§3 泰勒公式 多项式函数是最简单的函数.用多项 式来逼近一般的函数是近似计算的重 要内容,也是数学的研究课题之一.

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第二章 导数与微分 主讲人:张少强 Tianjin Normal University 计算机与信息工程学院.
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第十二章 第二节 一元函数 y = f (x) 的微分 机动 目录 上页 下页 返回 结束 对二元函数的全增量是否也有类似这样的性质? 全微分.
5.4 微 分 一、微分概念 二、微分的运算法则与公式 三、微分在近似计算上的应用. 引例 一块正方形金属片受热后其边长 x 由 x 0 变到 x 0  x  考查此薄片的面积 A 的改变情况  因为 A  x 2  所以金属片面 积的改变量为  A  (x 0 
2.5 函数的微分 一、问题的提出 二、微分的定义 三、可微的条件 四、微分的几何意义 五、微分的求法 六、小结.
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第二章 导数与微分. 二、 微分的几何意义 三、微分在近似计算中的应用 一、 微分的定义 2.3 微 分.
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2.3 函数的微分. 四川财经职业学院 课前复习 高阶导数的定义和计算方法。 作业解析:
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§5 微分及其应用 一、微分的概念 实例:正方形金属薄片受热后面积的改变量..
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§5 微分及其应用 一、微分的概念 实例:正方形金属薄片受热后面积的改变量..
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§3 泰勒公式 多项式函数是最简单的函数.用多项 式来逼近一般的函数是近似计算的重 要内容,也是数学的研究课题之一. §3 泰勒公式 多项式函数是最简单的函数.用多项 式来逼近一般的函数是近似计算的重 要内容,也是数学的研究课题之一. 一、带有佩亚诺型余项的泰勒公式 二、带有拉格朗日型余项的泰勒公式 三、在近似计算中的应用 返回

一、带有佩亚诺型余项的泰勒公式 在 处可导, 由有限增量公式 当 充分小时, 可以由一次多项式 近似地代替, 其误差为 . 在许多情况下, 是不够的, 而要考虑用较高次 误差仅为 的多项式来逼近 f , 使得误差更小,

问题: 是否存在一个 n次多项式 使得 答案: 当 f (x)在点 x0 有n 阶导数时, 这样的 n 次多 项式是存在的. 现在来分析这样的多项式与 f (x) 有什么关系? 设 则

即 上式表明 Pn(x) 的各项系数是由其在点 x0 的各阶 导数所确定的. 设 f (x) 在 x0 处 n 阶可导. 如果

即 则不难得到:

为 f (x) 在点 x0 的 n 阶泰勒多项式, 称 为泰勒系数. 确实是我们所需要的多项式. 定理 6.8 设 f (x) 在 x = x0 处有n 阶导数,则 即

证 设 只需证 因为由(1)式, 则当 连续使用 n –1 次洛 必达法则, 得到

式称为 在点 处的带有佩亚诺型余项的 n 阶泰勒公式. 注1 附近满足

也不能说明 一定是 f (x) 的n 阶泰勒多项式. 比如 处满足 (4) 但是当 n > 1 时, 不是 f (x) 在点   的 n 阶泰勒多项式, 原因是 f (x) 在点 x = 0 的高阶导数(二阶和二阶以上)都不存 在,所以无法构造 n 阶多项式.

注2 若 f (x) 在点 x0 有n 阶导数, 则只有惟一的多 项式 ( 泰勒多项式 Tn(x) ) 满足: 注3 可以证明对任意一个n 次多项式 存在 使得 这也就是说, 是逼近 的最佳 n 次多项式.

在以后的应用中, 公式 (3) 中的 x0 常被取作 0, 形 式变为 此式称为(带有佩亚诺型余项)的麦克劳林公式.

麦克劳林( Maclaurin,C. 1698-1746, 苏格兰 ) 泰勒 ( Taylor,B. 1685-1731, 英国 ) 麦克劳林( Maclaurin,C. 1698-1746, 苏格兰 )

例1 验证下列公式

以上这些公式均为最基本的泰勒公式(麦克劳林 公式), 请务必牢记.

证 这里仅验证 1 和 6, 其余请读者自己验证. 验证 1 因为 所以 于是 n 阶麦克劳林公式为 验证 6 设 则

例2 求 的麦克劳林公式, 并求 解 由例1 那么 由定理 6.8 的注 2, 可知上式就是 的麦克劳林

公式,由泰勒系数公式可知 于是得到 例3 求 在点 的泰勒公式. 解

下面这个例题是说明如何利用泰勒公式来求极限. 例4 求 解 因为

所以 本题虽然可用洛必达法则来求, 但上面的方法比 较简单 .

二、带有拉格朗日型余项的 泰勒公式 前面讲的带有佩亚诺型余项的泰勒公式实际上是 有限增量公式的一个推广,它只是定性地的告诉 我们用泰勒多项式去替代函数,其误差为 下面是一个定量形式的泰勒公式.

定理6.9 (泰勒定理) 若函数 上存在直 到n 阶连续导函数, 在(a,b)内存在(n+1)阶导数, 则 或者 其中 阶泰勒多项式.

证 设 不妨设 上连续, 在 上可导, 且

由柯西中值定理, 得 因为 所以

于是就得到 我们称 为 f (x) 在点 x0 的 n 阶拉格朗日型余项,公式 (5) 称为 f (x) 在点 x0 的带有拉格朗日型余项的 n 阶 泰勒公式. 注 请比较公式 (5) 与拉格朗日中值定理.

因 之间, 故存在正数 所以 使得 又可写成 当 时, 公式 (5) 成为

公式 (6) 称为带有拉格朗日型余项的麦克劳林公 式.公式 (3) 与公式 (5) 都是泰勒公式, 并且前面部 分均为泰勒多项式,而不同的是 Rn(x) 的表达形式 不一样.读者在应用时,需根据不同情况选择合适 形式的余项. 例1 中六个公式的余项均为佩亚诺型的, 现在将 它们改写为带有拉格朗日型余项的公式:

这里仅对公式 (iii) 进行验证, 其余 5 个请读者自理. 于是

从而有

三、 泰勒公式在近似计算中的应用 例5 (1) 计算 e 的值,使其误差不超过 (2) 证明 e 是无理数. 解 由例5 可知

于是 其误差不超过  . 下证 e 是无理数. 这是因为

那么   不是整数. 而由 (7) 式得到 整数 整数 整数, 矛盾. 所以 e 是一个无理数. ( 同样可证明     都不是有理数.) 例 6 计算 ln2 的值, 使其误差不超过10 -4. 解 我们自然会想到利用公式 (iv),此时用 x = 1 代入,它的余项是

显然这样的计算量太大, 所以必须寻找新的方法. 现考虑函数

而 于是

只要取 n = 6, 便得到 其误差不超过0.0001 (真值为0.693147180…).

复习思考题 那么,在什么条件下 Tn(x2) 一定是 f (x2) 的 2n 阶 泰勒多项式?