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 > Taylor公式的应用(一)
好下面我们来介绍一下泰勒公式的一些简单应用
实际上泰勒公式应该是说
我们微分学里面得到的最重要结果之一
因为它把一般的函数
与我们比较熟悉的多项式联系起来了
实际上在大家学习一些其他后续课程时
你会不时地用到泰勒公式或者是泰勒多项式
也就是说那个时候
主要是用泰勒多项式来近似函数
当然除此之外在我们微积分里面
也可以利用泰勒公式来处理一些具体的问题
我们来介绍几个例子
我们给它起名叫泰勒公式的简单应用
第一个比如说
我们可以用泰勒公式来求某些特殊的极限
我们看两个例子
第一个例子也就是求一下x趋向于0时
sinx减掉tanx比上x三次方
这个极限是0比0型的极限
当然单纯从求这个极限值的角度出发
大家知道我们用洛必达法则
也可以求这个函数的极限
那我们利用等价无穷小
自然也可以求这个分式的极限
现在我想我们用泰勒公式来求一求
我们考虑一下因为我们只关心在x趋向于0时
它的变化情况
所以说我们自然会认为x是在0附近
那么sinx在0那点的泰勒公式应该是这样子的
刚才我们写过
它一次方项应该就是x
平方项系数是0
三次方项应该就是x三次方
因为大家考虑到分母是三次方项
所以说我后面比三次方项更高阶的东西
我把它扔掉
实际是不影响我们这个分式的极限
希望大家注意搞清楚
我们为什么写到三次方项
就一定保证我的结果是正确的
就是我扔掉的是分母的高阶无穷小
接下来关于正切函数
正切函数大家知道我们要求它的导数
它的导数一阶导应该等于sec方x
那么二阶导也就是sec方的导数
是2倍的secx再乘上secx再乘上tanx
那么三阶导也就是在这里面再求
这个时候也就是等于4倍的secx
然后再乘上secxtanx
这面还有一个tanx是个平方
再加上两倍的sec方x
这个再求导也就是再乘上一个sec方x
因为我这样写到三次方项就够了
所以下面我自然就不用写了
这样大家看一下
它的函数值在0那点的值自然是0
一阶导数是等于1的
这说明x系数是1
二阶导数这里有个正切
自然应该是等于0
这说明它的展开式里面没有二次方项
这当然是正常的
因为正切x也是个奇函数
自然不会出现偶数次方项
它的三阶导数在0那点的值
这个因子也就这一项
有一个0因子所以是等于0的
这一项应该是等于2的
这样我们就知道它的一阶导数在0那点等于1
三阶导数在0那点是等于2的
这样我们写出来
也就是我们的正切x如果在0那点写泰勒公式
应该写出来是x再加上一个六分之二x的三次方
再加上o(x的三次方)
写成这样之后大家看一下我们的sinx减掉tanx
一次方项减掉了
二次方项是1/6减掉1/3
应该是个-1/2
也就是我们代进来之后
这个地方会写成x趋向于0
-1/2x三次方再加上0(x三次方)
因为这个高阶无穷小与这个高阶无穷小做差
我们只能保证它还是三次方的高阶无穷小
请大家千万不要被这个形式给迷惑了
说两个完全一样的东西一减应该等于0
因为大家知道
这只是表示了一个定性的性质
它并不是表示这两部分的值就完全相等
这样写出来之后
除上x三次方应该就等于-1/2
这是我们这个极限
我想通过这个例子
除了能够解释一下
我们用所谓的泰勒公式求极限这个方法之外
我还希望给大家解释另外一件事情
因为在讲等价无穷小代换的时候
我们曾经说过
加减项有时候用等价无穷小代替
结果是正确的
有时候是不对的
比如说sinxtanx咱们知道在x趋向于0时
它都与x等价
但是在这里面
你用它的等价无穷小代替结果就是错的
原因是什么大家看
尽管它的一次项是一样的
但是后面的三次方项是不一样的
如果你用等价无穷小代替
相当于把后面的三次方部分都扔掉了
而三次方恰好是分母的同阶无穷小
相当于你扔掉之后
自然就影响到了最后的结果
如果我原来这个题目
这个地方不是三次方项
而是平方项的时候
大家知道这个时候
你把这两项都用它的等价无穷小代替
结果自然是0
那么你不用等价无穷小代替
就是写出来结果还是0
这时候也就是说
这个加减项可以用等价无穷小代替
结果一定是正确的
我想写成这样大家能不能体会到
什么时候能用等价无穷小代替
也就是说你用等价无穷小代替之后
扔掉的项如果是分母的高阶无穷小
这个时候你就可以用等价无穷小代替
如果你扔掉的是分母的同阶无穷小
甚至是低阶无穷小
那自然不能用等价无穷小代替
我想这是第一个例子
第二个例子也就我们来求一求这个极限
x趋向无穷时
这面是x
这面减掉x平方再乘上ln(1加x分之一)
求这个极限
这个极限大家注意
这应该是个无穷减无穷型的极限
当然大家也可以用洛必达法则求这个极限
大家如果用洛必达法则求的时候
请大家提出一个x来
转化成0乘无穷型的东西
然后转化成0比0
或者是无穷比无穷
用洛必达法则做
在这儿因为x趋向于正无穷时
那么x分之1自然是趋向于0的
所以说我们关心的是
这个函数在0点附近的那个函数值
这样的时候大家看
因为1加x分之一
当x分之一在0点附近的时候
我们可以直接给它写成这个样子
就是x分之一减掉1/2(x分之一的平方的)
这个项
后面再加上一个o(x分之一平方)
那说你这个题目你为什么写到平方项就不写了
因为我们前面乘的是x方
如果我去掉的是x分之一的高阶无穷小的时候
那么它乘上x平方
也就是相当于除上x平方分之1
它的极限自然是0
所以说我扔掉的这部分
乘上x平方极限应该是0
所以说不受影响的
这样一写的时候大家看
我们的x减掉x平方乘上ln(1+x分之1)也就等于x
我们给它乘进来这个就是减掉x
这个一乘进来就是加上1/2
这个一乘进来
就是o(x分之一平方再除上一个x平方分之一)
写成这样的时候这两个消掉
所以它就等于1/2加这个表达式
这个表达式在x趋向于正无穷时
这一项是趋向于0的
所以我们知道这个结果是1/2
这是x趋向于正无穷时
我想这个题目
如果大家一个特殊函数的迈克劳林公式比较熟悉时
利用泰勒公式来做
它应该是思路很清晰
计算量应该也不太多
也就计算很简单
这也体现了既是能用洛必达法则
也能用泰勒公式的时候
有时候泰勒公式的计算量
有可能比洛必达法则还会简单一些
我想这是我们利用泰勒公式能处理的
第一类具体问题
好接下来我们来看一下
用泰勒公式处理的第二类问题
也就是判别无穷小量的阶
因为我们在介绍无穷小比较的时候
我们曾经给出了这样的说法
说一个无穷小量是一阶无穷小
二阶无穷小三阶无穷小等等
当然对多项式函数
在一个极限过程下
你来说它的阶是非常简单的
但是对一般的函数来说
我怎么样知道它在这个极限过程下
它是几阶无穷小
我想我们一起讨论一个例子
通过这个例子来看一下
我们怎么样用泰勒公式来判断无穷小量的阶
也就是f(x)等于(x+1)
根下+(x-1)根下-2倍的根下x
我们来看下一下在x趋向于正无穷时
这个f(x)是几阶无穷小
因为在x趋向于正无穷时
f(x)的极限等于0
我相信大家这个都能求得出来
因为只要做一个简单有理化就可以了
那它是几阶无穷小
我们该怎么来看
实际上我们也就是根据无穷小量的阶去看看
这个f(x)与xk次方分之一
在同阶的时候
这个k是等于什么
k是等于什么
那现在大家看一下
我怎么用泰勒公式
因为如果在这个表达式里面
我直接用泰勒公式的时候
那么x它是在无穷附近的
这个时候
我们无论是用哪个余项形式
应该说都不可能用泰勒多项式很好的近似这个函数
但是我们给这个f(x)做个变形
在这提出一个x来
这就是根下x乘上(1加上x分之一)求根下
再加上根下x
这面是根下(1-x分之一)
这面减掉2倍根号x
如果这样看的时候我们看这两个根号
这时候x趋向正无穷时
x分之一是在0附近的
那么我们可以看这个函数
这个函数也就是
g(x)=根下(1+t)
我们g(t)=根下(1+t)
在0那点做展开
那么我们需要知道它的一阶导数
一阶导数也就是2倍的根下(1+t)分之一
那我们知道需要知道它的二阶导数
二阶导数也就是等于1/2乘上(-1/2)
然后这个地方是一个根下x的-3/2次方
也就是(1+t)的3/2次方之一
这应该是它的二阶导数
接下来大家注意我这面往下做的时候
当然做到它的二阶导数应该就差不多了
如果做这个问题的时候你不放心
说二阶导数是不是一定能判断出阶来
你可以求三阶导数
那我们先看一下
我二阶导数够不够
这样一做的时候
大家马上就写出了g(t)
应该等于它在0这点的值是1
它在0这点的一阶导数值是1/2
所以就加上1/2t
它在0那点的二阶导数值应该是-1/4
这个地方也就是2的阶乘分之1再乘-1/4
就-1/8t方
这面是加上o(t方)
那好那我们把x分之一和-x分之一
分别理解成g(t)里面的t
这个地方我们做展开
这就是根下x
这边是(1+1/2·x分之一-1/8
乘上x平方分之一)
+o(x方分之一)
这应该是这一项写出来是这样子
再加上根下x这面是1
把t用-x代进去也就是负的二分之一乘上x分之一
负的x分之一跟x分之一平方是一样的
所以这面是减掉八分之一x平方分之一
这面是小ox平方分之一
最后再减掉2倍的根下x
然后我们给它合并一下
大家会看到这是根下x
这是根下x
加起来减掉2倍的根下x
所以说这项就消掉了
另外这个根下x乘上这一个正的
与这个根下x乘上这个负的加起来消掉了
剩下的问题也就是这样加出来
应该就等于负的四分之一倍的
这就是x的二分之三次方分之一
然后再加上小ox的二分之三次方分之一
应该我把这个函数展开之后
就写成了这个样子
那么写成这个形式之后
这个表达式我们再除上
x的二分之三次方分之一
在x趋向正无穷时
它的极限应该就是-1/4
这说明我们这个f(x)在x趋向正无穷时
它与x的二分之三次方分之一是同阶的
所以说我们要求的这个无穷小量的阶
应该是二分之三阶
二分之三次阶
就是说这个阶
当然就不是一个正整数了
应该是1.5
如果没有泰勒公式的时候
我想大家很难想象出
一个无穷小量的阶还可以是分数
实际上可以告诉大家
无穷小量的阶不仅可以是分数
无穷小量的阶还可以是无理数
这个到大家学习其他课程中
也许有机会能碰到这样的无穷小量
我想这是我们用泰勒公式能够处理的第二类问题
第三类问题求高阶导数
这个主要是说求高阶导数在某一点的值
原因是大家想
如果我知道了函数在一点的各阶导数
我自然可以写它的泰勒多项式
那反过来
如果我知道了它在某一点的泰勒多项式
你也应该知道它在那点的各阶导数是什么
我们也举个例子
比如说f(x)=e的x平方次方
我们求这个函数在0这点的一般阶导数
当然这个函数应该算是简单函数
即使它是个简单函数
要是让大家求它的一般阶导数的表达式
有多少人有信心能够把它归纳出来
所以说我们直接去求一般阶导数的表达式
求完之后把x=0代进去求值并不现实
但是大家知道我们知道这个表达式
也就是e的t次方在t=0那点做展开的时候
也就是k=0到n然后这个是k的阶乘分之一
再乘上t的k次方再加上小ot的n次方
那么我如果把t用x平方来代替的时候
那么我们就得到了e的x平方次方
在0那点做展开也就是k从0到n
k的阶乘分之一
这面是x平方的k次方
也就是x的2k次方
这么加上的是ox2n次方
应该是这个样子
那大家想这个这相当于是它的2n次多项式
它应该等于什么
是不等于k从0到2n
然后k的阶乘分之f的k阶导在0这点的值
乘上x的k次方
再加小ox的2n次方
应该是这个样子
那么大家看你要求的一般阶导数
对应的那一项是谁
应该是x的100次方
那一项的系数里面的一个因子
那在这里面大家知道
x的100次方是不对应k=50
所以说它对应项应该相等
我马上就得到了50的阶乘分之一
应该等于这个地方k=100的这一项的系数
也就是100的阶乘分之一
再乘上它的100阶导数在0那点的值
我想有了这个关系式之后
你能不能把这个函数的一般阶导数
在0那点的值写出来
当然写得出来
这实际上就是什么
如果我知道了它在某一点的泰勒多项式之后
我从它的泰勒多项式出发
自然会得到它在这一点的各阶导数
这是我们的泰勒公式的一个简单应用
最后给大家留一个练习
我写到这个地方
也就是说这个练习是这样子的
如果是f(x)=sin(sinx)
那请大家求一下
f的5阶导数在0那点的值就这个问题
当然大家做练习
你自然可以把它的12345阶导数都求出来
把x=0代进去
就会得到我们要求的结果
在这个地方给大家提个希望
就是希望大家用这个函数
在0那点的5次泰勒多项式来求
5次泰勒多项式
实际上就是希望大家能用到
前面我们做的sinx的迈克劳林公式来做
希望大家认真思考一下
-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
--思考题
--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