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The Taylor Formula (泰勒公式)在线视频

The Taylor Formula (泰勒公式)

下一节: Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)

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The Taylor Formula (泰勒公式)课程教案、知识点、字幕

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

微积分-1课程列表:

Chapter 1 Numbers and Sets 数域与集合 (first part)

-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

Chapter 1 Numbers and Sets 数域与集合 (second part)

-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

Chapter 2 Sequence 数列 (first part)

-Unit 1 Limit of a Sequence (数列的极限)

--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

Chapter 2 Sequence 数列 (second part)

-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

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性(first part)

-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)

--Exercises-3-3

-Unit 4 Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)

--Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)

--Exercises-3-4

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性(second part)

-Unit 5 Limits of Functions (函数的极限)

--Limits of Functions(函数的极限)

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-Unit 6 Infinity (无穷)

--Infinity (无穷)

--Exercises-3-6

-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)

--Exercises-3-7

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性 (last part)

-Unit 8 Continuities (连续性)

--Continuity (连续性)

--Exercises-3-8

-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)

--Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)

--Exercises-3-10

-Unit 11 Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)

--Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)

--Exercises-3-11

-章节测验3

--章节测试 3

Chapter 4 Derivatives 导数 (first part)

-Unit 1 Basics of Derivatives (导数基本定义)

--Basics of Derivatives (导数的基本定义)

--Exercise-4-1

-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)

--Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)

--Exercise-4-3

Chapter 4 Derivatives 导数 (second part)

-Unit 4 Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)

--Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)

--Exercise-4-4

-Unit 5 Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)

--Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)

--Exercise-4-5

-Unit 6 L'Hospital's Rules (洛必达法则)

-- L'Hospital's Rules (洛必达法则)

--Exercise-4-6

Chapter 4 Derivatives 导数 (last part)

-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)

--The Taylor Formula (泰勒公式)

--Exercise-4-8

-章节测验 4

--章节测试4

Chapter 5 Integrals 积分(first part)

-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

Chapter 5 Integrals 积分(second part)

-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)

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--Arc Length(弧长)

--Exercise-5-6

-Unit 7 Areas and Volumes(面积与体积)

--Areas and Volumes(面积与体积)

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-章节测验5

--章节测试5

课程讲义

-课程讲义

The Taylor Formula (泰勒公式)笔记与讨论

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