当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第一章 多元函数微分学 > 第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例) > 二元函数有Peano型余项的Taylor公式
好 在一元函数微分学中
我们在介绍了导数和高阶导数之后
我们得到了一个很漂亮的结果
也就是说 如果一个一元函数
在一点具有n阶导数
那么在这一点附近
我们可以用一个n次多项式来近似这个函数
实际上就是一元函数
我们是有所谓的Taylor公式的
那我们回顾一下一元函数
它的Taylor公式的写法
也就是f a加上delta x应该就可以表示成
f a加上f一撇a乘上delta x
加上二分之一倍的f 两撇a乘上delta x平方
一般的 可以写到 n的阶乘分之一
它的n阶导数在a点的值再乘上delta x的n次方
如果我们考虑的是所谓的Peano型余项
也就是后面要加一个小o delta x的n次方
就是这个公式表示的就是说
如果函数f x在a这点有n阶导数
那么在a这点附近
它的函数值就可以用这个n次多项式来近似
函数值与多项式之间的差
应该是这两点距离的n次方的高阶无穷小
当然 如果我们只考虑的是
a这一点附近的有关性质时
这应该是一个很好的结论
那现在我们问一下 对多元函数来说
我们还能不能奢望有类似的结果
实际这就是我们这节课开始介绍的内容
就是多元函数的Taylor公式
为了书写方便 我们所有的结果
都以二元函数为例
我们先看一下 对二元函数来说
如果我们知道f x y
这个函数 在a b这一点是可微的
那根据可微的定义 我们就知道
则 f a加delta x b加delta y 减掉f a b
这就是函数值的改变量
应该等于它的全微分的值
就是偏f偏x a b这点的值乘上delta x
加上偏f偏y在a b这点的值乘上delta y
再加上小o ρ
其中ρ表示的是这两点间的距离
我们把这个等式给它重写一下
也就是把这一项移到等号右端
这就是等号 当然这个等号就变成加号
我们就得到了这么一个结论
这个结论 我们换一个角度来理解
它就是说 如果函数在a b这点可微
那么在a b这点附近它的函数值
实际上是可以用一个一次多项式来近似
这当然是一个二元一次多项式
函数值与这个一次多项式它的值的差
应该是它这两点距离的高阶无穷小
这是在可微的前提下
现在 我们如果知道
这个函数在这一点不仅是可微的
而且 还具有二阶连续偏导数的时候
我们能得到什么结果
下面我们就来看一下
如果我们这个函数 f x y
在这一点具有二阶连续偏导数
就是在这个条件下
我们为了把在这一点附近的函数值
与多项式联系起来
我们构造一个辅助函数
也就是 这时我们令 g t就等于一个
f a 加上t倍的delta x除上ρ
ρ就是两点间的距离
b加上t倍的delta y除上ρ
那么 这个应该就是
关于t的一个一元函数
在给定的条件下 我们知道
这个一元函数在零这一点
是具有二阶连续导数的
那 有了这个定义之后
我们还会发现
这个g t与这个f x
在a b这点 和a加delta x b加delta y这点的值
可以有这样的关系
则g 0应该就是f a b
然后g ρ 就是f a加上delta x b加delta y
因为刚才我们说过 g t在零这点
是具有二阶连续导数的
它当然应该满足
一元函数的二阶Taylor公式
为了写它的二阶Taylor公式
我们需要求它的一阶导数
根据复合函数的链导法则 它的一阶导数
应该就是偏f 偏x再乘上x关于t求导
就是delta x除上ρ 再加上偏f 偏y
y关于t求导 就是乘上delta y 除上ρ
这就是一阶导数
其中偏导数是在这一点取值
那它的二阶导数 也就是g 两撇t
在这个基础上继续求导 我们注意到
这个一阶偏导数
对t来说仍然还是复合函数
我们求出来 应该就是偏方f
偏x方 再出来一个delta x比上ρ
所以这应该是它的平方
再加上一个偏方f 偏y偏x
这时候除了我们原来这个delta x比上ρ之外
又出来一个delta y比上ρ
再加上一个偏方f 偏x偏y
这个地方除了我们原来这个因子之外
又出来了一个delta x比上ρ
原来的是delta y比上ρ
最后再加上这个东西关于t求偏导的
第二个中间变量得到的项
应该就是加上偏方f 偏y方
又出来一个delta y比上ρ
所以这应该是平方 因为我们说了
函数f x y具有二阶连续偏导数
所以说 这两个不同顺序的
混合偏导数的值是相等
那我们再往下写 就可以给它合并一下
这样就得到了这个
g t的一阶导数和二阶导数
那么我们看一下
它的一阶导数在零这点的值
零这点的值也就是让t取零时
这个点就变成了a b这点
所以我们就写出来
这个应该就是偏f偏x在a b这点取值
乘上delta x比上ρ再加上一个偏f偏y
在a b这点取值 再乘上delta y比上ρ
为了就是说 我们后边表示方便
我们把这个东西作一个形式的表述
这个东西 我们把ρ提出去 也就是
ρ分之一 这个就是偏 偏x
这面是delta x
再加上偏 偏y 这个是delta y
最后 我们的f a b放到后边
这是一个形式运算 也就是说
这个东西 f a b
它表示的应该就是把f a b放到
这个运算符号后面得到的结果
就是这一个
然后类似的我们的两阶导在
t等于零这点的值
点都变成了a b那一点
我们处理完之后
把ρ的平方分之一提出来
这里面出现的应该就是偏方 偏x方
然后这面是一个delta x平方
再加上两倍的偏方偏x偏y
这面是delta x乘上delta y
再加上一个偏方偏y方乘上delta y的平方
这面 我把f a b也放到后边来
也就是说 我们见到这个表达式
它表示的是什么 就相当于
把f a b放到这个分子上的运算符号之后
得到的那个表达式的值
而这一个 我们还可以形式地
跟上面这一个联系起来
利用二项式定理
我们知道它就可以表示成ρ方分之一
这面就是偏 偏x delta x加上
偏 偏y delta y括起来的平方
这面是f a b
那么这个形式运算 表示的含义是什么
就是我们直接把它当成是两项和的平方
展开之后 形式地得到这个形式
最后把f a b放到分子的运算符之后
得到了我们这个t在零这点的二阶偏导数
好 有了函数值 就是那个g 0
有了一阶导数值和二阶导数值
我们自然就可以写了
根据一元函数的Taylor公式
那么 它在ρ这点的值应该就等于
它在零这点的值
加上它的一阶导数在零这点的值乘上ρ
再加上二分之一倍的它的二阶导数
在零这点的值乘上ρ的平方
再加上一个小o ρ的平方
最后 我们把与g有关的
它的f的形式代进去
也就是得到了f a加delta x b加delta y
就等于f a b再加上 这个地方ρ消掉
那么 也就是偏 偏x delta x
加上偏 偏y delta y 这面是f a b
再加上一个 这个
代进去以后 这个ρ方跟这个ρ方消掉
所以说就是二分之一倍的
偏偏x delta x 再加上偏偏y delta y
它的平方f a b
最后 再把这个余项加上
加上小o ρ方
也就是 我们借用复合函数的链导法则
以及一元函数的二阶Taylor公式
我们发现 当f x y在a b这一点
具有二阶连续偏导数时
它在a b这一点附近的函数值
可以用delta x delta y的
这么一个二次多项式来近似
那么函数值与这个二次多项式的值的差
应该是这两点距离的平方的高阶无穷小
实际上我们得到的最后这个公式
就是二元函数在a b这一点的
二阶带有Peano型余项的Taylor公式
而这个二次多项式就是这个二元函数
在a b这点的二次Taylor多项式
实际上 我们在二阶的情况下
就把一元函数的Taylor公式
推广到了二元函数
实际上类似的方法
我们可以把它推广到一般的n次Taylor多项式
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
-第二节 多元函数的偏导数
--偏导数的概念
--偏导数的几何意义
--高阶偏导数的概念
-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
-第三节 多元函数的全微分
--全微分的概念
--可微的必要条件
--可微的充分条件
--可微的充要条件
--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
-第四节 多元函数的微分法
--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量
--方向导数的概念
--方向导数的计算
-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
-第六节 映射及其微分
--复合映射的微分法
-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
-第二节 多元函数的极值
--极值点的判别法
--极值问题举例
-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
-第三节 多元函数的条件极值
--条件极值问题举例
--最小二乘法
-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题
-第一节 二重积分的概念和性质
--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-第三章重积分--第二节练习题
-第三节 极坐标系及一般坐标系
--极坐标系
--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
-第四节 三重积分
--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
--直角坐标系
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
--球坐标系
--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
-第五节 第一类曲线积分
-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
-第七节 含参变量积分
--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
-第四节 Gauss公式与Stokes公式
--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
-第五节 无源场,保守场与调和场
--平面保守场
--势函数及其计算
--空间保守场
--常见的场
-第四章 向量分析--第五节 练习题
-第一节 微分方程的基本概念
--微分方程概念举例
-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
--变量分离方程
--齐次型方程
-第五章 常微分方程--第二节 练习题
-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题