泰勒级数是用无限项的连加式来表示一个函数。设 f ( x ) f(x) f(x)在 x 0 x_0 x0处具有 n n n阶导数,试找出一个关于 ( x − x 0 ) (x-x_0) (x−x0)的 n n n次多项式
p n ( x ) = a 0 + a 1 ( x − x 0 ) + a 2 ( x − x 0 ) 2 + ⋯ + a n ( x − x 0 ) n p_n(x)=a_0+a_1(x-x_0)+a_2(x-x_0)^2+\cdots+a_n(x-x_0)^n pn(x)=a0+a1(x−x0)+a2(x−x0)2+⋯+an(x−x0)n
来近似表达 f ( x ) f(x) f(x),要求使得 p n ( x ) p_n(x) pn(x)与 f ( x ) f(x) f(x)之差是当 x → x 0 x\rightarrow x_0 x→x0 时比 ( x − x 0 ) n (x-x_0)^n (x−x0)n高阶的无穷小。
设 p n ( x ) p_n(x) pn(x)在 x 0 x_0 x0处的函数值及它的直到 n n n阶导数在 x 0 x_0 x0处的值依次与 f ( x 0 ) , f ′ ( x 0 ) , ⋯ , f ( n ) ( x 0 ) f(x_0), f'(x_0), \cdots, f^{(n)}(x_0) f(x0),f′(x0),⋯,f(n)(x0)相等,即满足
p n ( x 0 ) = f ( x 0 ) , p n ′ ( x 0 ) = f ′ ( x 0 ) , p_n(x_0)=f(x_0), p_n'(x_0)=f'(x_0), pn(x0)=f(x0),pn′(x0)=f′(x0),
p n ′ ′ ( x 0 ) = f ′ ′ ( x 0 ) , ⋯ , p n ( n ) ( x 0 ) = f ( n ) ( x 0 ) , p_n''(x_0)=f''(x_0), \cdots, p_n^{(n)}(x_0)=f^{(n)}(x_0), pn′′(x0)=f′′(x0),⋯,pn(n)(x0)=f(n)(x0),
按这些等式来确定系数 a 0 , a 1 , a 2 , ⋯ , a n a_0, a_1, a_2, \cdots, a_n a0,a1,a2,⋯,an。对 p n ( x ) p_n(x) pn(x)求各阶导数,然后分别代入以上等式,得
a 0 = f ( x 0 ) , 1 ⋅ a 1 = f ′ ( x 0 ) , a_0=f(x_0), 1\cdot a_1=f'(x_0), a0=f(x0),1⋅a1=f′(x0),
2 ! a 2 = f ′ ′ ( x 0 ) , ⋯ , n ! a n = f ( n ) ( x 0 ) 2!a_2=f''(x_0), \cdots , n!a_n=f^(n)(x_0) 2!a2=f′′(x0),⋯,n!an=f(n)(x0)
可得
a 0 = f ( x 0 ) , a 1 = f ′ ( x 0 ) , a 2 = 1 2 ! f ′ ′ ( x 0 ) , ⋯ , a n = 1 n ! f ( n ) ( x 0 ) a_0=f(x_0), a_1=f'(x_0), a_2=\frac{1}{2!}f''(x_0), \cdots, a_n=\frac{1}{n!}f^{(n)}(x_0) a0=f(x0),a1=f′(x0),a2=2!1f′′(x0),⋯,an=n!1f(n)(x0)
由此可得
p n ( x ) = f ( x 0 ) + f ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) + f ′ ′ ( x 0 ) 2 ! ( x − x 0 ) 2 + ⋯ + f ( n ) ( x 0 ) n ! ( x − x 0 ) n p_n(x)=f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0)+\frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2+\cdots+\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n pn(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+⋯+n!f(n)(x0)(x−x0)n
泰勒中值定理1
如果函数 f ( x ) f(x) f(x)在 x 0 x_0 x0处具有 n n n阶导数,那么存在 x 0 x_0 x0的一个领域,对于该邻域内的任一 x x x,有
f ( x ) = f ( x 0 ) + f ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) + f ′ ′ ( x 0 ) 2 ! ( x − x 0 ) 2 + ⋯ + f ( n ) ( x 0 ) n ! ( x − x 0 ) n + R n ( x ) f(x)=f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0)+\frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2+\cdots+\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n+R_n(x) f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+⋯+n!f(n)(x0)(x−x0)n+Rn(x)
其中
R n ( x ) = o ( ( x − x 0 ) n ) R_n(x)=o((x-x_0)^n) Rn(x)=o((x−x0)n)
泰勒中值定理2
如果函数 f ( x ) f(x) f(x)在 x 0 x_0 x0的某个邻域 U ( x 0 ) U(x_0) U(x0)内具有 ( n + 1 ) (n+1) (n+1)阶导数,那么对任一 x ∈ U ( x 0 ) x\in U(x_0) x∈U(x0),有
f ( x ) = f ( x 0 ) + f ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) + f ′ ′ ( x 0 ) 2 ! ( x − x 0 ) 2 + ⋯ + f ( n ) ( x 0 ) n ! ( x − x 0 ) n + R n ( x ) f(x)=f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0)+\frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2+\cdots+\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n+R_n(x) f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+⋯+n!f(n)(x0)(x−x0)n+Rn(x)
其中
R n ( x ) = f ( n + 1 ) ( ζ ) ( n + 1 ) ! ( x − x 0 ) n + 1 R_n(x)=\frac{f^{(n+1)}(\zeta)}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1} Rn(x)=(n+1)!f(n+1)(ζ)(x−x0)n+1
这里 ζ \zeta ζ是 x 0 x_0 x0与 x x x之间的某个值。
二元函数的泰勒级数
如果函数 f ( x , y ) f(x, y) f(x,y)在 ( x 0 , y 0 ) (x_0, y_0) (x0,y0)处具有 n n n阶偏导数,那么存在 ( x 0 , y 0 ) (x_0, y_0) (x0,y0)的一个领域,对于该邻域内的任一 ( x , y ) (x,y) (x,y),有
f ( x , y ) = f ( x 0 , y 0 ) + f x ′ ( x 0 , y 0 ) ( x − x 0 ) + f y ′ ( x 0 , y 0 ) ( y − y 0 ) + f x x ′ ′ ( x 0 , y 0 ) 2 ! ( x − x 0 ) 2 + f x y ′ ′ ( x 0 , y 0 ) 2 ! ( x − x 0 ) ( y − y 0 ) + f y x ′ ′ ( x 0 , y 0 ) 2 ! ( x − x 0 ) ( y − y 0 ) + f y y ′ ′ ( x 0 , y 0 ) 2 ! ( y − y 0 ) 2 ⋯ + R n ( x , y ) \begin{aligned} f(x,y)= & f(x_0, y_0)+ \\ & f_x'(x_0, y_0)(x-x_0)+f_y'(x_0, y_0)(y-y_0)+ \\ & \frac{f_{xx}''(x_0, y_0)}{2!}(x-x_0)^2 + \frac{f_{xy}''(x_0, y_0)}{2!}(x-x_0)(y-y_0) + \frac{f_{yx}''(x_0, y_0)}{2!}(x-x_0)(y-y_0) + \frac{f_{yy}''(x_0, y_0)}{2!}(y-y_0)^2\\ &\cdots + R_n(x, y) \end{aligned} f(x,y)=f(x0,y0)+fx′(x0,y0)(x−x0)+fy′(x0,y0)(y−y0)+2!fxx′′(x0,y0)(x−x0)2+2!fxy′′(x0,y0)(x−x0)(y−y0)+2!fyx′′(x0,y0)(x−x0)(y−y0)+2!fyy′′(x0,y0)(y−y0)2⋯+Rn(x,y)
多元函数的泰勒级数
如果函数 f ( x n ) f(x^n) f(xn)在 x 0 n x_0^n x0n处具有 n n n阶偏导数,其中 n = 1 , 2 , 3 , ⋯ n=1,2,3, \cdots n=1,2,3,⋯,那么存在 x 0 n x_0^n x0n的一个领域,对于该邻域内的任一 x n x^n xn,有
f ( x 1 , x 2 , x 3 , ⋯ , x n ) = f ( x 0 1 , x 0 2 , x 0 3 , ⋯ , x 0 n ) + ∑ i = 1 n ( x i − x 0 i ) f x i ′ ( x 0 1 , x 0 2 , x 0 3 , ⋯ , x 0 n ) + 1 2 ! ∑ i , j = 1 n ( x i − x 0 i ) ( x j − x 0 j ) f i j ′ ′ ( x 0 1 , x 0 2 , x 0 3 , ⋯ , x 0 n ) + R n ( x n ) \begin{aligned} f(x^1, x^2, x^3,\cdots, x^n) = & f(x_0^1, x_0^2, x_0^3,\cdots, x_0^n)+ \\ & \sum_{i=1}^n(x^i-x_0^i)f_{x^i}'(x_0^1, x_0^2, x_0^3,\cdots, x_0^n) + \\ &\frac{1}{2!}\sum_{i,j=1}^n(x^i-x_0^i)(x^j-x_0^j)f_{ij}''(x_0^1, x_0^2, x_0^3,\cdots, x_0^n)+ \\ & R_n(x^n) \end{aligned} f(x1,x2,x3,⋯,xn)=f(x01,x02,x03,⋯,x0n)+i=1∑n(xi−x0i)fxi′(x01,x02,x03,⋯,x0n)+2!1i,j=1∑n(xi−x0i)(xj−x0j)fij′′(x01,x02,x03,⋯,x0n)+Rn(xn)
矢量函数的泰勒展开
对于矢量函数 F ⃗ ( r ⃗ ) \vec{F}(\vec{r}) F(r),可将其看成三元函数 F ⃗ ( x , y , z ) \vec{F}(x, y, z) F(x,y,z),根据上面的多元函数的泰勒级数,可以得到矢量函数的泰勒展开式为
F ⃗ ( r ⃗ ) = F ⃗ ( x , y , z ) = F ⃗ ( x 0 , y 0 , z 0 ) + ( x − x 0 ) ∂ F ⃗ ∂ x + ( y − y 0 ) ∂ F ⃗ ∂ y + ( z − z 0 ) ∂ F ⃗ ∂ z + R n ( x , y , z ) = F ⃗ ( r ⃗ 0 ) + [ ( r ⃗ − r ⃗ 0 ) ⋅ ∇ ] F ⃗ + R n ( r ⃗ ) \begin{aligned} \vec{F}(\vec{r})= &\vec{F}(x,y,z) \\ =&\vec{F}(x_0,y_0,z_0)+(x-x_0)\frac{\partial \vec{F}}{\partial x}+(y-y_0)\frac{\partial \vec{F}}{\partial y}+(z-z_0)\frac{\partial \vec{F}}{\partial z}+R_n(x,y,z) \\ =&\vec{F}(\vec{r}_0) + [(\vec{r}-\vec{r}_0)\cdot \nabla]\vec{F} + R_n(\vec{r}) \end{aligned} F(r)===F(x,y,z)F(x0,y0,z0)+(x−x0)∂x∂F+(y−y0)∂y∂F+(z−z0)∂z∂F+Rn(x,y,z)F(r0)+[(r−r0)⋅∇]F+Rn(r)
将泰勒级数写成矩阵形式
f ( X ) = f ( X 0 ) + [ ∇ f ( X 0 ) ] T + 1 2 ! [ X − X k ] T H ( X 0 ) ( X − X 0 ) + R n ( X ) f(\bm{X})=f(\bm{X}_0)+[\nabla f(\bm{X}_0)]^T+\frac{1}{2!}[\bm{X}-\bm{X}_k]^TH(\bm{X}_0)(\bm{X}-\bm{X}_0)+R_n(\bm{X}) f(X)=f(X0)+[∇f(X0)]T+2!1[X−Xk]TH(X0)(X−X0)+Rn(X)
其中
H ( X 0 ) = [ ∂ 2 f ( X 0 ) ∂ x 1 2 ∂ 2 f ( X 0 ) ∂ x 1 x 2 ⋯ ∂ 2 f ( X 0 ) ∂ x 1 x n ∂ 2 f ( X 0 ) ∂ x 2 x 1 ∂ 2 f ( X 0 ) ∂ x 2 2 ⋯ ∂ 2 f ( X 0 ) ∂ x 2 x n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ ∂ 2 f ( X 0 ) ∂ x n x 1 ∂ 2 f ( X 0 ) ∂ x n x 2 ⋯ ∂ 2 f ( X 0 ) ∂ x n 2 ] H(\bm{X}_0)= \begin{bmatrix} \frac{\partial ^2 f(\bm{X}_0)}{\partial x_1^2} & \frac{\partial ^2 f(\bm{X}_0)}{\partial x_1 x_2} & \cdots & \frac{\partial ^2 f(\bm{X}_0)}{\partial x_1 x_n} \\ \frac{\partial ^2 f(\bm{X}_0)}{\partial x_2 x_1} & \frac{\partial ^2 f(\bm{X}_0)}{\partial x_2^2} & \cdots & \frac{\partial ^2 f(\bm{X}_0)}{\partial x_2 x_n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\partial ^2 f(\bm{X}_0)}{\partial x_n x_1} & \frac{\partial ^2 f(\bm{X}_0)}{\partial x_n x_2} & \cdots & \frac{\partial ^2 f(\bm{X}_0)}{\partial x_n^2} \\ \end{bmatrix} H(X0)=⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎡∂x12∂2f(X0)∂x2x1∂2f(X0)⋮∂xnx1∂2f(X0)∂x1x2∂2f(X0)∂x22∂2f(X0)⋮∂xnx2∂2f(X0)⋯⋯⋱⋯∂x1xn∂2f(X0)∂x2xn∂2f(X0)⋮∂xn2∂2f(X0)⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎤