冪級數和泰勒級數、泰勒公式之間的關係

2020-12-04 別跡無涯

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。但如何能用一個近似的多項式函數來表示複雜函數,那就容易多了,泰勒中值定理就此應運而生。

泰勒中值定理的具體內容:

泰勒中值定理中的f(x)的多項式被稱為泰勒公式。

事實上,泰勒中值定理是拉格朗日中值定理的推廣。

2.皮亞諾和拉格朗日餘項

把泰勒中值定理中的多項式再次放到下方,以便於說明:

第一個要明確的概念是泰勒多項式,如上方綠色部分即為函數f(x)在(x-x0)的冪展開的n次泰勒多項式,通常用如下式子表示:

第二個概念就是拉格朗日餘項。考慮上方標橙的部分,在泰勒中值定理中的餘項就是拉格朗日餘項,如下所示:

第三個概念是皮亞諾餘項或稱佩亞諾餘項。當n趨於無窮大時,若下列關係式成立:

則拉格朗日餘項可以簡記為:

此時稱上述餘項表達式為皮亞諾餘項。

3.麥克勞林公式

在泰勒公式中,若x0=0,此時的多項式則稱為麥克勞林公式,根據餘項是拉格朗日餘項還是皮亞諾餘項,對應的多項式則稱為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。

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?

為方便比較,小編再把泰勒公式放在下方:

從形式上來說,泰勒公式是一個有限項,即在點(x-x0)展開的多項式的冪是有限的。

而泰勒級數則是把餘項給捨棄掉,在點(x-x0)展開的多項式的冪則是無限的。泰勒級數如下所示:

同樣,在泰勒級數中,如果x0=0,那麼此時的級數則被稱為麥克勞林級數。麥克勞林級數的形式如下所示:

5.什麼函數能展開?

那麼什麼函數能展開成泰勒級數呢?

小編在第4節時說過,泰勒級數可以簡單視為丟棄掉泰勒公式中的餘項,同時在點(x-x0)展開的多項式的冪趨向無窮大。那麼函數能否展開成泰勒級數,自然就與泰勒公式中的餘項息息相關了。

很多同學容易忽視上述定理,因為考的少。而有的同學卻記了一半,什麼意思呢?就是定理中要求的是在鄰域內,而大家常常記成在某一點具有任意階導數。這是一定要注意的一點哦!

6.麥克勞林展開式

前文已經區分了泰勒級數和麥克勞林級數,那麼什麼是泰勒展開式和麥克勞林展開式呢?

很簡單,就是在相應的級數後面,標註收斂域即可,舉個例子:

最後,小編繪製了下方圖,準確、形象地描述了各個關鍵概念之間的關係,大家可以仔細看看,作為參考。

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