当前课程知识点:微积分(先修课) > 第七章 无穷级数 > 7.7 泰勒级数 > 7.7.1 泰勒级数
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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
-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