考研泰勒公式怎么来的

白冰教育知识 · 2024-12-28 02:29:53

泰勒公式是微积分中的一个重要工具,用于将一个函数表示为无穷级数的形式。其基本思想是通过函数在某一点的信息(包括函数值和导数值)来构建一个多项式,以此近似表示该函数在这一点附近的取值。

泰勒公式的推导过程如下:

基本形式

泰勒公式可以将一个函数 ( f(x) ) 表示为:

[ f(x) = f(a) + f'(a)(x-a) + frac{f''(a)}{2!}(x-a)^2 + frac{f'''(a)}{3!}(x-a)^3 + cdots + R_n(x) ]

其中,( a ) 是展开点,( R_n(x) ) 是泰勒公式的余项。

推导过程

一阶近似

当 ( h to 0 ) 时,可以用 ( f(a) + f'(a)h ) 近似表示 ( f(a+h) )。

二阶近似

当 ( h to 0 ) 时,可以用 ( f(a) + f'(a)h + frac{f''(a)}{2!}h^2 ) 近似表示 ( f(a+h) )。

三阶近似

当 ( h to 0 ) 时,可以用 ( f(a) + f'(a)h + frac{f''(a)}{2!}h^2 + frac{f'''(a)}{3!}h^3 ) 近似表示 ( f(a+h) )。

一般形式

通过数学归纳法,可以推广到 ( n ) 阶导数的情况,得到:

[ f(x) = f(a) + f'(a)(x-a) + frac{f''(a)}{2!}(x-a)^2 + cdots + frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n + R_n(x) ]

余项 ( R_n(x) )

余项 ( R_n(x) ) 表示泰勒公式与函数实际值之间的误差,其形式为:

[ R_n(x) = frac{f^{(n+1)}(xi)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1} ]

其中,( xi ) 是介于 ( a ) 和 ( x ) 之间的某个值。

泰勒级数

泰勒公式也可以表示为泰勒级数:

[ f(x) = sum_{n=0}^{infty} frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n ]

当 ( |x-a| ) 足够小时,余项 ( R_n(x) ) 趋近于零,泰勒级数就成为函数的精确表示。

总结:

泰勒公式通过将函数在某一点附近展开为一个无限多项式,利用函数在该点的各阶导数值作为系数,构建一个多项式来近似表示函数在该点附近的取值。这个公式在数学和物理等领域有着广泛的应用。

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