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7.7.1 泰勒级数

下一节:7.8.1 幂级数的简单应用

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7.7.1 泰勒级数课程教案、知识点、字幕

同学们 大家好

欢迎来到大学先修课

微积分课程

今天我们介绍第七章无穷级数

第七节泰勒级数

根据幂级数和函数的可导性

我们知道幂级数的和函数

在收敛区间内具有各阶导数

除此之外

幂级数还有一些

很好的其他性质

如何将一般函数

与幂级数联系起来

是利用幂级数研究

一般函数的首要问题

本讲将介绍

把函数展开成

幂级数的一般方法

暨函数的泰勒级数

首先我们来介绍一下

泰勒级数的概念

我们假设函数

fx在x0处的幂级数

展开是fx等于

a0加上a1乘上x减x0

一直加到an乘上

x减x0的n次方

下面我们来讨论

这个幂级数的系数

a0 a1 a2 一直到an

它与函数fx的关系是什么样的

也就是说我们怎么样用fx

来确定这个幂级数的展开系数

首先我们在上边的等式两边

令x等x0

我们直接就能得到a0就是fx0

因为幂级数是可以逐项求导的

所以我们在上边的等式两边

关于x求一次导数

我们就会得到f′x

就等于a1加上

两倍的a2乘上x减x0

一直加到n倍的an

乘上x减x0的n减1次方

在这个等式中我们令x等x0

我们直接就会得到

a1就是f′x0

用同样的方法

我们在上面这个等式两边

再次求导

就会得到f的两阶倒数

也就是f′′x就等于2倍的a2

加上3乘上2倍的a3

再乘上x减x0

一直乘到n乘上n减1

再乘上an乘上

x减x0的n减2次方

这样在这个等式中

我们令x等x0

我们就会得到a2

也就是2分之f′′x0

用同样的方法

我们在等式两边

求了n次导数之后

它的左边就是f的n阶导数

也就是fnx

而在这个等式的右边

常数项一直到n减1次方向

求n阶倒数都等于0

所以它的第一项就是n的阶乘

乘上an

后边每一项

都还带有x减x0这个因子

在这个等式中

我们令x等x0

就会得到an就等于

n的阶乘分之1

乘上f的n阶导数

在x0这点的值

这样我们就得到了

在这个幂级数展开中

展开系数与fx的关系

我们把这个结论写成一个定理

定理24

如果函数fx可以

写成x0处的幂级数

也就是fx可以表示成是

通项是an乘上x减x0的n次方的

幂级数的和函数

如果这个等式成立

那么我们就有a0就等于fx0

a1就是f′x0

一般的也就是an

就等于f的n阶导数

在x0这点的值

再除上n的阶乘

也就是说fx就等于一个通项

是f的n阶导数

在x0这点的值除上n的阶乘

再乘上x减x0的n次方的幂级数

它的和函数

这就是我们得到的函数

展开成一个幂级数时

展开系数与

这个函数之间的关系

我们将在这个结论中

出现的这个幂级数

定义为函数

在x0这点的泰勒级数

这就是我们的定义10

我们假设函数fx

在x0这点具有各阶倒数

我们利用它的各阶导数值

就构造了一个通项为fn阶导

在x0这点的值

除上n的阶乘

再乘上x减x0的n次方的幂级数

这个幂级数我们就将它称作为

函数fx在x0点的泰勒级数

在x0等0时

0这点的泰勒级数

也称作为这个函数

它的麦克劳林级数

在泰勒级数中出现的系数

也就是f的n阶导

在x0这点的值除上n的阶乘

我们也称它为函数

在x0这点的泰勒级数

关于函数的泰勒级数

我们需要做如下说明

一般的说我们并不知道函数fx

是不是可以表示成

中心在x0这点的幂级数

但是根据上面的定理24

如果函数能够

表示成x0这点的幂级数

那么这个幂级数一定是函数

在这点的泰勒级数

我们需要说明的第二点

是在写出了fx的泰勒级数之后

我们需要研究

它的泰勒级数的收敛半径

收敛域与需要研究泰勒级数

在收敛域内

是否收敛的函数fx本身

这是我们在下面

需要特别研究的一个问题

下面我们来看两道具体的题目

例1

我们写出函数

fx等于e的x次方的

麦克劳林级数

并求这个级数的收敛域

根据麦克劳林级数的定义

我们需要求出

函数在0这点的函数值

以及各阶导数值

对于e的x次方这个函数来说

我们知道它的各阶导数

在0这点的值都等于1

所以根据麦克劳林级数的定义

我们就可以写出

这个函数的麦克劳林级数

就是一个通项是n的阶乘分之1

乘上xn次方的幂级数

这个幂级数我们

可以很容易的求得

它的收敛半径是正无穷

所以它的收敛域是

负无穷到正无穷

尽管这个幂级数

在整个数轴上都是收敛的

也就是说这个幂级数本身

在数轴上是定义一个函数的

但是这个函数与原来我们的fx

有什么关系

它是否就收敛的fx本身

在这个题目中

我们并没有牵扯到这个问题

下面我们看第二道例题

例2

写出函数fx等于

sinx的麦克劳林级数

并求它的麦克劳林级数的收敛域

同样的 我们需要求sinx

在0这点的各阶导数值

我们先求sinx的各阶导函数

我们知道f′x

也就是sinx的导数是cosx

我们利用三角关系式

把它表示成sinx加上2分之π

类似的我们就可以求出

sin的2阶导数

也就是f′′x

就等于sinx加上

2倍的2分之π

这样我们就会得到

sin的n阶导数的表达式

f的n阶导就等于

sinx加上n倍的2分之π

所以这个函数

它在0这点的n阶导数值

也就等于sin2分之nπ

它的取值与n

它的交性是有关系的

如果n是一个偶数

那么它的n阶倒数在0这点的值

就等于0

如果n是一个奇数

而且表示成2倍的k加1的形式

这个时候它的n阶导数

在0这点的值

就是负1的k次方

所以我们就可以写出sinx

它的麦克劳林级数

是x减掉3的阶乘分之x3次方

再加上5的阶乘分之x5次方

也就是它是一个

通项为负1的n次方

乘上x的2n加1次方

再除上2n加1的阶乘

关于n从0到无穷求和

这就是sinx的麦克劳林级数

我们为了求这个级数的收敛域

我们先求它的收敛半径

因为这个幂级数它后一项

与前一项比值的绝对值的极限

是等于0的

因为这个幂级数它的后一项

与前一项比值极限是等于0的

所以对任意的x来说

这个幂级数它都是绝对收敛的

也就是说它的收敛半径

R就等于正无穷

所以它的收敛域是整个数轴

也就是负无穷

到正无穷这个区间

与例1中我们碰到的问题一样

在这我们仍然没有讨论

这个幂级数它的和函数

与sinx这个函数之间的关系

下面我们来讨论一下

函数的泰勒级数

它在什么条件下

是收敛到函数本身的

我们在前面曾经学习过

带有拉格朗日型余项的泰勒公式

也就是说如果函数fx

在包含x0的一个开区间ab内

有直到n加1阶的导数

那么当x处于这个开区间时

fx就等于f0加上f′x0

乘上x减x0

一直加到f的n阶导

在x0这点的值除上n的阶乘

再乘上x减x0的n次方

最后再加上一个Rnx

Rnx就是所谓的余项

拉格朗日型余项指的是

Rnx就等于f的n加1阶导

在ξ点的值

再乘上x减x0的n加1次方

除上n加1的阶乘

在这ξ是介于

x与x0之间的一个点

这就是我们前面

曾经学习过的泰勒公式

有了泰勒公式之后

我们就很容易的能够得到

函数在某一点的泰勒级数

在某个范围上

收敛到函数本身的条件

这就是下面的定理25

泰勒级数收敛于函数的充要条件

函数fx在x0这点的泰勒级数

在一个区间i上

收敛的fx的充分必要条件是

它的泰勒公式中的

拉格朗日型余项

在区间i上都是收敛到0的

这是一个泰勒公式的直接推论

我们知道fx在区间I上等于

它泰勒级数的和函数

也就等价于

fx减去它泰勒级数的前n项和

在n趋向无穷时

是趋向于0的

而fx减去它泰勒级数的前n项和

也就是相当于

fx减去它的n次泰勒多项式

而根据泰勒公式

fx减去它的n次泰勒多项式

自然就应该等于

它的拉格朗日型余项

所以fx减去n次泰勒多项式

趋向于0

自然就等价于

它的拉格朗日型余项

是趋向0的

有了这个定理之后

我们还可以得到

它的一个常用的推论形式

推论 假设fx

在包含x0的开区间ab内

是存在各阶导数的

并且存在大于0的数M

使得Fx的n阶导数

它在每一点的值

它的绝对值都是小于M的

也就是说它的各阶导数

在区间ab上都具有同一个上限

在这个条件下

我们就能得到函数

在x0这点的泰勒级数

在区间ab这个范围内

是收敛到fx本身的

也就是fx就等于它在x0这点的

泰勒级数的和函数

我们就可以利用这个推论

来处理一些简单函数

它的泰勒级数

是否收敛到函数本身的问题

关于这个推论的结论

它是定理24的一个直接结果

因为在给定的条件下

泰勒公式中

拉格朗日型余项的绝对值

是小于M乘上

x减x0的n加1次方

再除上n加1的阶乘

而M乘上x减x0的n加1次方

再除上n加1的阶乘

在n趋向于无穷时

极限是等于0的

也就是说在给定的条件下

泰勒公式中

拉格朗日型余项是趋向0的

所以fx就等于

它在x0这点的

泰勒级数的和函数

有了这个推论之后

我们就可以利用它

来研究一些简单函数

它的泰勒级数

是否收敛到函数本身的问题

我们看一下例题3

我们证明e的x次方

它的麦克劳林级数

就收敛到e的x次方本身

我们知道e的x次方它的n阶导数

就是它本身

所以对给定的任意的正数l

只要x绝对值小于l

那么e的x次方的各阶导数

在这个范围上的绝对值

它就小于e的l次方

这是一个与x无关的常数

我们就把它记作M

也就是说在负l到l这个区间上

我们的函数e的x次方

就满足推论中的条件

所以它的麦克劳林级数

在这个开区间中

就收敛到e的x次方本身

因为我们的l是任意的

这就说明了

对数轴上的任意一点来说

它的麦克劳林级数在这点的值

就等于e的x次方在这点的值

这样就证明了我们要证的结论

同样的我们根据前面的讨论

我们知道sinx它的各阶导数

在负无穷到正无穷上

它的绝对值都是小于等于1的

所以根据推论

我们就知道sinx

它的麦克劳林级数

在整个数轴上

都会收敛到sinx本身

也就是sinx就等于

通项为负1的n次方

乘上x的2n加1次方

再除上2n加1的阶乘的

这个幂级数的和函数

我们知道幂级数

是可以逐项求导的

在这个等式两端关于x求导

我们就会得到cosx

就等于负1的n次方

乘上x2n次方

再除上2n的阶乘

关于n从0到无穷求和

也就是说下面这个幂级数

实际上就是

cosx的麦克劳林级数

而这个等式说明的就是

在负无穷到正无穷这个范围中

cosx的麦克劳林级数

都是收敛到cosx的

这样我们就得到了

我们在做级数展开时

我们常用的三个简单的

幂级数展开公式

也就是说在负无穷

到正无穷这个范围上

e的x次方就等于

它的麦克劳林级数

sinx也等于它的麦克劳林级数

cosx也等于它的麦克劳林级数

这三个幂级数展开形式

是我们处理幂级数展开时

经常用到的结果

希望大家能够掌握

并能够熟练的运用它

例4

我们证明Euler公式

也就是证明e的i乘上x次方

等于cosx加上i乘上sinx

在这i就是虚数单位 x是实数

也就是Euler公式

实际上给出了负指数的定义

我们利用幂级数

来证明这个等式

我们知道e的i乘x次方

我们做它的幂级数展开

就等于通项为

i乘上x括起来的n次方

除上n的阶乘的这个幂级数

在这儿我们利用

收敛级数的线性性质

将n是偶数和级数的

情况分别处理

也就是将这个幂级数

写成了两个幂级数之和

第一个幂级数的通项

就是I的2n次方乘上x2n次方

再除上2n的阶乘

第二个幂级数的通项

就是I的2n加1次方

乘上x2n加1次方

再除上2n加1的阶乘

根据虚数单位的定义

I的2n次方

也就等于负1的n次方

而I的2n加1次方

就等于i乘上负1的n次方

这样我们就把e的ix次方

表示成了两个级数之和

第一个级数就是负1的n次方

乘上x2n次方除上2n的阶乘

这是它的通项

再加上ab的第二个级数

它的通项是负1的n次方

乘上x2n加1次方

除上2n加1的阶乘

但是我们知道第一个级数

正好是cosx的麦克劳林级数

而第二个级数

也恰好是sinx的麦克劳林级数

这样我们就证明了e的ix次方

就等于cosx加上i倍的sinx

这就是Euler公式

下面我们来看第五道例题

例5

我们将函数fx等于cos方x

作麦克劳林级数展开

对于这个函数来说

我们为了要用上我们已知的结论

我们首先利用倍角公式

将cos方x表示成2分之1倍的

括号里面1加上cos2x

我们知道cosx的麦克劳林级数

是一个通项为负1的n次方

乘上x的2n次方

再除上2n的阶乘的幂级数

这个等式它是在负无穷到正无穷

这个范围中都是成立的

我们利用变量替换的方式

就会得到cos2x

它的麦克劳林级数

它的通项就是负1的n次方

乘上括号里面

2x括起来的2n次方

再除上2n的阶乘

这个等式也是在负无穷到正无穷

这个范围内成立的

这样我们就得到了cos方x

它的麦克劳林级数展开

也就是cos方x就等于2分之1

再加上一个通项是负1的n次方

乘上2的2n减1次方

乘上x2n次方除上2n的阶乘

关于n从0到

无穷求和的一个幂级数

这个等式它成立的范围

就是负无穷到正无穷

这就是cos方x的

麦克劳林级数展开

下面我们看第六道例题

例6

我们写出函数fx等于1加x

括起来m次方的麦克劳林级数

并求这个幂级数的收敛半径

为了写出麦克劳林级数

我们首先求fx的各阶导数

这是一个幂函数求导

所以我们知道它的一阶导函数

也就是f′x

就等于m乘上1加x的m减1次方

那么一阶导数在0这点的值

就等于m

类似的f′′x

就等于m乘上m减1

再乘上1加x的m减2次方

二阶导数在0这点的值

就等于m乘上m减1

这样我们可以求出它的开阶导数

就等于m乘上m减1

一直乘到m减k加1

再乘上1加x括起来的m减k次方

它的开阶导数在0这点的值

又等于m乘m减1

一直乘到m减k加1

我们根据麦克劳林级数的定义

就会写出fx的麦克劳林级数

它的通项就是m乘m减1

一直乘到m减k加1

再乘上x的k次方

再除上k的阶乘

关于k从0到无穷求和

这就是fx它的麦克劳林级数

下面我们来求

这个级数的收敛半径

我们首先求它的后一项

与前一项比值的绝对值

在k趋向无穷时它的极限

它的极限就是x的绝对值

我们知道当x绝对值小于1时

说明这个幂级数是绝对收敛的

x绝对值大于1时

这个幂级数的通项

是不趋向0的

它是发散的

所以这个幂级数

它的收敛半径R就等于1

关于这个例题中

我们得到的这个麦克劳林级数

我们需要做下面两点说明

第一点我们将

这个麦克劳林级数的系数

用一个记号 也就是mk来表示

那么1加x的m次方的

麦克劳林级数

也就写成了一个通项是mk

乘上xk次方

关于k从0到无穷求和的

这么一个幂级数

在这xk次方的系数mk

我们就称作是二项式系数

如果m就是正整数

那么二项式系数mk

就等于从m个元素中

取出k个的组合数Cmk

这就是我们中学

学习牛顿二项式定理时

得到的的有关结论

需要说明的第二点是

我们可以证明这个函数

它的麦克劳林级数

在负1到1这个k区间内

它是收敛到这个函数本身的

在这一讲中

我们介绍了

函数在一点泰勒级数的概念

给出了泰勒级数收敛到

函数本身的充要条件和充分条件

证明了几个简单函数的

泰勒展开公式

再将函数展开成幂级数时

一般就是将函数通过代数运算

解析运算或变量替换进行变形

最后利用已知函数的

幂级数展开公式得出结论

下一讲将介绍幂级数的简单应用

谢谢同学们

下一讲 再见

微积分(先修课)课程列表:

第零章 绪论

-0.1 绪论

--0.1.1 绪论

第一章 极限

-1.1 极限概念引例

--1.1.1 极限问题举例

--第1.1节测试 极限概念引例

-1.2 极限的概念

--1.2.1 极限的概念(1)

--1.2.2 极限的概念(2)

--1.2.3 极限的概念(3)

--1.2.4 极限的概念(4)

--1.2.5 极限的概念(5)

--第1.2节测试 极限的概念

-1.3 极限的性质

--1.3.1 极限的性质(1)

--1.3.2 极限的性质(2)

--第1.3节测试 极限的性质

-1.4 极限的运算

--1.4.1 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

--1.5.1 夹逼定理与单调有界收敛定理(1)

--1.5.2 夹逼定理与单调有界收敛定理(2)

--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

--1.6.1 两个重要的极限(1)

--1.6.2 两个重要的极限(2)

--第1.6节测试 两个重要的极限

-1.7 无穷小量

--1.7.1 无穷小量(1)

--1.7.2 无穷小量(2)

--第1.7节测试 无穷小量

第二章 连续函数

-2.1 连续函数的概念

--2.1.1 函数在一点连续的概念

--2.1.2 在一点的单侧连续性

--2.1.3 间断点的分类

--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

--2.1.1 连续函数的运算性质

--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

--2.3.1 局部性质和零点存在定理

--2.3.2 闭区间上连续函数的性质

--第2.3节测试 连续函数的性质

第三章 导数与微分

-3.1 导数与导函数

--3.1.1 导数与导函数(1)

--3.1.2 导数与导函数(2)

--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

--3.3.1 导数的四则运算

--3.3.2 复合函数的链导法则

--3.3.3 反函数求导法

--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

--3.5.1 高阶导数

--第3.5节测试 高阶导数

第四章 微分中值定理和导数的应用

-4.1 极值和极值点

--4.1.1 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

--4.2.1 微分中值定理(1)

--4.2.2 微分中值定理(2)

--第4.2节测试 微分中值定理

-4.3 洛必达法则

--4.3.1 洛必达法则(1)

--4.3.2 洛必达法则(2)

--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

--4.4.1 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

--4.5.1 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

--4.6.1 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

--4.7.1 函数的凸性和拐点(1)

--4.7.2 函数的凸性和拐点(2)

--第4.7节测试 函数的凸性和拐点

-4.8 曲线的渐近线

--4.8.1 曲线渐近线

--第4.8节测试 曲线的渐近线

-4.9 泰勒(Taylor)公式

--4.9.1 泰勒(Taylor)公式(1)

--4.9.2 泰勒(Taylor)公式(2)

--4.9.3 泰勒(Taylor)公式(3)

--第4.9节测试 泰勒公式

-4.10 原函数与微分方程初步

--4.10.1原函数与微分方程初步(1)

--4.10.2 原函数与微分方程初步(2)

--第4.10节测试 原函数与微分方程初步

第五章 定积分

-5.1 定积分问题举例

--5.1.1 定积分问题举例

-5.2 定积分的概念

--5.2.1 定积分的概念(1)

--5.2.2 定积分的概念(2)

--第5.2节测试 定积分的概念

-5.3 定积分的基本性质

--5.3.1 定积分的性质(1)

--5.3.2 定积分的性质(2)

--第5.3节测试 定积分的性质

-5.4 微积分基本定理

--5.4.1 微积分基本定理(1)

--5.4.2 微积分基本定理(2)

--第5.4节测试 微积分基本定理

-5.5 定积分的几何应用

--5.5.1 定积分的几何应用(1)

--5.5.2 定积分的几何应用(2)

--第5.5节测试 定积分的几何应用

-5.6 定积分的物理应用

--5.6.1 定积分的物理应用

第六章 积分法与反常积分

-6.1 换元积分法

--6.1.1 换元积分法(1)

--6.1.2 换元积分法(2)

--6.1.3 换元积分法(3)

--第6.1节测试 换元积分法

-6.2 分部积分法

--6.2.1 分部积分法(1)

--6.2.2 分部积分法(2)

--第6.2节测试 分部积分法

-6.3 有理函数的积分法

--6.3.1 有理函数的积分法(1)

--6.3.2 有理函数的积分法(2)

--第6.3节测试 有理函数的积分法

-6.4 定积分应用举例

--6.4.1 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

--6.5.1 反常积分(1)

--6.5.2 反常积分(2)

--6.5.3 反常积分(3)

--6.5.4 反常积分(4)

--第6.5节测试 反常积分

第七章 无穷级数

-7.1 无穷级数

--7.1.1 无穷级数

--第7.1节测试 无穷级数

-7.2 正项级数

--7.2.1 正项级数

-7.3 比值判敛法和根式判敛法

--7.3.1 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

--7.4.1 一般项级数(1)

--7.4.2 一般项级数(2)

--第7.4节测试 一般项级数

-7.5 幂级数

--7.5.1 幂级数

-7.6 函数的幂级数

--7.6.1 函数的幂级数

--第7.6节测试 函数的幂级数

-7.7 泰勒级数

--7.7.1 泰勒级数

--第7.7节测试 泰勒级数

-7.8 幂级数的简单应用

--7.8.1 幂级数的简单应用

第八章 常微分方程

-8.1 一阶可求解常微分方程

--8.1.1 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

-- 8.2.1 一阶线性微分方程(1)

--8.2.2 一阶线性微分方程(2)

--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

--8.3.1 二阶线性常系数微分方程(1)

--8.3.2 二阶线性常系数微分方程(2)

--8.3.3 二阶线性常系数微分方程(3)

--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

--8.4.1 常系数微分方程简单应用举例(1)

--8.4.2 常系数微分方程简单应用举例(2)

期末考试

-期末考试

--期末考试说明

-期末考试--期末考试

7.7.1 泰勒级数笔记与讨论

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