趣談無窮級數的終結者:泰勒級數

2020-12-14 電子通信和數學

我們學習泰勒級數目的,就是為了在某個點附近用多項式近似其他函數,這樣逼近函數的多項式要比函數本身更加有意義,既可以積分 又可以求導,還可以觀察它的的特性。

我們以cosx為例,用三項式來逼近它

首先很容易得到:x=0時,C0=1

多項式曲線在x=0處,還是可以來回搖擺,所以繼續定義在x=0處的斜率得到C1=0

雖然定義了x=0處的斜率,但是多項式曲線還可以上來活動,所以繼續定義x=0處的二階導數:

這樣在二階導數斜率為負,曲線開口朝下,這樣曲線在x=0點和cosx更加吻合

最終得到僅有三項的逼近COSx的多項式

我們可以用x=0附件的數值 例如0.1,0.2來驗證,與實際的COSX非常接近,所以是成功的

c0負責多項式在x=0時與cos0的值一致。

c1負責多項式x=0時與cos0處的導數一致(不可左右搖擺)(斜率一致)

c2負責多項式x=0時與cos0處的二階導數一致(不可上下搖擺)

這樣使得曲線在cosx附近變化時,儘可能的逼近cosx。

為了使得曲線在x更遠的地方也能逼近cosx,需要不斷增加項數,這樣就要不斷的對cosx求導。

你會發現,隨著項數的增加,增加的高次項並不會影響低次項。這點很重要,這是因為在求高次項係數的時候,前面的x都等於0

多項式任意階導數在x=0的值,都是唯一的一個係數來控制。這樣我們就得到了cosx函數的泰勒多項式。

同理最終得到任意函數在x=0時的泰勒多項式。

我們來分析他們的幾何意義

首先假設多項式f(x)代表面積

f(x)的在a處一階導數就是曲線上在a點的縱坐標,f(x)的在a處二階導數就是曲線在a點的斜率,所以得到圖中的等式。這就是他的幾何意義

注意:

泰勒級數不是對所有的函數都能很好的逼近,如下Inx函數的泰勒級數,在x取值超出一定範圍後就上下亂跳,所以x的取值不能延伸更廣的範圍,必須定義它的收斂半徑。

但對e^x的泰勒級數就不存在這個問題,能很好的和e^x吻合。

相關焦點

  • 無窮級數:傅立葉級數原理概述
    數學中,無窮級數非常重要。它們廣泛用於計算器和計算機中。工程和科學中研究的許多現象本質上都是周期性的,例如。交流電路中的電流和電壓。可以通過傅立葉分析將這些周期函數分解為單個的組成成分(諧波)。這些特殊的三角函數的總和稱為傅立葉級數。傅立葉級數真的很有趣,因為它使用了您以前學過的許多數學技術,例如圖形,積分,微分,求和符號,三角學等。
  • 泰勒級數經典之作:有關泰勒級數前幾項的幾何原理
    泰勒級數大家應該都很熟悉了,如下所示,它可以計算任意函數f(x)所有階導數在a處的值如下就是e^x在0附近時的無窮級數形式,它是最簡單的也是最有用的級數之一,它的導數就是其本身我們現在用幾何原理來解釋泰勒級數的前幾項,這是非常有趣的,可以很好地拓展我們的數學視野用到的基礎數學知識就是微積分基本定理,如下是任意函數f(x)曲線下的面積,它可以用牛頓-萊布尼茲公式得到所以面積函數的導數就是函數本身f(x),我們在圖中取一小段dx,黃色部分的面積近似等於dx乘以函數在該處的高度
  • 奇妙的無窮級數
    無窮,但又很乖如上包含無窮項求和的式子稱為無窮級數,它們給我們對一些非常基本的數學概念(比如加和減)的理解帶來了衝擊。我們下一步要考察的無窮級數稱為幾何級數:再將其中一個正方形分成兩半,得到兩個面積為1/8的長方形,以此類推,直至無窮。總面積(我們每次剩下沒再分隔的正方形和長方形)和幾何級數所有項的和相同。因為這個總面積就是大正方形的面積,所以幾何級數應該就等於1。確實,數學家也同意這個結論。他們會說這個級數收斂於1。正式的收斂是通過數列的部分和來定義的:
  • 從泰勒級數說傅立葉級數
    泰勒公式也只是能夠描述簡單函數,對於複雜的函數就也不能做到替換原函數,不知道詳情的我之前一直以為泰勒公式是可以做到任意替換的,至少理論上是,實際是理論上都不是,這裡需要注意的是不同點展開的函數是不一樣的。過冷水本打算用另一種基數展開式來藐視泰勒級數展開式的局限性的,奈何案例函數太複雜,求不出不出來展開式係數。所以上述案例就沒放。
  • 泰勒級數為什麼不可以展開?
    泰勒級數展開的問題(關於這個問題,之前寫過「使用泰勒公式進行估算時,在不同點有啥區別?(即  點的泰勒級數)為:  ,這些是泰勒級數的基本概念[4],這裡不再贅述。維基百科上有幅圖畫的很清楚,圖中白色的圓圈就是收斂圓(虛軸、實軸各自的泰勒級數也畫在圖上了):這個問題點亮了我,讓我認識到,只知道實數,就好像生活在二維空間中的紙片人:
  • 2020山東專升本考試:無窮級數
    2020山東專升本考試:無窮級數 有很大一批人因為數學差而對專升本望而卻步,其實數學沒有那麼可怕。而高數又是重中之重,下面帶大家一起梳理一下高數重要考點知識點。
  • 如何用泰勒級數來解微分方程
    泰勒公式已經很熟悉了,它說明了可用一個無窮級數來趨近一個函數。如下是e^x的泰勒級數形式,兩項的情況下三項情況下趨近原始函數的圖形隨著項數的增加,越來越接近原始函數上述本質上實在趨近一個確定的函數,但同樣可以延伸到,函數是一個有限多項式的情況,如下是一個簡單的非齊次方程。
  • 無窮級數之級數的性質
    重積分和曲線積分、曲面積分相親相愛,過著「楊過和小龍女」一樣的神仙般的時光歲月,挺好的,但突然來了個級數,非和他們在一起,級數真綠茶。級數「給爺爪巴」,口區!上篇文章寫到,直接利用級數收斂的定義去求級數的和。
  • 泰勒級數的物理意義
    泰勒級數的物理意義是什麼? 就是把方程 g(x)=0 的解,寫成曲線方程的形式看看和 x 軸有什麼交點。例如 f(x)=x^2=5 等價於 g(x)=x^2-5=0 和 x 軸的交點。而這個曲線交點可以用直線切線的逼近方法(牛頓迭代法)來實現,這就是泰勒級數的物理意義: 點+一次切線+2 次切線+...+N 次切線。每次切線公式的常數,就是泰勒級數第 N 項的常數。
  • 無窮級數,常微分方程,指數級數,冪級數求和.
    #無窮級數#冪級數求和函數,sum(n,0,inf)(x^(3n+1)/(3n+1)!),常微分方程同理可得特徵方程,指數級數自造自解...  http://t.cn/A6bQ999K。。微博@海離薇。關注我就屏蔽我吧。。。。#數學分析#HLWRC高數不定積分求導驗證,鄉下話niaiwaha(你愛蛙哈)=聽來=梨比=隨便他。
  • 冪級數和泰勒級數、泰勒公式之間的關係
    不少同學對冪級數和泰勒級數、泰勒公式,以及麥克勞林展開式之間的區別和聯繫不清楚,本文小編力圖說明它們之間的區別和聯繫。1.泰勒中值定理和泰勒公式對於複雜函數,往往不容易研究其性質。帶拉格朗日餘項的麥克勞林公式:帶皮亞諾餘項的麥克勞林公式:4.麥克勞林級數小編在前文已經講述了什麼是泰勒公式,那泰勒級數又是什麼鬼?
  • 漫談泰勒級數的物理意義
    泰勒級數的物理意義是什麼? 就是把方程g(x)=0的解,寫成曲線方程的形式看看和x軸有什麼交點。例如f(x)=x^2=5等價於g(x)=x^2-5=0和x軸的交點。而這個曲 線交點可以用直線切線的逼近方法(牛頓迭代法)來實現,這就是泰勒級數的物理意義: 點+一次切線+2次切線+...+N次切線。每次切線公式的常數,就是泰勒級數第N項的常數。
  • 無窮級數指數級數求和函數,微分算子法.
    #無窮級數#指數級數求和函數sum+e^x+e^(-x),倘若數學猛虎跟長蛇互動,那麼命運就這樣倒黴吧。打工人不幹活就沒飯吃?我專講地方話不足為奇。#HLWRC高數#微分算子法一夫當關萬夫莫開n=xD...  http://t.cn/A6GAowpS ​​​。。#轉發微博關注我就屏蔽我吧#@海離薇。。。。
  • 2017考研高等數學三大綱考點:無窮級數
    下面是根據考試大綱總結的高等數學三的無窮級數考點,希望能幫到大家。  五、 無窮級數  常數項級數的收斂與發散的概念,收斂級數的和的概念,級數的基本性質與收斂的必要條件,幾何級數與P級數及其收斂性,正項級數收斂性的判別法,任意項級數的絕對收斂與條件收斂,交錯級數與萊布尼茨定理,冪級數及其收斂半徑、收斂區間(指開區間)和收斂域,冪級數的和函數,冪級數在其收斂區間內的基本性質,簡單冪級數和函數的求法,初等函數的冪級數展開式
  • 泰勒級數在高中導數中的應用
    泰勒級數是以於1715年發表了泰勒公式的英國數學家布魯克·泰勒(Sir Brook Taylor)的名字來命名的。通過函數在自變量零點的導數求得的泰勒級數又叫做邁克勞林級數,以蘇格蘭數學家科林·麥克勞林的名字命名。泰勒級數在近似計算中有重要作用。
  • 無窮級數的概念和性質
    無窮級數是高等數學的一個重要組成部分,它是表示函數研究函數的性質以及進行數值計算的一種工具。本章先討論常數項級數,介紹無窮級數的一些基本內容,然後討論函數項級數,著重討論如何將函數展開成冪級數和三角級數的問題。
  • 常數項無窮級數的性質
    所謂的常數項無窮級數,簡而言之,就是數列各項之和。可用下式表示常數項無窮級數:從常數項無窮級數表達式很自然就能延伸出這樣個問題:常數項無窮級數是否收斂?下方的極限將這個問題與數列極限聯繫起來:如果極限S存在,則數列收斂,否則數列發散。其中Sn為部分和數列,即數列的前n項之和。
  • 無窮級數真題講解
    關於無窮級數,專升本數學考試要求包括:(一)數項級數
  • 漫談高數——泰勒級數的物理意義
    泰勒級數的物理意義是什麼?就是把方程g(x)=0的解,寫成曲線方程的形式看看和X軸有什麼交 點。例如f(x)=x^2=5等價於g(x)=x^2-5=0和x軸的交點。而這個曲線交點可以用直線切線的逼近方法(牛頓迭代法)來實現,這就是泰勒級數的物理意義:點+—次切線+2次切線+... + N次切線。每次切線公式的常數,就是泰勒級數第N項的常數。
  • 漫談高數(泰勒級數的物理意義)
    泰勒級數的物理意義是什麼?就是把方程g(x)=0的解,寫成曲線方程的形式看看和X軸有什麼交 點。例如f(x)=x^2=5等價於g(x)=x^2-5=0和x軸的交點。而這個曲線交點可以用直線切線的逼近 方法(牛頓迭代法)來實現,這就是泰勒級數的物理意義:點+—次切線+2次切線+... + N次切線。每次切 線公式的常數,就是泰勒級數第N項的常數。