泰勒級數經典之作:有關泰勒級數前幾項的幾何原理

2020-12-28 電子通信和數學

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

我們為了得到更精確的結果,就需要考慮紅色近似三角形的面積,我們取如下的增量(x-a),三角形的底就是(x-a),高為:斜率X*底(x-a)

我們將高換成導數的形式:H=面積f(x)在a點的二階導數,如下圖所示

所以黃色三角形的面積就是:底X高X1/2,如下圖所示

這就和泰勒級數或麥克勞林級數的二次項一樣了,

我們已經知道了點a附件的導數信息,所以面積f(X)=黃色矩形面積+近似三角形面積+藍色區域面積,黃色矩形的面積是關於一階導數

所以就得到泰勒級數二次項以下各項的幾何原理

備註:思路和圖片取自3blue1brown,大家有興趣可以去學習下完整的視頻。

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