原标题:幂级数和泰勒级数、加減法可以用泰勒公式吗之间的关系
不少同学对幂级数和泰勒级数、加减法可以用泰勒公式吗以及麦克劳林展开式之间的区别和联系不清楚,本文小编力图说明它们之间的区别和联系
1.泰勒中值定理和加减法可以用泰勒公式吗
对于复杂函数,往往不容易研究其性质但如何能用一个近似的多项式函数来表示复杂函数,那就容易多了泰勒中值定理就此应运而生。
泰勒中值定理的具体内容:
泰勒中值定理中的f(x)嘚多项式被称为加减法可以用泰勒公式吗
事实上,泰勒中值定理是拉格朗日中值定理的推广
2.皮亚诺和拉格朗日余项
把泰勒中值定理中嘚多项式再次放到下方,以便于说明:
第一个要明确的概念是泰勒多项式如上方绿色部分即为函数f(x)在(x-x0)的幂展开的n次泰勒多项式,通常用洳下式子表示:
第二个概念就是拉格朗日余项考虑上方标橙的部分,在泰勒中值定理中的余项就是拉格朗日余项如下所示:
第三个概念是皮亚诺余项或称佩亚诺余项。当n趋于无穷大时若下列关系式成立:
则拉格朗日余项可以简记为:
此时称上述余项表达式为皮亚诺余項。
在加减法可以用泰勒公式吗中若x0=0,此时的多项式则称为麦克劳林公式根据余项是拉格朗日余项还是皮亚诺余项,对应的多项式则稱为带拉格朗日余项的麦克劳林公式带皮亚诺余项的麦克劳林公式。
带拉格朗日余项的麦克劳林公式:
带皮亚诺余项的麦克劳林公式:
尛编在前文已经讲述了什么是加减法可以用泰勒公式吗那泰勒级数又是什么鬼?
为方便比较小编再把加减法可以用泰勒公式吗放在下方:
从形式上来说,加减法可以用泰勒公式吗是一个有限项即在点(x-x0)展开的多项式的幂是有限的。
而泰勒级数则是把余项给舍弃掉在点(x-x0)展开的多项式的幂则是无限的。泰勒级数如下所示:
同样在泰勒级数中,如果x0=0那么此时的级数则被称为麦克劳林级数。麦克劳林级数嘚形式如下所示:
那么什么函数能展开成泰勒级数呢
小编在第4节时说过,泰勒级数可以简单视为丢弃掉加减法可以用泰勒公式吗中的余項同时在点(x-x0)展开的多项式的幂趋向无穷大。那么函数能否展开成泰勒级数自然就与加减法可以用泰勒公式吗中的余项息息相关了。
很哆同学容易忽视上述定理因为考的少。而有的同学却记了一半什么意思呢?就是定理中要求的是在邻域内而大家常常记成在某一点具有任意阶导数。这是一定要注意的一点哦!
前文已经区分了泰勒级数和麦克劳林级数那么什么是泰勒展开式和麦克劳林展开式呢?
很簡单就是在相应的级数后面,标注收敛域即可举个例子:
最后,小编绘制了下方图准确、形象地描述了各个关键概念之间的关系,夶家可以仔细看看作为参考。
加减法可以用泰勒公式吗的展开格式: Series[expr,{x,x0,n}](表示在x0点展开 阶数为n),而求函数的泰勒多项式格式为: Normal[Series[expr,{x,x0,n}]] 注意:对泰勒多项式作图时可使用“uate” 命令把它转化为可运算的。 實验三 加减法可以用泰勒公式吗与函数逼近 一个函数 若在点 的邻域内足够光滑 则在该邻域内有加减法可以用泰勒公式吗 当 很小时,有 其Φ 称为 在点
处的n阶泰勒多项式; 为余项。 下面我们利用Mathematica计算函数 的 各阶泰勒多项式并通过绘制曲线图形,来进 一步掌握泰勒展开与函數逼近的思想 例1 (加减法可以用泰勒公式吗的误差)利用泰勒多项式近似计 算 。若 要求误差 。 解:我们根据拉格朗日余项 可得欲使 ,只要取 即可下 面的Mathematica语句利用函数 的5阶泰勒 多项式来近似计算 的值,并判断误差: 输出结果为:
输出结果每一行的最后一项表示误差從结果 中可以看出,当 其误差 例2 (观察阶数n 对误差的影响)利用函数 的 n阶多项式计算e 的值,并求误差 (n=5,6,7,8,9,10) 解:为此,我们输入Mathematica语言如丅 : 输出结果为: 从结果中可知阶数越高,误差越小 例3(根据图形观察泰勒展开的误差)观察 的各阶泰勒展开的图形。 解:(1) 固定观察阶数 的影响。
因为 在 处的偶数阶导数为零 所以首先我们在同一坐标系内显示函数 及它的 阶泰勒多项式的图形。 故输入命令如下: 仩述语句中的函数“PrependTo[t,Sin[x]]” 是表示把函数 添加到表t中运行后得到图3 -1。 图3-1 为了使图形比较更加生动下面我们作出 和它的某一阶泰勒多项式的哃一坐标系下的比较 图,并且在图中红色曲线表示函数 的
图形蓝色曲线表示泰勒多项式的图形。命令如 下: 运行后得到了六幅图(图3-2)从图表中可以观 察到泰勒多项式与函数图形的重合与分离情况, 显然在 范围内第五幅图中两个函数的图形 已经基本上吻合了,也就是說 的9次多项式 与函数几乎无差别。 图3-2 (2)扩大显示区间范围以观察在偏离展开点 时泰勒多项式对函数的逼近情况。 显然我们只要紦上一个程序中的绘图命令中的 范围由
分别改到 ,并相应增 加阶数故输入如 下命令: 运行上面程序,绘出了从7阶直至17阶的泰勒多 项式与 嘚比较图(图3-3)观察图表可得 ,在区间 范围内 的17次多项式与 函数吻合得很好了。 图3-3 (3)固定 观察 对函数逼近的影响。 在下面的语呴中为了方便调用 的泰勒多项 式,首先定义了 的泰勒展开函数tt然后用不 同的颜色在同一坐标系中画出了 及 的分 别在
处的6阶泰勒多项式嘚图形: 输出的结果如图3-4所示。 图3-4 从本实验我们可以得到一些结论函数的泰勒多 项式对于函数的近似程度随着阶数的提高而提高 ,但昰对于任一确定的次数的多项式它只在展 开点附近的一个局部范围内才有较好的近似精确 度。 实验习题3 1. 对 重复上面的实验 2. 作出函数 的函数图形和泰勒展开式(选取不同的 和 值)图形,并将图形进行比较