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定理Theorem

泰勒定理

施工中 · 内容逐步修订

Taylor's theorem

足够光滑函数由有限阶导数多项式加余项表示。

形式陈述 ​

设 f 在包含 a 与 x 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。当 x≠a 时,存在介于 a 与 x 之间的 ξ,使

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

这里 n≥0 是展开阶数,f(0)=f,k! 是阶乘;ξ 一般依赖 x,它把余项与区间内某处的导数联系起来。记多项式部分为 Pn(x)、余项为 Rn(x)=f(x)−Pn(x)。若两点之间有 |f(n+1)|≤M,便有可用的误差界 |Rn(x)|≤M|x−a|n+1/(n+1)!。

余项为什么有这个形状 ​

固定 x≠a,令 A=Rn(x)/(x−a)n+1,再考虑 F(t)=f(t)−Pn(t)−A(t−a)n+1。它在 a,x 都为零,而且 F′(a),…,F(n)(a) 都为零。反复应用Rolle 定理,可在两点之间找到 ξ 使 F(n+1)(ξ)=0。代入便得 A=f(n+1)(ξ)/(n+1)!。构造辅助项的目的正是多制造一个零点,让 n+1 次微分后余项系数显现出来。

若进一步假设 f∈Cn+1,由微积分基本定理的分部积分公式反复消去一阶导数,可得积分余项

Rn(x)=1n!∫axf(n+1)(t)(x−t)ndt.

Peano 形式描述固定阶数下的局部误差:若 f 在 a 附近具有 n 阶连续导数,则 Rn(x)=o(|x−a|n)(x→a)。它适合比较局部主项;Lagrange 形式提供导数上界控制,积分形式则保留余项在整段区间上的累积。

直觉

Taylor 多项式在基点 a 处与原函数的前 n 阶导数一致。常数项对齐高度,一阶项对齐斜率,二阶项继续捕捉弯曲,余项记录这些信息尚未解释的变化。

这里有两个不同的极限过程:固定阶数并令 x 靠近 a,得到局部近似;固定 x 并增加阶数,则在研究整个 Taylor 级数能否恢复函数。余项公式为这两个问题分别提供分析的起点。

例子与边界

对 ex 在零点的展开,0 与 x 之间的各阶导数绝对值都不超过 e|x|,所以

|Rn(x)|≤e|x||x|n+1(n+1)!⟶0

对每个固定 x 成立,得到 ex=∑k≥0xk/k!。

另一个光滑函数展示了不同的情形:

f(x)={e−1/x2,x≠0,0,x=0.

它在零点的所有阶导数都为零,因此各阶 Taylor 多项式恒为零;但对固定的 x≠0,余项一直等于正数 e−1/x2。固定阶数下靠近零点的局部近似,与增加阶数后的级数表示,在这里给出了不同结果。

对 sin⁡x 在零点取四阶 Taylor 多项式;其四次项为零,所以仍是 x−x3/6。五阶导数绝对值不超过一,因此

|sin⁡x−x+x36|≤|x|5120.

例如 x=0.2 时,x−x3/6=0.198666…,绝对误差不超过 0.25/120=2.666…×10−6。这个上界可直接用于选择近似精度。

推论与应用

导数提供展开系数,级数与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;余项分别量化了离散规则、导数近似和单步推进的误差。

参考资料
关系图谱25 个相邻概念 · 2 类关系

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