勒公式
来研究函数的某些性质
利用泰勒公式研究函数的性质
主要就是说
在我们讨论的问题中
既有函数值又会牵扯到
函数的一阶导二阶导
甚至是一般的n阶导数值
这个时候我们只能利用
泰勒公式将函数值
以及各阶导数值联系在一起
所以说如果我们讨论的问题中
牵扯到了函数值
和高阶导数值时
我们一般会想到
利用泰勒公式
来进行讨论
下面我们看几道具体的例题
例5
如果函数f(x)在x0处具有n阶导数
而且他的一阶导到n减1阶导
在x0这点都等于0
而他的n阶导在x0这点不等于0
那么如果n是奇数
我们就可以证明x0不是极值点
如果n是偶数
我们就可以证明
x0就是函数的极值点
下面我们给出具体的证明
我们根据函数在x0这点的
带有皮亚诺型余项的泰勒公式
就会得到
f(x)就等于他在x0这点的
n次泰勒多项式再加上
x减x0的n次方的高阶无穷小
在给定条件
也就是f'(x0)一直到
f的n减1阶导在x0这点的值
都是等于0的
我们就会得到
f(x)减去f(x0)就等于
n的阶乘分之一乘上
f的n阶导在x0这点的值
再乘上x减x0的n次方
再加上(x-x0)n次方的
高阶无穷小
我们两端同除x减x0的n次方
取极限就会得到
f(x)减f(x0)比上
x减x0的n次方
他的极限就等于
n的阶乘分之一
f的n阶导在x0这点的值
我们根据极限的局部保号性
就知道在x0附近这个比值的正负号
与f的n阶导数
在x0这点的正负号是一致的
也就是说
在n阶导不等于0的时候
这个比值它的正负号是保号的
这样我们就得到
如果n是奇数
那么f(x)减f(x0)它的正负号
与x减x0的n次方的正负号一样
在x0的两侧它是要变号的
所以x0就不是f(x)的极值点
如果n是偶数时
f(x)减f(x0)与
x减x0的n次方是一样的
这个时候
他们在x0的两侧是不变号的
也就是说
f(x)减f(x0)
在x0附近是保号的
所以x0就是f(x)的极值点
对于这个例题来说
如果我们的n是等于2
实际上这就是我们前面给出的
极值点的第二充分条件
也就是利用二阶导数
判断一个点是不是极值点的条件
有了这个题目之后
我们就知道
如果我们知道一个函数在一点
它的一阶导数一直到k阶导数
都是等于0的
而它的k加1阶导数是不等于0的
这个时候
这个点是不是极值点我们就可以看
k加1这个数是奇数还是偶数
所以说这个题目的结论
也可以作为一个
判断一个点
是不是极值点的常用方法
下面我们看另外一道例题
例6
我们假设函数f(x)存在二阶导数
而且二阶导数非负
我们证明
对于任意的两点x1 x2
和任意的大于0的实数α β
下面这个不等式总是成立的
实际上这个不等式
反映的应该就是
函数在某个区间上
是下凸函数的性质
在这个题目中
因为给的是二阶导数的条件
而需要我们证明的
是函数值满足的有关结论
那我们自然要想
怎么样把函数值与
二阶导数联系起来
当然泰勒公式能够做到这点
如果要用泰勒公式
就会牵扯到
我们在哪一点对函数做展开
在这个不等式中
我们有三个点
分别是x1 x2和
α乘上x1
加上β乘x2除上α加β
在这三个点中
我们知道最后这个点
与x1和x2都有关系
所以我们就将这个点记作c
我们把f(x1)在c这点做展开
我们用带有拉格朗日型余项的
一阶泰勒公式
也就得到了f(x1)等于f(c)
加上f'(c)乘上x1减c再加上
1/2二阶导数在某一点的值
乘上x1减c的平方
因为二阶导数是非负的
所以我们把后面这一项直接扔掉
就给他缩小到f(c)加上
f'(c)乘上x1减c
类似的
我们将f(x2)在c这点做展开
就会得到f(x2)是大于等于
f(c)再加上f'(c)乘上x2减c
根据我们要证的不等式
我们利用α大于0 β大于0
在不等式两端同乘大于0的数
就会得到下面这两个不等式
分别是α乘上f(x1)大于等于
我们刚才不等式中的右端乘上α
第二个不等式是
β乘上f(x2)就大于等于
刚才我们那个
不等式中右端乘上β
根据我们c的记号
我们知道
α乘上x1减掉α乘上c再加上
β乘上x2减掉β乘c实际是等0的
所以我们将
上面两个不等式的两端求和
就会得到
α乘上f(x1)加上β乘上f(x2)
就大于等于α乘上f(c)
加上β乘上f(c)
这就是我们题目中要证的不等式
实际上这个例题
基本上也就是
我们前面曾经介绍的
利用二阶导数的正负号
如何判断函数的凸性
所给出的结论
下面我们看最后一道例题
我们假设f(x) 在区间[0,1]上
存在二阶导数
而且我们知道f(0)等f(1)
而f的二阶导数的绝对值
总是小于等于2的
我们来证明
f(x)的一阶导数的绝对值
总是小于等于1的
在这道题目中
从题干上我们就可以看到
这里面既有函数值
又有二阶导数值
还有一阶导数值
那我们自然就想到
泰勒公式正好可以
把这三者联系到一起
由于我们要证的是
f'(x)它的绝对值
是小于等于1的
所以我们要用
函数在x这点做展开的方式
才能出现f'(x)这一个量
我们来看具体的解答过程
我们将f(0)在x点做展开
利用的是一阶带有
拉格朗日型余项的泰勒公式
同样我们将f(1)
在x这点做展开
用的还是一阶
带有拉格朗日型余项的
泰勒公式
因为f(0)是等于f(1)的
我们将两个等式一减就会得到
f'(x)就等于1/2倍的
f两阶导在ξ1这点的值
乘上x的平方
再减掉f两阶导
在ξ2这点的值乘上1减x的平方
那利用二阶导数的
绝对值小于等于2
所以我们就得到
f一阶导的绝对值就小于等于
x的平方加上1减x的平方
而这个表达式在x属于0到1时
他是小于等于1的
这样我们就证明了
f'(x)的绝对值
永远是小于等于1的
这就是我们这道题中要证的结果
在这一讲中我们介绍了
利用泰勒公式求极限的方法
在一般的不定式极限求值问题中
泰勒公式是最有效的方法之一
有些无法使用洛必达法则的
不定式极限
也可以利用泰勒公式求值
求函数在指定点的高阶导数
是泰勒展开式唯一性的直接应用
是求高阶导数值的常用方法
在这一讲中
我们运用泰勒公式得到了
利用一点的各阶导数值
判断该点是否是极值点的一般结论
这个结论扩展了
我们研究函数极值问题的方法
一般的当问题中
即牵扯到函数值
又牵扯到高阶导数值时
利用泰勒公式将他们联系在一起
是一种常规的想法
下一讲
将介绍原函数与不定积分的概念
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