微積分基礎2-泰勒級數

1. 馬克勞林級數-用多項式逼近任意函數

選取一箇中心點,然後用多項式逼近原函數,目的是爲了用多項式代替原函數,因爲多項式有很多優點:計算簡單,求導簡單,積分也簡單

Maclaurin series(馬克勞林級數):是一個多項式,其中心在0點,是泰勒級數的特例,泰勒級數可以選取任意的中心點

\begin{align*} p(x) &=f(0)+f'(0)x+f''(0)\frac{1}{2}x^2+f'''(0)\frac{1}{3 \times 2} x^3 \\ &+ f^4(0) \frac{1}{4!}x^4 + \cdots + f^n(0) \frac{1}{n!} x^n \end{align*}

推導馬克勞林級數:

假設原函數爲f(x),且可以計算出函數在0點處的值,並且也可以得到函數的各階導數在0處的值,即f(0),f'(0),f''(0) ... 已知,那麼我們可以不斷增加多項式的項,用多項式來近似表達原函數。

1. 用只有1項的多項式估計原函數:當只有0處的函數值相等時,可以假設p爲

p(x)=f(0)

2. 用含有2項的多項式估計原函數:當1階導數在0處的值又相等時,可以假設p爲

p(x)=f(0)+f'(0)x

證明:

p(0)=f(0)+f'(0)*0=f(0)

p'(x) = f'(0) \quad \Rightarrow \quad p'(0)=f'(0)

3. 用含有3項的多項式估計原函數:當2階導數在0處的值又相等時,可以假設p爲

p(x) = f(0)+f'(0)x+f''(0)\frac{1}{2}x^2

證明:

p(0)=f(0)+f'(0)*0+f''(0)*0 = f(0)

p'(x)=f'(0)+f''(0)x \qquad p''(x)=f''(0)

\Rightarrow p'(0)=f'(0)+f''(0)*0=f'(0) \qquad p''(0) = f''(0)

4. 當用更多項的多項式估計原函數:當增加“更多階導數相等”時,多項式越來越接近原函數,尤其是x趨於0時非常接近原函數

2. 舉例

2.1. cos(x)在0處的泰勒級數

在0點附近,用多項式來近似表達cos(x),隨着多項式的項數的增加,多項式在0點附近,越來越接近原函數

\begin{align*} \cos(x) &=\cos(0) + \cos'(0)x + \cos''(0) \frac{1}{2}x^2 + \cos'''(0) \frac{1}{3*2}x^3 \\ &+ \cos^4(0) \frac{1}{4!}x^4 + \cdots + \cos^n(0) \frac{1}{n!}x^n \\ &= 1 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{4!} - \frac{x^6}{6!} + \frac{x^8}{8!} + \cdots \end{align*}

可以看到,隨着多項式項數的增加,p(x)越來越接近cos(x)

2.2. sin(x)在0處的泰勒級數

\begin{align*} \sin(x)&=\sin(0)+\sin'(0)x+\sin''(0)\frac{1}{2}x^2+\sin'''(0)\frac{1}{3*2}x^3 \\ &+\sin^4(0)\frac{1}{4!}x^4 + \cdots + \sin^n(0) \frac{1}{n!}x^n \\ &= x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \frac{x^7}{7!} + \cdots \end{align*}

2.3. e^x在0處的泰勒級數

\begin{align*} e^x&=e^0+e^0x+e^0\frac{1}{2}x^2+e^0\frac{1}{3*2}x^3 \\ &+e^0\frac{1}{4!}x^4 + \cdots + e^0 \frac{1}{n!}x^n \\ &= 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \frac{x^4}{4!} + \frac{x^5}{5!} + \frac{x^6}{6!} + \frac{x^7}{7!} + \cdots \end{align*}

2.4. 歐拉公式

通過cos(x),sin(x)和e^x在0點的泰勒級數,推導出:

\begin{align*} e^{ix} &= 1 + ix + \frac{(ix)^2}{2!}+ \frac{(ix)^3}{3!} + \frac{(ix)^4}{4!} + \cdots \\ &= 1 + ix - \frac{x^2}{2!} - i \frac{x^3}{3!} + \frac{x^4}{4!} \\ &= (1- \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} + \cdots) + i(x - \frac{x^3}{3!} + \cdots) \\ &= \cos(x) + i\sin(x) \end{align*}

歐拉恆等式:

\begin{align*} &e^{i\pi}=\cos(\pi) + i \sin(\pi) = -1 \\ &e^{i \pi} + 1= 0 \end{align*}

 

 


 

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