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多元函数的泰勒多项式展开

下一节:多元函数的最值与极值

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多元函数的泰勒多项式展开课程教案、知识点、字幕

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

与小伙伴们交流交流吧

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

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

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

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-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

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-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

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-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

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-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

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-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

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-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

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-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

--极坐标系下的二重积分

--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

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-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

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--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

--柱坐标系下的三重积分

--球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

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-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

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-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

多元函数的泰勒多项式展开笔记与讨论

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