高等数学笔记:泰勒公式分析 |
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泰勒公式分析——浅谈泰勒公式记忆背后的逻辑链条
一、泰勒公式汇总
完全展开
f ( x ) = e x f(x)=e^{x} f(x)=ex 【含阶乘】【正项叠加】 e x = 1 + x + x 2 2 ! + ⋯ + x n n ! + o ( x n ) e^{x}=1+x+\frac{x^{2}}{2 !}+\cdots+\frac{x^{n}}{n !}+o(x^n) ex=1+x+2!x2+⋯+n!xn+o(xn) f ( x ) = sin x f(x)=\sin x f(x)=sinx 【含阶乘】【正负交错】 sin x = x − x 3 3 ! + x 5 5 ! − ⋯ + ( − 1 ) k − 1 x 2 k − 1 ( 2 k − 1 ) ! + o ( x 2 k − 1 ) \sin x=x-\frac{x^{3}}{3 !}+\frac{x^{5}}{5 !}-\cdots+(-1)^{k-1} \frac{x^{2 k-1}}{(2 k-1) !}+o(x^{2k-1}) sinx=x−3!x3+5!x5−⋯+(−1)k−1(2k−1)!x2k−1+o(x2k−1) f ( x ) = cos x f(x)=\cos x f(x)=cosx 【含阶乘】【正负交错】 cos x = 1 − x 2 2 ! + x 4 4 ! − ⋯ + ( − 1 ) k − 1 x 2 k − 2 ( 2 k − 2 ) ! + o ( x 2 k − 2 ) \cos x=1-\frac{x^{2}}{2 !}+\frac{x^{4}}{4 !}-\cdots+(-1)^{k-1} \frac{x^{2k-2}}{(2 k-2) !}+o(x^{2k-2}) cosx=1−2!x2+4!x4−⋯+(−1)k−1(2k−2)!x2k−2+o(x2k−2) f ( x ) = ( 1 + x ) α f(x)=(1+x)^{\alpha} f(x)=(1+x)α 【含阶乘】【正项叠加】 ( 1 + x ) α = 1 + α x + α ( α − 1 ) 2 ! x 2 + ⋯ + α ( α − 1 ) ⋯ ( α − n + 1 ) n ! x n + o ( x n ) (1+x)^{\alpha}=1+\alpha x+\frac{\alpha(\alpha-1)}{2 !} x^{2}+\cdots+\frac{\alpha(\alpha-1) \cdots(\alpha-n+1)}{n !} x^{n}+o\left(x^{n}\right) (1+x)α=1+αx+2!α(α−1)x2+⋯+n!α(α−1)⋯(α−n+1)xn+o(xn) f ( x ) = ln ( 1 + x ) f(x)=\ln (1+x) f(x)=ln(1+x) 【正负交错】 ln ( 1 + x ) = x − x 2 2 + x 3 3 − ⋯ + ( − 1 ) n − 1 x n n + o ( x n ) \ln (1+x)=x-\frac{x^{2}}{2}+\frac{x^{3}}{3}-\cdots+(-1)^{n-1} \frac{x^{n}}{n}+o(x^n) ln(1+x)=x−2x2+3x3−⋯+(−1)n−1nxn+o(xn) f ( x ) = 1 / ( 1 + x ) f(x)=1/(1+x) f(x)=1/(1+x) 【正负交错】 1 1 + x = 1 − x + x 2 − x 3 + ⋯ + ( − 1 ) n x n + o ( x n ) \frac{1}{1+x}=1-x+x^2-x^3+\cdots+(-1)^{n}x^{n}+o(x^n) 1+x1=1−x+x2−x3+⋯+(−1)nxn+o(xn) f ( x ) = 1 / ( 1 − x ) f(x)=1/(1-x) f(x)=1/(1−x) 【正项叠加】 1 1 − x = 1 + x + x 2 + x 3 + ⋯ + x n + o ( x n ) \frac{1}{1-x}=1+x+x^2+x^3+\cdots+x^{n}+o(x^n) 1−x1=1+x+x2+x3+⋯+xn+o(xn) f ( x ) = arctan x f(x)=\arctan x f(x)=arctanx 【正负交错】 arctan x = x − x 3 3 + x 5 5 + ⋯ + ( − 1 ) k − 1 x 2 k − 1 2 k − 1 + o ( x 2 k − 1 ) \arctan x=x-\frac{x^3}{3}+\frac{x^5}{5}+\cdots+(-1)^{k-1}\frac{x^{2k-1}}{2k-1}+o(x^{2k-1}) arctanx=x−3x3+5x5+⋯+(−1)k−12k−1x2k−1+o(x2k−1) f ( x ) = 1 / ( 1 + x 2 ) f(x)=1/(1+x^2) f(x)=1/(1+x2) 【正负交错】 1 1 + x 2 = 1 − x 2 + x 4 + ⋯ + ( − 1 ) k − 1 x 2 k + o ( x 2 k ) \frac{1}{1+x^2}=1-x^2+x^4+\cdots+(-1)^{k-1}x^{2k}+o(x^{2k}) 1+x21=1−x2+x4+⋯+(−1)k−1x2k+o(x2k) f ( x ) = 1 / ( a x + b ) f(x)=1/(ax+b) f(x)=1/(ax+b) 【正负交错】 1 a x + b = 1 b − 1 b ⋅ a b ⋅ x + 1 b ⋅ ( a b ) 2 ⋅ x 2 − ⋯ + ( − 1 ) n 1 b ⋅ ( a b ) n ⋅ x n + o ( x n ) \frac{1}{ax+b}=\frac1b-\frac1b\cdot\frac ab\cdot x+\frac1b\cdot(\frac ab)^2\cdot x^2-\cdots+(-1)^{n}\frac1b\cdot(\frac ab)^n\cdot x^{n}+o(x^n) ax+b1=b1−b1⋅ba⋅x+b1⋅(ba)2⋅x2−⋯+(−1)nb1⋅(ba)n⋅xn+o(xn) 部分展开f ( x ) = sin x f(x)=\sin x f(x)=sinx sin x = x − x 3 3 ! + o ( x 3 ) \sin x=x-\frac{x^{3}}{3 !}+o(x^3) sinx=x−3!x3+o(x3) f ( x ) = arcsin x f(x)=\arcsin x f(x)=arcsinx arcsin x = x + x 3 3 ! + o ( x 3 ) \arcsin x=x+\frac{x^{3}}{3 !}+o(x^3) arcsinx=x+3!x3+o(x3) f ( x ) = tan x f(x)=\tan x f(x)=tanx tan x = x + x 3 3 + o ( x 3 ) \tan x=x+\frac{x^3}{3}+o(x^3) tanx=x+3x3+o(x3) f ( x ) = arctan x f(x)=\arctan x f(x)=arctanx tan x = x − x 3 3 + o ( x 3 ) \tan x=x-\frac{x^3}{3}+o(x^3) tanx=x−3x3+o(x3) 二、基本特点分析最直观的基本特点:【有没有阶乘】和【正项叠加或正负交错】 01 正项叠加或正负交错曲线妥协法:根据曲线形势判断符号 展开每一项都为正的三个函数, f ( x ) = e x , f ( x ) = ( 1 + x ) α , f ( x ) = 1 / ( 1 − x ) f(x)=e^x \ , \ f(x)=(1+x)^{\alpha} \ , \ f(x)=1/(1-x) f(x)=ex , f(x)=(1+x)α , f(x)=1/(1−x) 分析它们的图像可以知道,它们都存在某一个区间,使得函数拥有“飞快增长”或“爆炸增长”的趋势。 展开每项正负交错的七个函数, sin x , cos x , ln ( 1 + x ) , 1 / ( 1 + x ) , arctan x , 1 / ( 1 + x 2 ) , 1 / ( a x + b ) \sin x \ , \ \cos x \ , \ \ln (1+x) \ , \ 1/(1+x) \ , \ \arctan x\ , \ 1/(1+x^2) \ , \ 1/(ax+b) sinx , cosx , ln(1+x) , 1/(1+x) , arctanx , 1/(1+x2) , 1/(ax+b) 由于 1 / ( 1 + x ) , 1 / ( 1 + x 2 ) , 1 / ( a x + b ) 1/(1+x) \ , \ 1/(1+x^2) \ , \ 1/(ax+b) 1/(1+x) , 1/(1+x2) , 1/(ax+b) 函数图像完全相似,我们只讨论五个函数图像的情况。 首先,三角函数 sin x \sin x sinx 和 cos x \cos x cosx 的图像是在 y = 0 y=0 y=0 之间来回震荡,有增有减,有正有负。那么显然,多项式展开需要正项使其递增,负向使其递减,达到“波动”的效果。 其次, ln ( 1 + x ) \ln (1+x) ln(1+x) 尽管有 lim x → + ∞ ln ( 1 + x ) = + ∞ \lim \limits_{x \rightarrow +\infty} \ln (1+x)=+\infty x→+∞limln(1+x)=+∞,但是 lim x → + ∞ ( ln ( 1 + x ) ) ′ = 0 \lim \limits_{x \rightarrow +\infty} (\ln (1+x))'=0 x→+∞lim(ln(1+x))′=0,即当 x x x 越大,函数增长趋于平缓。并不满足所谓的“飞快增长”或“爆炸增长”。 然后, 1 / ( 1 + x ) 1/(1+x) 1/(1+x) 在 x x x 趋于 + ∞ +\infty +∞ 时,函数值趋于 0 0 0,必然也是平缓的曲线。 最后, arctan x \arctan x arctanx 在无穷处收敛于 π / 2 \pi/2 π/2,必然也是平缓的曲线。 解决了“带不带负号”的问题。 逐项展开系数与次数的特点 对于所有的分母,其数字一定和次数相等。 由正负交错的特点到次数项缺位 从 sin x \sin x sinx 和 cos x \cos x cosx 的展开式我们可以看出,尽管分母的数字一定和次数相等,但第几项和次数并不一致。 引理 对于奇函数展开 函数 = 奇 + 偶 + 奇 + 偶 + ⋯ \cdots ⋯,所有的偶数项一定为 0 0 0, 即 函数 = 奇 + 0 0 0 + 奇 + 0 0 0 + ⋯ \cdots ⋯ 对于偶函数展开 函数 = 奇 + 偶 + 奇 + 偶 + ⋯ \cdots ⋯,所有的奇数项一定为 0 0 0 即 函数 = 0 0 0 + 偶 + 0 0 0 + 偶 + ⋯ \cdots ⋯ 从引理出发, sin x \sin x sinx 和 cos x \cos x cosx 的展开是偶数项或奇数项为 0 0 0 导致奇数项或偶数项前挪。 那么, sin x \sin x sinx 和 cos x \cos x cosx 的展开可以写为: sin x = x + 0 − x 3 3 ! + 0 + x 5 5 ! − ⋯ cos x = 0 + 1 + 0 − x 2 2 ! + 0 + x 4 4 ! − ⋯ \begin{aligned} & \sin x=x+0-\frac{x^{3}}{3 !}+0+\frac{x^{5}}{5 !}-\cdots\\ & \cos x=0+1+0-\frac{x^{2}}{2 !}+0+\frac{x^{4}}{4 !}-\cdots \end{aligned} sinx=x+0−3!x3+0+5!x5−⋯cosx=0+1+0−2!x2+0+4!x4−⋯ 02 是否含阶乘 (1) 函数之间的关系由欧拉公式 e i x = cos x + i sin x e^{ix}=\cos x+i\sin x eix=cosx+isinx,我们得到我们想要的形式: e 某 x = 某 cos x + 某 sin x e^{某x}=某\cos x+某\sin x e某x=某cosx+某sinx, 而且显然有 ( sin x ) ′ = cos x (\sin x)'=\cos x (sinx)′=cosx,由此,我们建立了 e x , sin x , cos x e^x \ , \sin x \ , \ \cos x ex ,sinx , cosx 这三个函数的关系链。 自然而然地, e x , sin x , cos x e^x \ , \sin x \ , \ \cos x ex ,sinx , cosx 这三个函数的展开都含有阶乘。 从另一角度,如果记 sin x = ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 u s n \sin x=\sum\limits_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1}{u_{sn}} sinx=n=1∑∞(−1)n−1usn, cos x = ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 u c n \cos x=\sum\limits_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1}{u_{cn}} cosx=n=1∑∞(−1)n−1ucn,根据观察, 可得到关系式: e x = ∑ n = 1 ∞ ( u s n + u c n ) e^x=\sum\limits_{n=1}^{\infty} ({u_{sn}}+{u_{cn}}) ex=n=1∑∞(usn+ucn) . 即 e x e^x ex 的展开是由 sin x \sin x sinx 和 cos x \cos x cosx 展开每一项的正项部分交错相加得到的。 另外,根据函数的关系,我们也可以知道 sin x \sin x sinx 和 cos x \cos x cosx 一定是正负交错的,因为正向叠加会导致 e x = cos x + sin x e^{x}=\cos x+\sin x ex=cosx+sinx 成立,这是显然不对的。 (2) 阶乘的由来对于一般函数的泰勒展开: f ( x ) = f ( x 0 ) + f ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) + f ′ ′ ( x 0 ) 2 ! ( x − x 0 ) 2 + ⋯ + f ( n ) ( x 0 ) n ! ( x − x 0 ) n + o ( ( x − x 0 ) n ) f(x)=f\left(x_{0}\right)+f^{\prime}\left(x_{0}\right)\left(x-x_{0}\right)+\frac{f^{\prime \prime}\left(x_{0}\right)}{2 !}\left(x-x_{0}\right)^{2}+\cdots+\frac{f^{(n)}\left(x_{0}\right)}{n !}\left(x-x_{0}\right)^{n}+o\left(\left(x-x_{0}\right)^{n}\right) f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+⋯+n!f(n)(x0)(x−x0)n+o((x−x0)n) 用麦克劳林展开可简写为: f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ f ( n ) ( x 0 ) n ! ( x − x 0 ) n f(x)=\sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{f^{(n)}\left(x_{0}\right)}{n !}\left(x-x_{0}\right)^{n} f(x)=n=1∑∞n!f(n)(x0)(x−x0)n,说明阶乘是伴随泰勒推导与生俱来的。 所以,含有阶乘的意思就是泰勒展开过程中,阶乘没有被我们消掉;不含阶乘就说明阶乘在求 n n n 阶导的过程中消掉了。 那么,对于某些函数来说,为什么阶乘能被消掉呢? 在说明这个问题之前,我们定义“类幂函数”:形式为多项式的幂次方 ( a x m + b x n + ⋯ ) α (ax^m+bx^n+\cdots)^{\alpha} (axm+bxn+⋯)α )的函数。 然后,如果函数是“类幂函数”或者它的导数是“类幂函数”且这个幂为负数。 那么这个函数在求 n n n 阶导数时,求导拿出来的系数一定是从 1 1 1 左右的低次开始,逐渐到 n n n 次左右的高次, 而这个过程是和阶乘的方向一致的,所以这类函数求到 n n n 阶导数时, n ! n! n! 一定会被消除或者消到只剩某几项。 比如 ln ( 1 + x ) , 1 / ( 1 + x ) , 1 / ( 1 − x ) , arctan x , 1 / ( 1 + x 2 ) \ln (1+x) \ , \ 1/(1+x) \ , \ 1/(1-x) \ , \ \arctan x \ , \ 1/(1+x^2) ln(1+x) , 1/(1+x) , 1/(1−x) , arctanx , 1/(1+x2) . 按照这个思路,如果函数是“类幂函数”或者它的导数是“类幂函数”且这个幂为正数。 那么这个函数在求 n n n 阶导数时,求导拿出来的系数一定是从次它的幂开始,逐渐降幂到 0 0 0 的过程, 而个过程是和阶乘的方向相反的,所以这类函数求到 n n n 阶导数时, n ! n! n! 依然会被保留。 比如:【阶乘四天王】 e x , sin x , cos x , ( 1 + x ) α e^x \ , \sin x \ , \ \cos x \ , \ (1+x)^{\alpha} ex ,sinx , cosx , (1+x)α . 三、对于部分展开的讨论 函数之间的关系对于互为反函数的函数对,如果展开式首项为 x x x,那么这一对函数的泰勒展开前两项一定共轭,即 f ( x ) = x + a x b + o ( x b ) f − 1 ( x ) = x − a x b + o ( x b ) \begin{aligned} & f(x)=x+ax^b+o(x^b)\\ & f^{-1}(x)=x-ax^b+o(x^b) \end{aligned} f(x)=x+axb+o(xb)f−1(x)=x−axb+o(xb) 由此,得出 sin x \sin x sinx 和 arcsin x \arcsin x arcsinx, tan x \tan x tanx 和 arctan x \arctan x arctanx 有同样的关系( cos x \cos x cosx 和 arccos x \arccos x arccosx 并没有,展开首项为 1 1 1)。 f ( x ) = sin x f(x)=\sin x f(x)=sinx sin x = x − x 3 3 ! + o ( x 3 ) \sin x=x-\frac{x^{3}}{3 !}+o(x^3) sinx=x−3!x3+o(x3) f ( x ) = arcsin x f(x)=\arcsin x f(x)=arcsinx arcsin x = x + x 3 3 ! + o ( x 3 ) \arcsin x=x+\frac{x^{3}}{3 !}+o(x^3) arcsinx=x+3!x3+o(x3) f ( x ) = tan x f(x)=\tan x f(x)=tanx tan x = x + x 3 3 + o ( x 3 ) \tan x=x+\frac{x^3}{3}+o(x^3) tanx=x+3x3+o(x3) f ( x ) = arctan x f(x)=\arctan x f(x)=arctanx tan x = x − x 3 3 + o ( x 3 ) \tan x=x-\frac{x^3}{3}+o(x^3) tanx=x−3x3+o(x3) 除此之外,对于 sin x \sin x sinx 和 tan x \tan x tanx 有以下关系式: sin x < x < tan x ; x → 0 , sin x ∼ x ∼ tan x \sin x |
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