泰勒公式用泰勒怎么算根2和反三角函
泰勒中值定理:若函数f(x)在开区间(a,b)有直到n+1阶的导数,则当函数在此区间内时,可以展开为一个关于(x-x。)多项式和一个余项的和:
f(x)=f(x。)+f'(x。)(x-x。)+f''(x。 )/2!•(x-x。)^2,+f'''(x。)/3!•(x-x。)^3+……+f(n)(x。)/n!•(x-x。)^n+Rn
其中Rn=f(n+1)(ξ)/(n+1)!•(x-x。 )^(n+1),这里ξ在x和x。之间,该余项称为拉格朗日型的余项。
(注:f(n)(x。)是f(x。)的n阶导数,不是f(n)与x。的相乘。)
证明:我们知...全部
泰勒中值定理:若函数f(x)在开区间(a,b)有直到n+1阶的导数,则当函数在此区间内时,可以展开为一个关于(x-x。)多项式和一个余项的和:
f(x)=f(x。)+f'(x。)(x-x。)+f''(x。
)/2!•(x-x。)^2,+f'''(x。)/3!•(x-x。)^3+……+f(n)(x。)/n!•(x-x。)^n+Rn
其中Rn=f(n+1)(ξ)/(n+1)!•(x-x。
)^(n+1),这里ξ在x和x。之间,该余项称为拉格朗日型的余项。
(注:f(n)(x。)是f(x。)的n阶导数,不是f(n)与x。的相乘。)
证明:我们知道f(x)=f(x。)+f'(x。
)(x-x。)+α(根据拉格朗日中值定理导出的有限增量定理有limΔx→0 f(x。+Δx)-f(x。)=f'(x。)Δx),其中误差α是在limΔx→0 即limx→x。的前提下才趋向于0,所以在近似计算中往往不够精确;于是我们需要一个能够足够精确的且能估计出误差的多项式:
P(x)=A0+A1(x-x。
)+A2(x-x。)^2+……+An(x-x。)^n
来近似地表示函数f(x)且要写出其误差f(x)-P(x)的具体表达式。设函数P(x)满足P(x。)=f(x。),P'(x。)=f'(x。
),P''(x。)=f''(x。),……,P(n)(x。)=f(n)(x。),于是可以依次求出A0、A1、A2、……、An。显然,P(x。)=A0,所以A0=f(x。);P'(x。)=A1,A1=f'(x。
);P''(x。)=2!A2,A2=f''(x。)/2!……P(n)(x。)=n!An,An=f(n)(x。)/n!。至此,多项的各项系数都已求出,得:P(x)=f(x。)+f'(x。)(x-x。
)+f''(x。)/2!•(x-x。)^2+……+f(n)(x。)/n!•(x-x。)^n。
接下来就要求误差的具体表达式了。设Rn(x)=f(x)-P(x),于是有Rn(x。
)=f(x。)-P(x。)=0。所以可以得出Rn(x。)=Rn'(x。)=Rn''(x。)=……=Rn(n)(x。)=0。根据柯西中值定理可得Rn(x)/(x-x。)^(n+1)=Rn(x)-Rn(x。
)/(x-x。)^(n+1)-0=Rn'(ξ1)/(n+1)(ξ1-x。)^n(注:(x。-x。)^(n+1)=0),这里ξ1在x和x。之间;继续使用柯西中值定理得Rn'(ξ1)-Rn'(x。
)/(n+1)(ξ1-x。)^n-0=Rn''(ξ2)/n(n+1)(ξ2-x。)^(n-1)这里ξ2在ξ1与x。之间;连续使用n+1次后得出Rn(x)/(x-x。)^(n+1)=Rn(n+1)(ξ)/(n+1)!,这里ξ在x。
和x之间。但Rn(n+1)(x)=f(n+1)(x)-P(n+1)(x),由于P(n)(x)=n!An,n!An是一个常数,故P(n+1)(x)=0,于是得Rn(n+1)(x)=f(n+1)(x)。
综上可得,余项Rn(x)=f(n+1)(ξ)/(n+1)!•(x-x。)^(n+1)。一般来说展开函数时都是为了计算的需要,故x往往要取一个定值,此时也可把Rn(x)写为Rn。
麦克劳林展开式:若函数f(x)在开区间(a,b)有直到n+1阶的导数,则当函数在此区间内时,可以展开为一个关于x多项式和一个余项的和:
f(x)=f(0)+f'(0)x+f''(0)/2!•x^2,+f'''(0)/3!•x^3+……+f(n)(0)/n!•x^n+Rn
其中Rn=f(n+1)(θx)/(n+1)!•x^(n+1),这里0<θ<1。
证明:如果我们要用一个多项式P(x)=A0+A1x+A2x^2+……+Anx^n来近似表示函数f(x)且要获得其误差的具体表达式,就可以把泰勒公式改写为比较简单的形式即当x。=0时的特殊形式:
f(x)=f(0)+f'(0)x+f''(0)/2!•x^2,+f'''(0)/3!•x^3+……+f(n)(0)/n!•x^n+f(n+1)(ξ)/(n+1)!•x^(n+1)
由于ξ在0到x之间,故可写作θx,0<θ<1。
麦克劳林展开式的应用:
1、展开三角函数y=sinx和y=cosx。
解:根据导数表得:f(x)=sinx , f'(x)=cosx , f''(x)=-sinx , f'''(x)=-cosx , f(4)(x)=sinx……
于是得出了周期规律。
分别算出f(0)=0,f'(0)=1, f''(x)=0, f'''(0)=-1, f(4)=0……
最后可得:sinx=x-x^3/3!+x^5/5!-x^7/7!+x^9/9!-……(这里就写成无穷级数的形式了。
)
类似地,可以展开y=cosx。
2、计算近似值e=lim x→∞ (1+1/x)^x。
解:对指数函数y=e^x运用麦克劳林展开式并舍弃余项:
e^x≈1+x+x^2/2!+x^3/3!+……+x^n/n!
当x=1时,e≈1+1+1/2!+1/3!+……+1/n!
取n=10,即可算出近似值e≈2。
7182818。
3、欧拉公式:e^ix=cosx+isinx(i为-1的开方,即一个虚数单位)
证明:这个公式把复数写为了幂指数形式,其实它也是由麦克劳林展开式确切地说是麦克劳林级数证明的。
过程具体不写了,就把思路讲一下:先展开指数函数e^z,然后把各项中的z写成ix。由于i的幂周期性,可已把系数中含有土i的项用乘法分配律写在一起,剩余的项写在一起,刚好是cosx,sinx的展开式。
然后让sinx乘上提出的i,即可导出欧拉公式。有兴趣的话可自行证明一下。
。收起