第三章 微分中值定理与导数应用——第三节 泰勒公式
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〇 前言

此文章是在武忠祥老师的高等数学的基础上做此文章,目的是为了更好留下印象以及给不懂的地方及时解释。

注:此章也很重要,需要严肃记住

注意:后面有例题没有写上去,请根据此链接(03.微分中值定理与导数应用 泰勒公式_哔哩哔哩_bilibili 35:49处)去看后面的例题讲解。

一 泰勒定理

若 f(x) 在 x0 处可微,则 Δy≈dy
f(x)≈f(x0)+f'(x0)(x-x0)
f(x) = f(x0) + f'(x0)(x-x0) + o(x-x0)(后面这个是误差)

问题:若 f(x) 在 x0 处 n 阶可导,是否存在 n 次多项式
Pn(x) = a0 + a1(x-x0) + a2(x-x0)² +……+ an(x-x0)n
使 f(x) = Pn(x) + o((x-x0)n)

结论:a0 = f(x0),ak = (f(k)(x0))/k!(k=1,2……n)

重点:

解析:第一个方程 f(x)≈f(x0)+f'(x0)(x-x0) 表示的是在x0点取得的切线+在这一点变化的微分量,而后面 f(x) = f(x0) + f'(x0)(x-x0) + o(x-x0) 则在后面加了一个更微小的误差量,也就是 o(x-x0)。因此这里抛出一个问题,若在 x0 处 n 阶可导的话,是否存在 n 次多项式,也就是说把这个曲线逐步拆分成由多个微小直线组成的曲线,汇总成了一个式子:f(x) = Pn(x) + o((x-x0)n)。这里令 x=x0,可以得出a0的值,在这基础上,对 a1 所在的位置进行二阶导,可以使 a1 部分为常数,最后求出 a1,顺着这个推下去后就能得出 ak的公式,也就是

最后汇总在一起,就能得到Pn的公式,也就是:

定理1(Taylor定理)设 f(x) 在 x0 处 n 阶可微,则:

上式称为带Peano(皮亚诺)余项的Taylor公式;

记作:

f(x) 在 x0 处的 n 次Taylor多项式

Rn(x) = o((x-x0)n) f(x) 的Peano余项

证明:

解析:这里是证明上面那个泰勒公式,这里分子 f(x) – Pn(x) 可以看成在 x0 点,Pn(x)这个函数曲线和f(x)这个曲线之间的误差,而最后令整式等于0的原因是:我们要证明 泰勒多项式 Pn(x) 对原函数 f(x) 的近似,精确到了第 n 次项。
第二张图片后面的Pn则指的是这条曲线的变化率,这里第二张图片用的是极限定义方程,其实可以想象成两条曲线在这个点努力贴合在一起,但永远不重合。

缺点:1)只给出余项的定性描述,不能进行定量分析;
2)适用范围小;

若 f(x) 在区间 I 中可微,x0∈I,x∈I,
Δy = f'(x0+θΔx)Δx f(x) = f(x0)+f'(ξ)(x-x0)

定理2(Taylor定理)设 f(x) 在区间 I 中 n+1 阶可导,x0∈I,则 任意x∈I,存在ξ∈I(ξ 在 x0 与 x 之间),使

上式称为带Lagrange(拉格朗日)余项的Taylor公式;

称为 f(x) 的Lagrange余项

解析:刚才那个带peano余项的泰勒定理公式,只能定性分析;而这里带拉格朗日余项的泰勒定理能算出具体的量是多少。

若 |f(n+1)(x)| ≤ M,则:

注意:这两个都是把函数表示成一个多项式+一个余项,但余项的表达形式不一样。

若 x0=0,则

上式称为 f(x) 的Maclaurin(麦克劳林)公式。

·几个初等函数的Maclaurin公式

1)

2)

3)

4)

5)

二 内容小结

核心公式:

1)Peano(皮亚诺)余项

2)Lagrange(拉格朗日)余项

小结:1.本质:用多项式逼近 f(x)
用已知点的信息表示未知点
2.Peano:定性;局部
3.Lagrange:定量;整体
4.Lagrange定理是Taylor定理的特例。

四大中值定理:前三个建立 f(x) 与一阶导数的关系
Taylor建立 f(x) 与高阶导数之间的关系。

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