§7.5  Taylor 公式

 

1.   积分余项的Taylor公式

 

我们已经得到积分余项的Taylor公式:  ,则

                  

其中

的积分表达式用微分第一中值定理,

   

介于之间。这称为Lagrange余项。这里,要求阶导数连续,太强了些,事实上*阶导数存在即可。

  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

        

    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  成立,则逼近多项式唯一。

  

            

我们来证

,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  点的阶导数存在,则

      

                   

  要证

    

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delHospitale法则

           

公式中 Peano余项, 称为 Taylor多项式。当 时, 也称为Peano余项的Maclaurin公式, 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:

Dirichlet函数,在连续,间断,当然不可导,但,即Taylor公式却成立!

 

3.  Lagrange余项的Taylor公式

定理3 ,在阶导数存在,,则有

其中介于之间。

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

,现在我们用Cauchy中值定理

由此我们得

注:定理3中条件改为阶导数存在,,定理结论仍然成立。

    推论    上有,则为一至多次多项式。

    证明    ,由Lagrange余项的Taylor公式,我们有

它是一个至多次的多项式函数。

    时,带Lagrange余项的Taylor公式也称为Lagrange余项的Maclaurin公式。

 

 

2.     Taylor 展开

 

 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。

 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。

 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。

   

          

          

          

          

    11  展开项的Taylor公式。

     

                

               

12  求极限

    

        

         

         

例13