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數學之美—泰勒展開式

1:背景 首先給大家介紹兩位數學界泰斗: 在這裡插入圖片描述

   麥克勞林,18世紀英國最具有影響的數學家之一。   他以熟練的幾何方法窮竭法論證了流數學說,還把級數作為求積分的方法,以幾何形式給出了無窮級數收斂的積分判別法。他得到數學分析中著名的Maclaurin級數展開式,並用待定係數法給予證明。

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  泰勒,英國數學家。泰勒以微積分學中將函式展開成無窮級數的定理著稱於世。然而,在半個世紀裡,數學家們並沒有認識到泰勒定理的重大價值。這一重大價值是後來由拉格朗日發現的,他把這一定理刻畫為微積分的基本定理。泰勒定理的嚴格證明是在定理誕生一個世紀之後,由柯西給出的。

2:推導   第一次見到泰勒公式長這樣,內心是不是崩潰的?

  下面我們就用一種簡單的方式來理解泰勒公式,讓不簡單變成簡單!   相信大家都會求導吧,給定一個f(x),都可以唯一確定一個導函式f '(x),導函式給出了原函式的變化情況。 比如f(x)=x3,導函式為f’(x)=3x2   但是,倒過來就不行了,一個導函式f’(x)=3x2對應原函式為f(x)=3x2+1,f(x)=3x2+2, f(x)=3x2+3….無窮多個 寫成積分形式就是∫=〖3x^2 〗.dx=x^3+c。   具體求導過程很多,為什麼呢?因為在求導的過程中,我們雖然得到的函式今後的變化情況,但損失了一部分資訊,就是原函式的初始值。概括一下,原函式的資訊=導函式的資訊+初始值資訊。

  初始值資訊沒了,一個導函式就對應多個原函數了。   知道了原因,就可以去掉上面的C常量,加入初始值資訊就可以了

∫_0^x=〖f’(x)〗.dx+f(0) =∫_0x=〖3x2 〗.dx+0^3 =3x2+C-03-C+03   其中f(0)就是初值資訊,並且初值資訊不一定從0開始,可以從任意位置開始,這時候可以得到:

f(x)=∫_0^x=〖f’(x)〗.dx+f(0) 繼續這個過程:

f’(x)=∫_0x=〖f’’ (x)〗.dx+f’(0) 代入可得: f(x)=∫_0x=〖(∫_0x=〖f^’’ (x).dx+f’(0)).dx+f(0)〗〗 =∫_0x=∫_0x=〖f^’’ (x)dxdx+∫_0x=〖f’ (0)dx+f(0)〗〗 =∫_0x=∫_0

x=〖f^’’ (x)dxdx+x/1!〗 f(0)+f(0) =∫_0x=∫_0x=〖∫_0x=f’’’(x)dxdxdx+x/(2! ) f^’’ (0)+x/( 1!)〗 f’(0)+f(0)   無限做下去,前面是餘項,整個是泰勒展開式。

3:答疑   1):概念不清楚,不知道泰勒公式具體是幹什麼的?   泰勒公式一句話描述:就是用多項式函式去逼近光滑函式。

  2):在對泰勒公式進行求導時注意的問題。   對f(x)求到n階導數時,有 f(x)(n)=f(x0)n*1=Rn^(n)(x) ,之後還需要繼續求n+1階導數,得到 f(x)(n+1)=Rn(n+1)(x) 。

  3):為什麼證明泰勒公式時不可以應用n次洛必達法則?   關鍵在於洛必達法則使用的條件,洛必達法則使用的條件之一是f(x)在x0的某領域內可導,注意是x0的某領域,並不是在x0處可導就可以使用,同濟7版教材書138頁最下面你可以看見一句話,他也說的是在x0的某領域存在n–1階導數,所以Rn(x)在x0處n階可導,只能推出Rn(x)在x0的某領域內n-1階可導,為什麼?你可以看一下導數的定義,一階可導要求f(x)在x0某領域有定義,所以只能使用n–1次洛必達法則,如果你想使用n次洛必達,你必須保證Rn(x)在x0某領域內n階可導,顯然前提條件只給了在x0處n階可導。

  4:泰勒公式的應用   在瞭解泰勒公式來源什麼?是什麼?之後,我們更需要知道它能做什麼?下面介紹泰勒公式的應用。泰勒公式在分析和研究數學方面,都有著重要的作用。 泰勒公式主要有以下六個應用: 一:求極限 二:求高階導數 三:證明不等式 四:判斷雜湊性 五:計算近似值 六:求函式的麥克勞林展開式   可以看出泰勒公式在微積分各個方面都有重要的應用。但是執行泰勒公式需要注意兩點:   (1)一般將函式展開成比最高階導數低一級即可   (2)恰當選擇等式兩邊的x與xo。只要注意分析,研究題設條件及其形是特點,並注意歸納,就能很好的應用泰勒公式。