泰勒公式一句話描述:就是用多項式函數去逼近光滑函數。
先來感受一下:
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設
是一個正整數。如果定義在一個包含 的區間上的函數 在 點處 次可導,那麼對於這個區間上的任意 都有: 其中的多項式稱為函數在 處的泰勒展開式, 是泰勒公式的餘項且是 的高階無窮小。泰勒公式的定義看起來氣勢磅礴,高端大氣。如果 的話,就是麥克勞倫公式,即
這個看起來簡單一點,我們下面只討論麥克勞倫公式 ,可以認為和泰勒公式等價。
展開來就是
這些都是常數,我們暫時不管,先看看其中最基礎的組成部分,冪函數有什麼特點。
可以看到,冪函數其實只有兩種形態,一種是關於 軸對稱,一種是關於原點對稱,並且指數越大,增長速度越大。那冪函數組成的多項式函數有什麼特點呢?
怎麼才能讓 和 的圖像特性能結合起來呢?
我們來動手試試看看係數之間如何壓制的:
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通過改變係數,多項式可以像鐵絲一樣彎成任意的函數曲線。送你一顆心(雖然是隱函數,意思一下):
是麥克勞倫展開形式上最簡單的函數,有 就是這麼任性。
增加一個 看看。
增加一個 看看。
可以看出, 不斷的彎曲著那根多項式形成的鐵絲去逼近 。並且 越大,起作用的區域距離0越遠。
是周期函數,有非常多的彎曲,難以想像可以用多項式進行逼近。
同樣的,我們再增加一個 試試。
可以看到 在適當的位置,改變了 的彎曲方向,最終讓 更好的逼近了 。
一圖勝前言,動手看看 的展開吧:
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4 泰勒公式與拉格朗日中值定理的關係
拉格朗日中值定理:如果函數 滿足,在 上連續,在 上可導,那麼至少有一點 使等式 成立。數學定義的文字描述總是非常嚴格、拗口,我們來看下拉格朗日中值定理的幾何意義:
這個和泰勒公式有什麼關係?泰勒公式有個餘項 我們一直沒有提。餘項即使用泰勒公式估算的誤差,即
餘項的代數式是
其中 。是不是看著有點像了?
當 的時候,根據泰勒公式有, ,把拉格朗日中值定理中的 換成 ,那麼拉格朗日中值定理根本就是 時的泰勒公式。結合拉格朗日中值定理,我們來看看 的時候,泰勒公式的幾何意義:
當 的時候,泰勒公式幾何意義很好理解,那麼 呢?
這個問題我是這麼理解的:首先讓我們去想像高階導數的幾何意義,一階是斜率,二階是曲率,三階四階已經沒有明顯的幾何意義了,或許,高階導數的幾何意義不是在三維空間裡面呈現的,穿過更高維的時空才能俯視它的含義。現在的我們只是通過代數證明,發現了高維投射到我們平面上的秘密。
還可以這麼來思考泰勒公式,泰勒公式讓我們可以通過一個點來窺視整個函數的發展,為什麼呢?因為點的發展趨勢蘊含在導數之中,而導數的發展趨勢蘊含在二階導數之中.四不四很有道理啊?
根據「以直代曲、化整為零」的數學思想,產生了泰勒公式。
如上圖,把曲線等分為 份,分別為 ,令 ,..., 。我們可以推出( 可以認為是二階、三階微分,其準確的數學用語是差分,和微分相比,一個是有限量,一個是極限量):
也就是說, 全部可以由 和 決定,這個就是泰勒公式提出的基本思想。據此的思想,加上極限 ,就可以推出泰勒公式。
多項式這種函數是我們可以親近的函數,它們很開放、很坦白,心裡想什麼就說什麼,比如 ,這個多項式會告訴我們想問的任何消息,甚至更多,譬如,我們問:「嘿,老兄,你在4那點的值是多少?」這時 會毫不猶豫的回答:「你把4代進來,就會得到 ,順便告訴你,我最近長了奇怪的疹子,癢的要命,還好這兩天症狀減輕了...」。但是 陰暗、多疑,要是問它:「嗨,你在3的值是多少啊?」你得到的答案可能是:「你要幹什麼?為什麼打聽別人的私事?你以為憑著你那點加減乘除的三腳貓功夫就可以查出我的底細?況且我在3的值是多少,幹你什麼事!」泰勒公式最直接的一個應用就是用於計算,計算機一般都是把 進行泰勒展開進行計算的。
泰勒公式還可以把問題簡化,比如計算 ,代入 的泰勒展開有:
其中 是泰勒公式裡面的餘項,是高階無窮小, 。解題神器有沒有?
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