【數(shù)學(xué)】有限展開(泰勒展開)
一.引言
????本質(zhì):使用多項(xiàng)式仿造較復(fù)雜的函數(shù),以便于研究其性質(zhì)。
????????(多項(xiàng)式性質(zhì)簡單,只需要對自變量進(jìn)行有限次的加、減、乘三種算術(shù)運(yùn)算,就能求得其函數(shù)值)
????????例子:在微分的應(yīng)用中,當(dāng)很小時,有如下的近似等式:
? ???????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??
?????????在? 處這兩個一次多項(xiàng)式及其一階導(dǎo)數(shù)的值,分別等于被近似表達(dá)的函數(shù)及其倒數(shù)的相應(yīng)值。
?????
?????
????????用一階多項(xiàng)式來近似表達(dá)了指數(shù)函數(shù)和對數(shù)函數(shù),以便于簡化對于后二者函數(shù)性質(zhì)的研究。
二.公式來源
????核心思想:仿造一段曲線,要先保證起點(diǎn)相同,再保證在此處導(dǎo)數(shù)相同,繼續(xù)保證在此處的導(dǎo)數(shù)的導(dǎo)數(shù)相同……
有一個解析式復(fù)雜的函數(shù), 用n次多項(xiàng)式
來仿造
。
????①在上任選一點(diǎn)切入進(jìn)行模仿,為計(jì)算方便選擇
。
????????由于是可以求n階導(dǎo)的n次多項(xiàng)式,則易得其解析式形式為:
????????
????②初始點(diǎn)相同
????????? ? 求得
????③n階導(dǎo)數(shù)相同
????????? ?求得?
????④代入的值到
解析式,得起點(diǎn)為0的公式:
????????
? ??? ??
以上推得的公式的起點(diǎn)選擇為。如果任選某一起點(diǎn)
,重新進(jìn)行以上推導(dǎo)步驟,則可得模仿函數(shù)的一般公式(任意起點(diǎn)x=a):
(相當(dāng)于把自變量從換成了
)
當(dāng)n趨近于正無窮時,等號才成立。
這個公式被稱為泰勒公式。作用:已知某復(fù)雜函數(shù)的某點(diǎn)的值
以及其n階導(dǎo)數(shù)值
,用多項(xiàng)式
來仿造該函數(shù)該點(diǎn)在內(nèi)的某一段,以研究這個點(diǎn)附近的
函數(shù)性質(zhì)。
三.常用泰勒展開式推導(dǎo)(起點(diǎn)為x=0,即a取0;n趨近于正無窮)
????①
????????計(jì)算易得:
????????代入進(jìn)模仿函數(shù)的起點(diǎn)為0的公式,得:
????????
? ??
? ? (不常用的:)
????????由?, 把①式里的x換成xlna即可得:
????????
????②
????????由:
????????推得通項(xiàng)為:
????????計(jì)算易得:?它們順序循環(huán)地取四個數(shù):0,1,0,-1 。觀察可得:偶數(shù)項(xiàng)系數(shù)為0。令n=2m。
????????? (2m+1也可寫為2m-1)
????③?(同上原理)
????????由:
????????推得通項(xiàng)為:
????????計(jì)算易得:?它們順序循環(huán)地取四個數(shù):1,0,-1,0。觀察可得:奇數(shù)項(xiàng)系數(shù)為0。令n=2m。
????????
????(還有個更簡單的方法:cosx=sin’x,③可以通過②求導(dǎo)得到。)
????④
????????計(jì)算得:
????????
?????????
????????...
????????
????????代入進(jìn)模仿函數(shù)的起點(diǎn)為0的公式,得: ????
????⑤
? ? ? ?將α= -1代入④式,得:?
????⑥
????????將⑤中x替換為-x,得:
????????(也可以通過等比數(shù)列求和公式得到)
????⑦
????????對⑤進(jìn)行積分,得:
????⑧
????????將⑦中x替換為-x,得:
進(jìn)一步延伸:
?????或?
,它們的模仿函數(shù)可以分別讓④式里的α取1/2或?-1/2 得到;
?????可以通過
?的積分得到,而后者通過把⑤中x替換為x的平方得到;
????由?,代入①得其模仿函數(shù),shx同理;
????……
四.余項(xiàng)的處理
(目前來說用處不大,暫不細(xì)講)
n不趨近于正無窮時,存在誤差。設(shè)誤差值為,則有:

參考資料:
https://www.zhihu.com/question/25627482/answer/313088784 知乎用戶P17e01
《高等數(shù)學(xué)》 第七版 上冊 同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系