当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第五章 导数应用 > 第五节 Taylor 公式 > 带有Peano型余项的Taylor 公式
接下来我们介绍一下我们一元函数微分学中
得到的一个很重要的结果
也就是说我们知道了函数在一点的导数值之后
怎么样利用它在这一点的导数
来在这点附近用一个多项式函数
来近似我们这个函数
这就是我们说的Taylor公式
这是我们这一章的第五节内容
Taylor是十七世纪末十八世纪初英国的数学家
我们现在讲的这个公式就以他的名字命名
所谓Taylor公式介绍的问题
一般地说就是说有了导数之后
对一个导数存在的函数来说
在一点附近我们能不能用一个多项式来近似它
当然怎么样构造这样一个多项式
构造出来的多项式满足什么条件
我们来看一下我们介绍的
几个不同余项形式的Taylor公式
第一个我们先介绍一下带有Peano型余项的Taylor公式
我们就从咱们前面介绍过的内容出发来看一下
所谓的带有Peano型余项的Taylor公式
指的是什么
我们在讲函数连续性时
我们知道函数f(x)在x0这一点连续
也就是它在x0这一点的极限存在
而且就等于这点的函数值
根据极限与无穷小的关系
也就是它在这点连续的时候
等价于f(x)就等于f(x0)加上一个无穷小量
α(x)在x趋向于x0时极限是0
我们借用一下高阶无穷小的记号
也就是说这个极限是0的东西
我们可以表示成是o(1)
这个等式现在我们换一个角度来理解它
也就是说如果函数在x0这点是连续的
那么在x0这点附近我们就可以用一个常数
来近似这个函数值
这个函数值与这个常数之间的差应该是一个无穷小量
接下来我们还介绍过函数f(x)在x0这点可导
可导也就是可微
这个时候我们知道f(x)减掉f(x0)
应该等于它的微分
也就是f'(x0)再乘上x减x0
再加上o(x减x0)
这是我们函数在一点可导也就是可微
可微的定义应该就是这个关系式
这个关系式我们给它变一个形式
也就是看成是f(x)等于f(x0)
加上f'(x0)再乘上x减x0
再加上o(x减x0)
那为了跟前面这个关系式我们从同一个角度去体会它
那么对下面这个关系式我们可以这样说
如果函数在x0这点是可导的
那么在这点附近
我们就可以用一个一次多项式来近似这个函数值
而这个函数值与这个一次多项式值之间的差
应该是x减x0它的高阶无穷小
如果从最后这个差的形式上来看
这个o(1)我们也可以形式的写成
是o(x减x0的0次方)
而这个地方我们自然也可以给它写成是
o(x减x0的1次方)
现在我们能不能把这个想法给它继续推广
也就是说如果它在这一点有二阶导数的时候
我们能不能做到
在这点附近用一个二次多项式来近似这个函数
而函数与那个二次多项式的差
应该是x减x0的2次方的高阶无穷小
甚至我们更可以大胆的去想
如果它在这点有n阶导数的时候
我们能不能做到
用一个n次多项式来近似这个函数
而函数与那个n次多项式之间的差
应该是x减x0的n次方的高阶无穷小
实际上Taylor公式就是给出了我们这样的结论
说当它在x0这点具有n阶导数时
我们确实是可以用一个n次多项式
来近似这个函数
而函数与这个n次多项式之间的差
可以表示成x减x0的n次方的高阶无穷小
那接下来我们主要关心这个多项式怎么构造出来
为了就是说能够得到这个多项式的系数
我们就从最简单的情况入手
譬如说我们就是假设我们这个f(x)
就等于c0加上c1x再加上c2x平方
再加上cnx的n次方
也就是我们假设这个函数
本身就是一个n次多项式的值
就是一个n次多项式
那么大家看一下如果在某一点附近
譬如说a点附近
我就是f(a加上h)
h绝对值是个很小的数
当然就表示的是a点附近
看看这个东西能不能表示成一个多项式
就是a0再加上a1h再加上a2h
再加上anh的n次方再给它加上o(h的n次方)
也就是说如果它本身就是个n次多项式函数时
我们来看一下在这点的值能不能用一个这样的
自变量的改变量的n次多项式来近似
而且它俩的差正好是
自变量改变量的n次方的高阶无穷小
如果可以的时候我们看一看这些系数
a0a1一直到an
与这个f之间是什么关系
实际上因为我们这个f(x)
它本身就是个n次多项式
所以说f(a加h)也就等于c0
加上c1a加h
再加上c2a加h平方
一直加到cna加上h的n次方
因为大家知道我们利用二项式定理
这个地方它出现的h的最高次方的次数应该就是n
那么我们以hh平方一直到hn次方
做公因子给它合并
合并完之后它出来的应该就是常数项是a0
一次方项我们用a1来表示
二次方项我们用a2来表示
一直到n次方项我们用an来表示
后面当然就不会再出现其他东西了
那也就是说这个时候这个等号是严格成立的
好了有了这个等号之后
我们可以看一下在这边和这个f(a加h)这地方
我们令h等0我们自然就会得到
f(a)就应该等于a0
这样就得到了a0与f的关系
如果在这端和这个n次多项式这端
我们关于h求一阶导
我们就会得到f'(a加h)
应该等于a1加上两倍的a2h
再加三倍的a3h平方
再加上n倍的anh的n减1次方
在这个等式两端我们再让h等0
也就令h等0我们就会得到a1实际就等于f'(a)
这样就得到了a1与f的关系
接下来我们就在这个等式两端再关于h求导
那么就是f的两阶导在a加h这点的值
这面应该是个两倍的a2再加上3乘2然后a3h
再加一直加到n乘上n减1h的n减2次方
在这个等式两端我们再令h等0
我们就会得到a2应该等于一个
二分之一倍的f两阶导在a这点的值
当然这个二分之一我们也可以理解成是二乘一分之一
或者说我们就给它理解成是二的阶乘分之一
接下来大家用这个方法你马上就知道
我们再求导再让h等0
就会得到a3应该是等于三的阶乘分之一
三阶导在a这点的值
实际上一般的我们会得到ak等于
k的阶乘分之一函数的k阶导在a这点的值
我想通过一个具体的n次多项式函数
我们实际上就解决了这一个问题
说如果它在a这点附近的值
能够用一个自变量改变量的
n次多项式来近似的时候
这个时候那个n次多项式的系数
与这个函数在这点的各阶导数之间的关系
应该就是这个关系
其中我们的k如果是函数值可以表示成0阶导的时候
k就从012一直可以取到n
所以说这样我们就会得到了一个
与函数在a这点与各阶导数有关的一个多项式
好接下来我们给出一个定义
这个定义是这样说的
若这个函数f(x)在a这一点具有n阶导数
然后我就称这个多项式
我用Tn来表示
这个多项式是k从0到n求和
系数是k的阶乘分之一
再乘上f的k阶导在a这点的值
这面是x减a的k次方
也就是说我利用在它a这点的各阶导数值
构造了一个x减a的n次多项式
这个多项式就称为这个函数
称它为这个函数在x等a这一点的
n次Taylor多项式
这样只要我们知道函数在一点具有n阶导数
那么我们利用这个公式就可以构造一个n次多项式
这就是它的n次Taylor多项式
所谓Taylor公式是什么
我们给一个结论
也就是对我们这样定义的n次Taylor多项式
它应该满足下面的条件
也就是若f(x)在a具有n阶导数
则在a点附近我们就有这个等式成立
f(x)就等于我们的Tn(x)
再加上小o(x减a的n次方)
其中这个Tn(x)表示的就是这个函数
在a这点的n次Taylor多项式
我想这就说清楚了如果它在a那点具有n阶导数的时候
我们实际上是在这点附近
可以用它的n次Taylor多项式的值来近似这个函数值
而且咱们能够保证这个多项式的值与这个函数值之间的差
应该是x减a的n次方的高阶无穷小
根据高阶无穷小的概念大家知道
当x减a的绝对值足够小时
那么它n次方的高阶无穷小应该是一个很小的量
换句话说在a这点附近用多项式来近似函数值
我们就能得到一个不错的就是近似计算公式
接下来我们做一个简短的证明
首先大家注意我们这样定义的n次Taylor多项式
它与这个函数本身的关系式也就是
f的k阶导在a这点的值与它的n次Taylor多项式它的k阶导
在a这点的值应该是相等的
这个k是从0,1 一直到n都是对的
这是在a那点函数与它的n次Taylor多项式之间的关系
因为在这个Taylor公式的证明过程中
我们要用这个结果
大家看一下我们要证这个等式
也就是要证f(x)减掉Tn(x)
再除上x减a的n次方
在x趋向于a时它的极限只要是0就可以了
它极限是0
就说明这个差是这个分母的高阶无穷小
也就是说上面咱这个公式是对的
那现在我们怎么用这个东西
因为它说它在a这点是具有n阶导数
那么言外之意就是
在a这点及其附近它的n减1阶导数都是存在的
而我们考虑的是x趋向于a的时候
所以我们不妨假设这个x离a是足够近的
也就是在我们考虑的x的地方
这个函数是有n减1阶导数的
那么由罗必达法则
这应该是个0比0型的东西
所以我们就用一次
这就是x减a的n减1次方
这是一个f
这是罗必达法则就应该是x再减掉
它的导数Tn'(x)
这个极限如果存在而且等于0的时候
我们就能证明这个极限也是存在而且等于0的
注意到在x趋向于a时
用上Taylor多项式与函数在a那点的关系
这应该还是个0比0型的
所以我们就再用一次罗必达法则
也就是它就是两阶导在x这点的值
减掉它的n次Taylor多项式的两阶导在x这点的值
再除上n乘上n减1
这就是x减a的n减2次方
根据我们刚才的分析
实际上f(x)我们可以一直求到
它的n减1阶导数
而且利用Taylor多项式与函数在a这点的这个关系
我们还知道在用的过程中就是说它的k阶导数
f的k阶导数减掉它的n次多项式的k阶导数
在x趋向于a时应该是趋向于0的
所以我们这个过程实际上是可以一直用到
它的n减1阶导数
f的n减1阶导在x这点的值
减掉Tn的n减1阶导在x这点的值
底下我们用n减1阶导之后
可以写成是n的阶乘再乘上x减a
接下来我们看一下到了这个地方
我们能不能继续再用罗必达法则
实际上这个定理的条件只是说它在a这点有n阶导数
它并没有说在a这点附近函数也有n阶导数
换句话说它的n减1阶导在a这点附近是不是还有导数
我们并不知道
所以说接下来我们就不能继续用罗必达法则了
但是大家注意一下最后这个n次Taylor多项式的
n减1阶导数是什么
n减1阶导数这本来是个n次多项式
求n减1阶导数之后
它的n减1阶导数在它的n减2次方之前
包括x的n减2次方
求n减1阶导数应该都是0的
所以说我们求n阶导数这时候只要关心
最后两项求完n减1阶导数是什么就行了
好我们把最后两项写出来
一项是a减1的阶乘分之它的n减1阶导在a这点的值
乘上x减a的n减1次方
还有一项是再加上n的阶乘分之它的n阶导在a这点的值
再乘上x减a的n次方
这是它的n次Taylor多项式的最后两项
这两项求n减1阶导
大家注意这个求n减1阶导就是n减1的阶乘
所以剩下的是f n减1阶导在a这点的值
这个求n减1阶导
应该正好把n的阶乘消掉
但剩下的是f的n阶导在a这点的值乘上x减a
那么我们把这两项的n减1阶导往这一带
那么这个表达式就会等于这个表达式
也就是f n减1阶导
x减掉f的n减1阶导a
然后再减掉f的n阶导a
再乘上x减a
再除上x减a
除上x减a之后大家注意我们给它处理成两部分
这部分是n减1阶导在x这点的值
减掉n减1阶导在a这点的值
除上x减a
那么在x趋向于a时
它正好是它的n阶导数在a那点的值
这是n阶导数在a那点的定义
而后面这一个x减a跟分母上的x减a消掉之后
本身就是它的n阶导数在a那点的值
也就是说在给定的条件下
我们这个东西一取极限
最后就趋向于0
所以说我们就利用咱们前面介绍过的
0比0型的罗必达法则以及导数定义
就证明了这个比值的极限确实是趋向于0的
也就是证明了这个公式是成立的
这个公式我们就把它称为是函数f(x)
在a那点的n阶带有Peano型余项的Taylor公式
而后面这个余项形式我们就把它称为是
它的Peano型余项
Peano型余项应该是一个定性的性质
从这个公式我们可以看出来
就是在给定条件下
我们就充分利用了a那点的n阶导数值
构造了一个n次多项式
并且给出了这个余项的一个定性的估计
所谓定性因为这是小o
小o一定是要体现这个极限过程
是x趋向于a时
我保证它比这里面的部分是以更快的速度趋向于0
但是当x一旦给定时
这个值它的绝对量是大是小
那是很难说的
也许说x减a的绝对值是0点1
但是这时候也许是很大的
因为从理论上讲
它只是保证在某个极限过程下
它以多快的速度趋向于0
接下来我们看一个具体函数它的Taylor多项式
比如说我们就看一下f(x)等于sinx
咱们求一求它在x等于0这个地方
它的二次Taylor多项式是什么
根据Taylor多项式的定义
也就是我们要求一下它的一阶导数
当然就是cosx
它的二阶导数
应该是一个负的sinx
因为求二次的时候大家一看x等于0的时候
一阶导数值等于1
二阶导数值实际是等于0的
函数值也是等于0的
所以说应该是T2(x)
应该就等于在这点的函数值加上这点的一阶导数值
乘上x减0
再加上二的阶乘分之一
它的二阶导数值在这点的值
再乘上x减0的平方
这样代进去之后
实际上也就是等于x
这就是它的二次Taylor多项式
那我们再看一下它的三次Taylor多项式是什么
要求三次Taylor多项式的时候
我们就要求一下三阶导
三阶导也就是负的cosx
那么三阶导数在0这点的值应该是-1
所以说我们的三次Taylor多项式
应该前面的二次项之前的都不变
也就是在这个基础上T2(x)的基础上
我们再给它加上一项
三的阶乘分之一它的三阶导在0这点的值
再乘上x减0的三次方
那么也就是等于x
这个地方就是减掉三的阶乘分之一
也就是六分之一x的三次方
这就是三次多项式
接下来我们看它的四次多项式
应该与三次多项式应该是一样的
为什么
因为这本身是个奇函数
奇函数你要用多项式来近似的时候
多项式也应该是一个奇函数
否则的时候它的近似程度肯定不好
换句话说它的Taylor多项式里面
应该就不会出现偶数次方项
这是从多项式近似这个角度来理解
实际上如果从奇函数这个角度来理解
它是奇函数那么它的导数应该是偶函数
它的二阶导是奇函数
然后三阶导是偶函数
四阶导也是奇函数
奇函数在原点的值等于0
也就是说它的四阶导数在原点的值是等于0
所以说四次Taylor多项式里面的四次方系数是等于0的
那接下来我们来看看它的五次Taylor多项式
五次Taylor多项式大家知道
它的四阶导应该就等于sinx
就三阶导求导
那么五阶导也就等于cosx
所以说五阶导在0这点的值是等于1的
等于1的时候那么我们的五次Taylor多项式
实际上就是在三次Taylor多项式的基础上
加上四次方项
应该是个零项
再加上它的五次方项
就是五的阶乘分之一
它的五阶导在0那点的值
再乘上x减0的五次方
那我们写出来应该就是
x减掉六分之一x三次方
五的阶乘
这个大家都能做出来是120
所以就是加上120分之一x的五次方
也就是说对正弦函数来说
我们可以按照Taylor多项式的定义
把它在原点的一次Taylor多项式
二次三次四次五次一直求出来
当然刚才说过因为它本身是奇函数
所以它的Taylor多项式里面
只可能是有奇数次方项
那我们可以画一个图
大家从图上可以看出
原点附近它的一次Taylor多项式
二次三次四次五次Taylor多项式
与这个正弦曲线它的近似程度
在0点附近随着这个次数越高它应该近似的是越好
这是关于Taylor多项式的这个概念
以及带有Peano余项Taylor公式的内容
最后我们留一个问题
这个问题是这样子的
根据带有Peano型余项的Taylor公式
我们知道函数在一点的n次Taylor多项式
与函数值它的差
是x减a的n次方的高阶无穷小
也就是说Taylor多项式是满足这个公式的
我们的问题是满足这个公式的多项式
是不是只有一个
也就是说满足f(x)等于譬如说
是一个k从0到nak
x减掉a的k次方等于小o(x减a的n次方)
就是满足这个条件的这个多项式是不是只有一个
当然如果是只有一个的时候
就是刚才我们说的函数在a那点的
n次Taylor多项式
我们的答案是说如果一个多项式满足这个条件
那这个多项式不是别的
就是它在a那点的n次Taylor多项式
这样就是说满足这个结论的多项式是唯一的
请大家给出证明
也就是请大家证明一下在这个等号成立的前提下
我这个ak不是别的
一定是k的阶乘分之一f的k阶导在a那点的值
其中k是从0,1 一直取到n的
这是最后留给大家的一个问题
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
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--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习