一分鐘數學—— sin x 的泰勒展開

2021-01-14 無憂公主的數學時間


大家可能對直角坐標系的接觸比較少,三角函數也可能不能熟練運用,更沒有仔細 「 研究 」 其中的奧秘吧。今天給大家講的 sin x 的泰勒展開,可能會給大家帶來對三角函數不同的印象吧。sin x 的泰勒展開也需要大家對 「 無窮 」 有一定的了解,會用到以前沒有講過的 「 微分 」,所以大家不要害怕 「 複雜  」 的符號哦。下面是一些相關的連結,建議先閱讀一下:


一分鐘數學——婆羅摩笈多定理的第一部分(三角函數的簡單定義)


一分鐘數學——等比數列求和(關於無窮)


覺得泰勒展開很有意思的

——無憂公主




在所有之前,我們來講一個名叫 「 微分 」的東西(雖然這樣稱呼 「 微分 」 可能會生氣的),學過的同學也最好複習一下。在泰勒展開中,由於只有 x,微分也可以看做是求導數(y 跑過來之後,就要把導數踢走了哦)。言歸正傳,一般常數的微分等於 0:(a)'=0,大家順便看一下微分的表示方法,其實和導數沒什麼區別。


x ^ n 的微分等於 n ( x ^ (n-1) ),我覺得挺好記的,就是把指數拽到係數那裡去,然後指數肯定要減 1(都被拽走了嘛)。接下來的兩條微分的性質(「 規則 」)可能並不是所有人都知道。① ( sin x )' = cos x;② ( cos x )' = - sin x。是不是挺神奇的?記得好好利用,泰勒展開中要用哦。




你有沒有想過,sin x 可以如何 「 展開 」?寫成式子就是:



最後以省略號結束,代表 「 無窮 」,需要求的就是 a0,a1,a2,…… 的值,準確地說就是通項公式。然後,我們就可以開始 「 微分 」 了,就是等式兩邊同時、不停地微分下去。左邊的三角函數的微分,其實是四個一循環的:sin x ➜ cos x ➜ - sin x ➜ - cos x,再回到 sin x……我們也會注意到,凡是把右邊微分後,第一項(常數)就為 0 了,也就是可以直接忽略。



真是一件令人高興的事吧,因為這樣一來,等式左邊在有規律地循環著,等式右邊每次都減少一項。當然,x = 0 時等式也會成立,那將 x = 0 帶入,將消去所有 x 指數大於 0 的項(都是 0 啊)。這樣一來,就可以順利求出 a0,a1,a2,……啦,sin 0、cos 0、- sin 0 和 - cos x 分別是 0、+1 、0、-1(顯然的規律)。上面是微分的過程,下面是對於所有係數得到的等式。





說了這麼多,大家都已經能夠順利求出所有的係數了(數列 a 咯),現在來總結一下我們的結果(不能那麼草率地就做完了啊,這個答案顯然不令人滿意,需要有正規的通項公式)。首先,等式左邊是四個一循環,可以從除以 4 的餘數來考慮(分類);然後,等是右邊可以用字母來代替,就是 k! × ak,這裡 k! 代表階乘。所以說,我們可以得到一個看上去漂亮的結果:


如果將係數數列 a 代入,那麼偶數項都會消掉(係數為 0),只剩下一加一減的奇數項了。這就是 泰勒展開(其實泰勒展開有好幾個,這裡只是 sin x 的泰勒展開):



好啦,sin x 的泰勒展開就講到這裡,不過實際上還能延伸出一些其他問題,就不多介紹了。你有沒有想過三角函數有這麼神奇呢?還是微分的功勞吧(雖然你可能還不是特別理解微分,但這並不妨礙我們解決泰勒展開哦)……


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