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同学们 你们好
欢迎来到mooc在线课程微积分
前面的课程中呢
我们已将学习了很多导数的
重要应用
现在 我们要继续借助导数
来研究函数
这节课的主题
就是一个非常著名的公式
叫做泰勒公式
泰勒公式是微积分应用中最常见
最广泛的工具
所以 我们一定要搞懂它
好的 现在我们就来看一下
泰勒公式究竟说什么
Chapter 4 Derivatives 导数
Unit 8 The Taylor Formula
泰勒公式
Section 1 The Taylor Formula
泰勒公式
同学们
泰勒公式是微积分中
一个非常重要的公式
下面呢我们就看一下
泰勒公式是怎么计算出来的
请看 Theorem 1.1
Taylor Formula
with Peano Remainder
带着皮亚诺形式的余项
的泰勒公式
Suppose that f of x
is defined in a neighborhood
x0 minus delta
x0 plus delta
of x0
假设f在x0的某个邻域内有定义
and for some n
which is positive integer
f belongs to D to the n-1
x0 minus delta
x0 plus delta
and f to the nth derivative
at x0 exists
这个地方我要详细解释一下
前面这个符号
f属于D
上面画一个小括号n-1
它表示呢
f有直到n-1阶的导数
也就是说
要求f在刚才那个邻域上
有直到n-1阶的导数
另外要求
f to the nth derivative at x0 exists
也就是说
f在x0点的n阶导数要存在
Then we have
接下来我们就有我们重要的公式了
这公式是这样写的
f of x equals
f at x0
plus f prime at x0
times x minus x0
plus a half f double prime x0
times x minus x0 squared
plus dots plus
1 over n factorial
f to the nth derivative at x0
times x minus x0 to the nth degree
plus r_n(x)
这公式非常长
我给同学们慢慢解释一下
这公式告诉我们
f(x)可以用另外一个式子来表达
这个式子的前几项是
f在x0点的值
这是一个常数
第二项呢
是f一撇在x0处的值
乘以x减去x0
这是一个线性的函数
再加第三项
二分之一f两撇x0
乘以x减去x0的平方
这是一个二次项
一直加下去加到第n阶
是n的阶乘分之一
注意n的阶乘在英语中呢读作
n factorial
好了 n的阶乘分之一
乘以f的n阶导数在x0点的值
再乘以x减去x0的n次幂
再加一个尾项
这个尾项呢就是我们刚才提到的
remainder
也就是说f在x0的附近呢
我们把它展成了
一个n阶的多项式
再加另外一个函数
这个函数就是尾项
那么这个尾项有什么特点呢
where the remainder r_n(x)
belongs to little o
x minus x0 to the nth power
as x approaches x0
也就是说
这个尾项啊是一个无穷小量
它呢是比x减去x0的n次幂
还要更高阶的无穷小量
这个尾项呢
就是所谓的皮亚诺余项
同学们
刚才这个定理中啊
出现了一个多项式
我们把这个多项式呢单独写出来
记成p_n(x)
它是一个n次多项式
这个多项式啊
is called
the Taylor polynomial of degree n
它叫做f的泰勒多项式
n阶的泰勒多项式
It can be seen
as an approximation
of the original function f near x0
什么意思呢
就是这个多项式啊
它就是f在x0附近的n次逼近
也就是说
我们用一个n阶的多项式
来逼近f
这个多项式
就是刚才的泰勒多项式
其实呢泰勒公式
还有另外一个类似的样子
这就是我们下面要讲的
第二种类型的泰勒公式
请看 Taylor Formula
with Lagrange Remainder
带有拉格朗日余项的泰勒公式
Let f of x
be a function defined on (a,b)
if f is differentiable to the n+1
什么意思呢
如果f有直到n+1阶的导函数
then for any x and x0 in (a,b)
we have f of x equals
f at x0
plus f prime x0 x minus x0
plus so on
until the nth term which is
1 over n factorial
f to the nth derivative at x0
times x minus x0 to the n
plus r_n(x)
这个公式
跟我们刚才写的泰勒公式呢
没有什么两样啊
这里的差异在哪呢
在余项
where the remainder
r_n(x) equals
the n+1 derivative of f at zeta
over n+1 factorial
and times x minus x0
to the n+1 degree
here zeta is some number
between x and x0
什么意思呢
在现在所看的
这个泰勒公式的余项中啊
r_n(x)它是一个确定的数
它的样子呢
我们已经写出来了
分子有一项是f的n+1阶导数
取值在某一个点zeta处
这个zeta呢介于x与x0之间
也就是说
任给两点x与x0
我们总能找到某一个zeta
由这个zeta呢
给出了一个余项
这个余项叫做拉格朗日余项
使得f就等于它的泰勒多项式
再加上刚才这个余项
这就是第二种类型的泰勒公式
Section 2
Examples 例子
同学们 刚才呢
我们讲了两个定理
它们呢都叫泰勒公式
只是余项不太一样
接下来呢
我们动手亲自操作一下
看看具体的几个泰勒公式
Example 2.1
We consider f of x equals
e to the x
we wish to find the Taylor formula
near x0 equals 0
对e的x幂这个指数函数
我们看一下在x0
也就是0点附近
它的泰勒公式是怎样的
so we have f of x
equals f prime of x
equals f double prime of x
and so on
因为这个函数f啊太特殊了
它是个指数函数
它每一次求导数呢都不变
这样的话
我们很容易把那些高阶导数
都求出来
它的每一阶导数呢
实际上都是e的x幂的样子
所以呢 f在0处 f一撇在0处
以至于f的n阶导数在0处呢
都是1
于是我们可以写出e的x幂
它的泰勒多项式的样子
它就是1加x
加上2的阶乘分之一x平方
再加上3的阶乘分之一x三次方
再加下去
一直加到n的阶乘分之一
x的n次方
再加一个余项
这个余项呢
可以有两种不同的方式
既可以写成皮亚诺余项的样子
也就是r_n is an infinitesimal
它是一个无穷小量
它是比x的n次幂
还要高阶的无穷小量
或者呢
写成拉格朗日余项的样子
也就是具体的某个数
e to the power of eta times x
over n+1 factorial
times x to the n+1
这里有一个量eta
eta呢是介于0 1之间
希望同学们把刚才这个
特殊的泰勒公式中
一些细节问题呢
自己把它找出来
好的我们再看一个例子
Example 2.2
we take the function f of x
equals sine x
we wish to find its Taylor formula
near 0
正弦函数sine
我们把它在0处
找一下它的泰勒公式
那么sine这个函数
它的高阶导数呢
我们以前讲过了
所以呢很容易算出来的
请看we have f
to the kth derivative
这个sine函数它的k阶导数
实际上我们有这样一个公式
它等于sine x
加上二分之k乘以pi
这个公式呢
和我们以前讲过的
那个模4余项判别
f的导数的样子呢
实际上是一致的
同学们要认真思考一下为什么
好的
有了这样一个高阶导数公式
我们把x带成0
就可以算出来了 Thus
我们直接写出sine x的泰勒展开
它等于
x minus x cubed over 3 factorial
plus x to the fifth over 5 factorial
plus so on
plus -1 to the n times x to the 2n+1
over 2n+1 factorial
plus remainder
好了这里呢我们把sine x展到了
x的2n+1次幂
还有一个余项
当然这里边呢
我们省去了一些具体的计算过程
同学们自己把它补出来
这里这个余项2n+2呢
有两种不同的方式
一种是用无穷小量的方式
一种是用拉格朗日余项的方式
其中有一个数eta呢
是介于0 1之间的
希望同学们呢
把这个余项是怎么来的呢
自己再推导一下
好的 刚才呢
我们对具体的函数做了泰勒公式
泰勒公式啊比较复杂
那么它有什么用呢
其实啊泰勒公式非常的重要
比如呢我们可以用泰勒公式
来求一些复杂的极限
下面我们看一个具体的例子
这个例子是这样的
find the limit of
cosine x minus
e to the minus x square over 2
and then divided by
x fourth power
as x approaches 0
这个极限啊挺复杂的
如果同学们愿意的话
可以用我们前面讲过的
洛必达法则去求一下
是可以找出它的解的
那么我们现在呢用泰勒公式
也可以达到同样的效果
我们看一下怎么做
首先呢
我们把刚才那个极限
用泰勒公式代入
也就是说把cosine x
和e的负二分之一x平方呢
分别用它们的泰勒公式代入
当然这里需要同学们
自己去推导一下cosine x
和e的负二分之一x平方
在0点附近的泰勒公式
我们这里呢
展到了x的四次方这一项
我们用的是皮亚诺形式的余项
好了 我们现在合并同类项
结果是什么呢 请看
分子变成了
负的十二分之一x四次方
再加上一个无穷小量
注意啊
刚才这两个无穷小量相减的话
我们不能说它是0
只能说它是另外一个无穷小量
好的 然后再除以分母x四次方
那么这个极限就出来啦
就是负的十二分之一
于是 我们一下子就找到了
刚才这个极限的结果
同学们 刚才这个例子啊
充分说明了泰勒展开的重要性
我们一定要记住
这两种不同的展开方式
熟练掌握它们的计算方法
同学们 第四章的内容
到这里就全部结束了
我们简单回顾一下
这一章 我们围绕着导数和微分
学习了很多很多微积分的知识
以及它们的应用
比如洛必达法则 导数判别法
泰勒公式等等
这些知识有的比较难以理解
有的计算起来比较复杂
其实 只要我们耐心细致的学习
课后要多复习 多思考 多练习
自然也就能够学懂学通了
下一章 我们将系统的学习
微积分知识体系的另一大块内容
也就是微分的反运算 积分
有关积分的知识
是以这一章微分的知识为基础的
所以请同学们一定要把这一章的内容
好好复习一下
再预习一下下一章的内容
好的同学们 我们下一章再见
-Unit 1 Review of Real Numbers (回顾实数)
--Review of Real Numbers (回顾实数)
--Exercise1-1
-Unit 2 Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)
--Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)
--Exercise 1-2
-Unit 3 Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)
--Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)
--Exercise-1-3
-Unit 4 Bounds and Completeness (有界性与完备性)
--Bounds and Completeness (有界性与完备性)
--Exercises-1-4
-Unit 5 Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)
--Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)
--Exercise-1-5
-章节测验1
--章节测试1
-Unit 1 Limit of a Sequence (数列的极限)
--Exercises-2-1
-Unit 2 Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)
--Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)
--Exercises-2-2
-Unit 3 Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)
--Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)
--Exercises-2-3
-Unit 4 Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)
--Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)
--Exercises-2-4
-Unit 5 Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)
--Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)
--Exercises-2-5
-章节测验2
--章节测试2
-Unit 1 Functions and Graphs (函数与图像)
--Functions and Graphs (函数与图像)
--Exercises-3-1
-Unit 2 Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions (代数函数,超越函数与反三
-- Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions(代数函数,超越函数与反三角函数)
--Exercises-3-2
-Unit 3 Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions (双曲函数与反双曲函数)
--Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions(双曲函数与反双曲函数)
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-Unit 4 Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)
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--Exercises-3-4
-Unit 5 Limits of Functions (函数的极限)
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-Unit 6 Infinity (无穷)
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-Unit 7 Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)
--Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)
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-Unit 8 Continuities (连续性)
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-Unit 9 Theorems on Continuity (关于连续性的定理)
--Theorems on Continuity (关于连续性的定理)
--Exercises-3-9
-Unit 10 Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)
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-Unit 11 Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)
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--Exercises-3-11
-章节测验3
--章节测试 3
-Unit 1 Basics of Derivatives (导数基本定义)
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-Unit 2 Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与
--Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与微分)
--Exercise-4-2
-Unit 3 Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)
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-Unit 4 Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)
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-Unit 5 Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)
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--Exercise-4-5
-Unit 6 L'Hospital's Rules (洛必达法则)
--Exercise-4-6
-Unit 7 The First and Second Derivative Tests (导数判别法)
--The First and Second Derivative Tests (导数判别法)
-Unit 8 The Taylor Formula (泰勒公式)
--Exercise-4-8
-章节测验 4
--章节测试4
-Unit 1 Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)
-- Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)
- Exercise 5-1
-Unit 2 Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)
--Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)
--Exercise-5-2
-Unit 3 Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)
--Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)
--Exercise-5-3
-Unit 4 Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)
--Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)
--Exercise-5-4
-Unit 5 Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)
-- Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)
--Exercise-5-5
-Unit 6 Arc Length(弧长)
--Exercise-5-6
-Unit 7 Areas and Volumes(面积与体积)
--Exercise-5-7
-章节测验5
--章节测试5
-课程讲义