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泰勒定理

Taylor's theorem

足够光滑函数由有限阶导数多项式加余项表示。

条目类型
定理

形式陈述

f 在包含 ax 的区间上具有连续的 n 阶导数,并在两点之间具有 (n+1) 阶导数。则存在介于 ax 之间的 ξ,使

f(x)=k=0nf(k)(a)k!(xa)k+f(n+1)(ξ)(n+1)!(xa)n+1.

最后一项是 Lagrange 余项。其他假设组合可给积分余项或 Peano 余项,使用时应匹配具体版本。

直觉

n 阶导数只固定函数在基点处的有限阶接触行为,余项负责衡量离开基点后尚未捕获的变化。不同余项形式服务于不同任务:Lagrange 形式便于用导数上界估计,积分形式便于推广和交换积分。定理始终是有限阶恒等式;只有能统一证明余项随阶数消失,才获得无穷级数表示。

例子与边界

ex0 的 Taylor 多项式余项可由导数界控制,从而证明级数展开。存在处处光滑但 Taylor 级数不能在邻域恢复函数的例子,例如

f(x)={e1/x2,x0,0,x=0,

其在 0 的所有阶导数为零,但 x0 时函数非零。

sinx 在零点取四阶 Taylor 多项式;其四次项为零,所以仍是 xx3/6。五阶导数绝对值不超过一,因此

|sinxx+x36||x|5120.

这给出可计算误差,而不仅是“近似相等”。函数 e1/x2 的平坦例子说明所有基点导数都为零仍不足以确定邻域函数值。

推论与应用

导数提供展开系数,级数幂级数研究把有限展开推到无穷时是否收敛。多元 Taylor 定理把系数推广为多线性形式。数值分析中,离散缺陷用余项衡量连续问题代入离散规则后的偏差,有限差分公式用矩匹配消去低阶项,Euler 方法则由解轨道的一阶展开得到一步误差;三者都依赖对余项而非仅对多项式主部的控制。

参考资料
  • Stephen Abbott, Understanding Analysis, 2nd ed., Springer, 2015,Ch. 6。
  • Walter Rudin, Principles of Mathematical Analysis, 3rd ed., McGraw-Hill, 1976,Ch. 5。
关系图谱7 个相邻概念 · 2 类关系

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