当前课程知识点:多元微积分(先修课) > 第三章 多元函数的微分及其应用 > 第四节 多元函数的高阶可微性 > 多元函数的泰勒多项式展开
同学你好
欢迎来到中国大学先修课
《多元微积分》MOOC课堂
我是中国科大 微积分老师
宣本金
网上人称“笨笨熊”老师
本讲
我们来学习多元函数的泰勒多项式展开
在一元微积分中
我们学习了一元函数的泰勒多项式展开
如果一元函数在某点处n阶可微
则在该点附近
可以用一个n阶泰勒多项式
逼近一般的高阶可微函数
误差是一个高阶无穷小量
那么
如何对二元高阶可微函数作泰勒多项式展开
这就是本讲的主要任务
对于在点P0处可微的二元函数
前面
我们定义了它在P0处的全微分
以及有限增量公式
它们都有明确的几何意义
也就是局部地
可以用沿平直的切平面变化量
近似一般函数的变化量
误差为一个高阶无穷小量
由此可以得到
二元函数在其可微点处的近似计算公式
即用一个二元一次多项式
来近似函数在该点附近的取值
那么近似的误差是多少
如何提高近似的精度
为了推导出二元高阶可微函数
高精度近似方案
我们采用约化的思想
即将一个二元函数约化为一个一元函数
再利用一元函数泰勒多项式展开
得到二元高阶可微函数的泰勒多项式展开
设二元函数f(x,y)
在点P0处n阶可微
点P0 P在区域D内
并且线段P0 P都落在区域D内
记自变量的增量分别为h k
定义一元函数g(t)
一元函数g(t)的可微性如何
利用链式法则
可以知道
一元函数g(t)在t0=0处至少n阶可微
考察一元函数g(t)在t0=0处的泰勒多项式展开
同学动脑想一想
动手计算一下
到学习讨论区
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将二元函数f(x,y)
约化为一元函数g(t)
那么
一元函数g(t)在t0=0处的各阶导数等于多少
首先函数的取值
g(0)=f(x0,y0 ) g(1)=f(x,y)
其次利用链式法则
可以计算一元函数g(t)在t0=0处的一阶导数
可以用二元函数f(x,y)的一阶偏导数
以及h k来表达
进一步地
可以改写成一阶微分算子作用在函数上
利用归纳法和链式法则
可以逐次计算一元函数g(t)在t0=0处的高阶导数
它们都可以改写为
一阶微分算子的幂次作用在函数上
将一元函数g(t)在t0=0处的各阶导数
代入它的泰勒多项式展开式中
可以得到二元函数的泰勒多项式展开式吗
利用一元函数g(t)在t0=0处的各阶导数信息
可以计算出泰勒多项式的系数
进而
可以得到函数g(t)在t0=0处泰勒多项式展开式
取t=1
一元函数g的取值
就等于二元函数f(x,y)在P点的取值
函数g(t)的泰勒多项式在t=1处的取值呢
对于二元函数f(x,y)
在点P0处n阶可微
利用函数在点P0处的各阶导数信息
可以计算出泰勒多项式的系数
进而 可以得到二元函数
f(x,y)在P点的泰勒多项式展开式
形式上看
它与一元函数的泰勒多项式展开表达式类似
进一步地
考虑一下二元函数泰勒多项式展开式的余项
同学
动脑想一想
动手算一算
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考察二元函数f(x,y)
在原点处的泰勒多项式展开
这个函数是指数函数复合上多项式
是无穷次可微的
它在原点处的取值为零
利用复合函数求偏导的链式法则
计算可得函数的一阶偏导数
特别地
在原点处
它的一阶偏导数都为零
因而
二元函数在原点处的一阶泰勒多项式为零
也就是
函数图像在原点处与坐标平面xoy相切
那么
这个函数的高阶泰勒多项式等于多少
对函数的一阶偏导数再求导
可以得到函数的二阶偏导数
特别地
函数的二阶偏导数在原点处
分别取2 0 4
将函数的二阶偏导数在原点处的取值
代入二阶泰勒多项式展开式
可以得到函数在原点处的二阶泰勒多项式
它的几何意义就是
在原点附近
可以用这个二阶的多项式
近似原来的二元函数
对于这个结论
我们还可以换个角度来看
在二元函数的表达式中
指数的幂次比较复杂
我们可以用一个变量来表达
也就是作变量代换t=-x²-2y²
这样原来关于变量x,y的二元函数
就约化为关于变量t的一元函数g(t)
一元函数g(t)也是无穷次可微的
它在t0=0处一阶泰勒多项式等于-t
再代回变量x,y
就可以得到
关于变量x,y的二次多项式
这就是二元函数f(x,y)
在原点处的二阶的泰勒多项式
进一步地
一元函数g(t)在t0=0处的
二阶的泰勒多项式
那么
再代回变量x,y
它关于变量x,y是多少阶的多项式
这个方法好像比上面逐次求导的方法更快捷
但是
它是强烈依赖于这个函数的具体特点
类似于一元函数泰勒多项式展开时的间接法
技巧性比较强
对于上面的二元函数f(x,y)
以及原点和点(0.05,-0.06)
我们知道
二元函数f在原点处取值为零
那么
如何计算它在点(0.05,-0.06)处的取值
如果采用一阶近似
也就是
用函数的一阶泰勒多项式展开式取值
近似函数在点(0.05,-0.06)处的取值
结果约等于零
如果采用二阶近似
也就是
用函数的二阶泰勒多项式展开式取值
近似函数在点(0.05,-0.06)处的取值
计算可得
结果约等于0.00970
如果用计算器或者计算软件
可以计算出函数f
在点(0.05,-0.06)处的取值约等于0.00965
这与二阶近似值还是比较接近的
本讲
我们将多元一阶可微函数的
全微分和有限增量公式
拓展到多元高阶可微函数的
泰勒多项式展开
利用泰勒多项式展开
可以对多元高阶可微函数
作高精度的近似计算
利用多元函数的高阶可微性
以及泰勒多项式展开式
我们可以探讨多元函数的最值和极值
有关多元函数的最值与极值
请听下回分解
-第一节 空间直角坐标系
--平面初等几何
--平面解析几何
--空间直角坐标系
--空间图形与方程
-第一节 空间直角坐标系--作业
-第二节 空间向量及其运算
--向量及其几何表示
--向量的代数表示
--向量的数量积
--数量积的应用
--平面方程及其应用
--向量的向量积
--向量积的应用
-第二节 空间向量及其运算--作业
-第三节 空间解析几何
--空间曲面方程
-第三节 空间解析几何--作业
-第一节 多元函数
--平面点集及其分类
--多元函数
-第一节 多元函数--作业
-第二节 多元函数的极限
--二重极限的定义
--二重极限的性质
--二重极限的计算
-第二节 多元函数的极限--作业
-第三节 多元函数的连续性
--多元函数的连续性
-第三节 多元函数的连续性--作业
-第一节 偏导数与方向导数
-第一节 偏导数与方向导数--作业
-第二节 多元函数的一阶可微性
-第二节 多元函数的一阶可微性--作业
-第三节 一阶微分的应用
-第三节 一阶微分的应用--作业
-第四节 多元函数的高阶可微性
-第四节 多元函数的高阶可微性--作业
-多元微分学总结
--多元微分学总结
-第一节 直角坐标系下的二重积分
-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业
-第二节 二重积分的计算
--二重积分的换元法
--二重积分计算举例
-第二节 二重积分的计算--作业
-第三节 二重积分的应用
-第三节 二重积分的应用--作业
-第四节 直角坐标系下的三重积分
--三重积分计算举例
-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业
-第五节 其它坐标系下的三重积分
-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业
-第六节 三重积分的计算与应用
--三重积分的换元法
--三重积分应用举例
-重积分总结
--重积分总结
-第一节 第一型曲线积分及其应用
--平面曲线弧长
-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业
-第二节 第一型曲面积分及其应用
--曲面的面积
-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业
-曲线曲面积分总结
--曲线曲面积分总结




