我们已经得到积分余项的Taylor公式:
,则
![]()
其中
,
。
对
的积分表达式用微分第一中值定理,
![]()
![]()
介于
与
之间。这称为Lagrange余项。这里
,要求
的
阶导数连续,太强了些,事实上
阶导数存在即可。
在Lagrange余项Taylor公式中,其余项显然满足
![]()
这样的余项称为Peano余项,实际上关于Peano余项的Taylor公式也不需要这么强的条件。
在下两个小节中我们给出合适的光滑条件的带Peano余项的Taylor公式和带Lagrange余项的Taylor公式。
2. Peano余项的Taylor公式
函数在
点可微,等价于在
点可导,依定义有
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从逼近观点,
是个一阶多项式(即线性函数),上式表明,在
可导条件下,
可以用这一阶多项式逼近(线性逼近),误差是相对
的高阶无穷小。现在我们想推广到
阶多项式逼近,误差为高于
阶的无穷小量:
定理1 若
成立,则逼近多项式唯一。
证 设![]()
。
我们来证
,
。
令
,我们得
,等式两边消去常数项,除以
,得
![]()
。
再令
,我们得
,如此进行,我们得
,直到
。
定理2 设
在
点的
阶导数存在,则
![]()
。
证 要证
,![]()
在
点的
阶导数存在,意味着
在点某邻域
上有直到
阶导数,且连续,用
次del
Hospitale法则
。
公式中
称Peano余项,
称为
阶Taylor多项式。当
时,
也称为带Peano余项的Maclaurin公式,
在
点有
阶导数是Taylor公式成立的充分条件,而非必要,这一点与一阶时不同,有如下反例:
,
为Dirichlet函数,在
连续,
间断,当然不可导,但
,即Taylor公式却成立!
定理3 设
,在
上
阶导数存在,
,则有

其中
介于
与
之间。
证明 作两个辅助函数:
![]()
![]()
容易验证它们在
上连续,在内部
可导,且
![]()
![]()
及
,现在我们用Cauchy中值定理
![]()
由此我们得

注:定理3中条件改为
在
上
阶导数存在,
,定理结论仍然成立。
推论 设
在
上有
,则
为一至多
次多项式。
证明 取
,
,由Lagrange余项的Taylor公式,我们有
![]()
它是一个至多
次的多项式函数。
当
时,带Lagrange余项的Taylor公式也称为带Lagrange余项的Maclaurin公式。
求一个函数的Taylor展开,关键是计算高阶导数,下面我们给出常见函数的Maclaurin
展开。
例1
,
,
。
例2
,
,
。
例3
,
,
。
例4
,
,
。
例5
,
,
。
例6
,
,
。
例7
![]()
。
,
。
有些函数
计算很难,但
可以很容易求出来,这时我们得到Peano余项Taylor展开。
例8
,我们已经知道
,
,所以
。
例9
。
还有的函数,一般地计算
也比较复杂,但前
项导数的计算也可实现,这时我们可以计算指定阶数的Taylor展开。
例10
展开到
项的Taylor展开。
解 ![]()



。
例11 展开
到
项的Taylor公式。
解 ![]()
![]()
。
例12 求极限
。
解 

![]()
。
例13