泰勒级数
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在数学中,泰勒级数(英语:Taylor series)用无限项连加式——级数来表示一个函数,这些相加的项由函数在某一点的导数求得。泰勒级数是以于1715年发表了泰勒公式的英國数学家布魯克·泰勒(Sir Brook Taylor)来命名的。通过函数在自变量零点的导数求得的泰勒级数又叫做麦克劳林级数,以苏格兰数学家科林·麦克劳林的名字命名。
拉格朗日在1797年之前,最先提出帶有餘項的現在形式的泰勒定理。实际应用中,泰勒级数需要截断,只取有限项,可以用泰勒定理估算这种近似的误差。一个函数的有限项的泰勒级数叫做泰勒多项式。一个函数的泰勒级数是其泰勒多项式的极限(如果存在极限)。即使泰勒级数在每点都收敛,函数与其泰勒级数也可能不相等。在开区间(或复平面上的开区间)上,与自身泰勒级数相等的函数称为解析函数。
目录
1 定义
2 解析函數
3 常用的函数的麦克劳林序列
3.1 几何级数
3.2 二项式定理
3.3 指数函数和自然对数
3.4 三角函数
3.5 双曲函数
3.6 朗伯W函数
4 多元函数的展开
5 历史
6 與牛頓插值公式的淵源
6.1 差分
6.2 插值公式
6.3 無窮級數
7 参考文献
8 參見
定义
在数学上,对于一个在实数或复数a{displaystyle a}邻域上,以实数作为变量的函数或以复数作为变量的,并且是无穷可微的函数f(x){displaystyle f(x)},它的泰勒级数是以下这种形式的幂级数:
- ∑n=0∞f(n)(a)n!(x−a)n{displaystyle sum _{n=0}^{infty }{frac {f^{(n)}(a)}{n!}}(x-a)^{n}}
这里,n!{displaystyle n!}表示n{displaystyle n}的阶乘,而f(n)(a){displaystyle f^{(n)}(a),!}表示函数f{displaystyle f}在点a{displaystyle a}处的n{displaystyle n}阶导数。如果a=0{displaystyle a=0},也可以把这个级数称为麦克劳林级数。
解析函數
如果泰勒级数对于区间(a−r,a+r){displaystyle (a-r,a+r)}中的所有x{displaystyle x}都收敛并且级数的和等于f(x){displaystyle f(x)},那么我们就称函数f(x){displaystyle f(x)}为解析形的函数(analytic)。一个函数当且仅当(简单地说,“只有在”)能够被表示为幂级数的形式时,才是解析形的函数。通常会用泰勒定理来估计级数的餘项,这样就能够确定级数是否收敛于f(x){displaystyle f(x)}。上面给出的幂级数展开式中的系数正好是泰勒级数中的系数。
以下三个事实可以说明为什么泰勒级数是十分重要的:
- 可以逐项对幂级数的计算微分和积分,因此求和函数相对比较容易。
- 数学家因此能够在复数平面上研究函数,因为一个解析函数,也可以被定义为在复平面中一个开放的区间内的解析函数(在区间内每一个点上都能被微分的函数)。
- 可用泰勒级数估计,在某一点上函数会计算出什么值。
对于一些无穷的可以被微分函数f(x){displaystyle f(x)},虽然它们的展开式会收敛,但是并不等于f(x){displaystyle f(x)}。例如,分段函数f(x)=exp(−1x2){displaystyle f(x)=exp left(-{frac {1}{x^{2}}}right)},如果x≠0{displaystyle xneq 0}并且f(0)=0{displaystyle f(0)=0},则x=0{displaystyle x=0}时所有的导数都为零,所以这个f(x){displaystyle f(x)}的泰勒级数为零,且其收敛半径为无穷大,不过函数f(x){displaystyle f(x)}仅在x=0{displaystyle x=0}处为零。但是,在以复数作为变量的函数中这个问题并不存在,因为当z{displaystyle z}沿虚轴趋于零,exp(−1z2){displaystyle exp left(-{frac {1}{z^{2}}}right)}并不趋于零。
如果一个函数在某处引发一个奇点,它就无法被展开为泰勒级数,不过如果变量x{displaystyle x}是负指数幂的话,我们仍然可以将其展开为一个级数。例如,虽然在x=0{displaystyle x=0}的时候,f(x)=exp(−1x2){displaystyle f(x)=exp left(-{frac {1}{x^{2}}}right)}会引发奇点,但仍然能够把这个函数展开为一个洛朗级数。
最近,专家们发现了一个用泰勒级数来求解微分方程的方法——Parker-Sochacki method[1]。用皮卡反覆運算便可以推导出这个方法。
常用的函数的麦克劳林序列
下面我们给出了几个重要的泰勒级数。当变量x{displaystyle x}是复数时,这些等式依然成立。
几何级数
几何级数
- 11−x=∑n=0∞xn∀x:|x|<1{displaystyle {frac {1}{1-x}}=sum _{n=0}^{infty }x^{n}quad forall x:left|xright|<1}
二项式定理
二项式定理
- (1+x)α=∑n=0αC(α,n)xn∀x:|x|<1,∀α∈C{displaystyle (1+x)^{alpha }=sum _{n=0}^{alpha }C(alpha ,n)x^{n}quad forall x:left|xright|<1,forall alpha in mathbb {C} }
- 二项式展开中的C(α,n){displaystyle C(alpha ,n)}是二项式系数。
指数函数和自然对数
以e{displaystyle e}为底数的指数函数的麦克劳林序列是
ex=∑n=0∞xnn!∀x{displaystyle e^{x}=sum _{n=0}^{infty }{frac {x^{n}}{n!}}quad forall x} (对所有X都成立)
以e{displaystyle e}为底数的自然对数的麦克劳林序列是
ln(1+x)=∑n=1∞(−1)n+1nxn∀x∈(−1,1]{displaystyle ln(1+x)=sum _{n=1}^{infty }{frac {(-1)^{n+1}}{n}}x^{n}quad forall xin (-1,1]} (对于在区间(-1,1]内所有的X都成立)
三角函数
常用的三角函数可以被展开为以下的麦克劳林序列:
- sinx=∑n=0∞(−1)n(2n+1)!x2n+1=x−x33!+x55!−⋯∀xcosx=∑n=0∞(−1)n(2n)!x2n=1−x22!+x44!−⋯∀xtanx=∑n=1∞B2n(−4)n(1−4n)(2n)!x2n−1=x+x33+2x515+⋯∀x:|x|<π2secx=∑n=0∞(−1)nE2n(2n)!x2n=1+x22+5x424+⋯∀x:|x|<π2arcsinx=∑n=0∞(2n)!4n(n!)2(2n+1)x2n+1=x+x36+3x540+⋯∀x:|x|≤1arccosx=π2−arcsinx=π2−∑n=0∞(2n)!4n(n!)2(2n+1)x2n+1=π2−x−x36−3x540+⋯∀x:|x|≤1arctanx=∑n=0∞(−1)n2n+1x2n+1=x−x33+x55−⋯∀x:|x|≤1, x≠±i{displaystyle {begin{aligned}sin x&=sum _{n=0}^{infty }{frac {(-1)^{n}}{(2n+1)!}}x^{2n+1}&&=x-{frac {x^{3}}{3!}}+{frac {x^{5}}{5!}}-cdots &&forall x\[6pt]cos x&=sum _{n=0}^{infty }{frac {(-1)^{n}}{(2n)!}}x^{2n}&&=1-{frac {x^{2}}{2!}}+{frac {x^{4}}{4!}}-cdots &&forall x\[6pt]tan x&=sum _{n=1}^{infty }{frac {B_{2n}(-4)^{n}left(1-4^{n}right)}{(2n)!}}x^{2n-1}&&=x+{frac {x^{3}}{3}}+{frac {2x^{5}}{15}}+cdots &&forall x:|x|<{frac {pi }{2}}\[6pt]sec x&=sum _{n=0}^{infty }{frac {(-1)^{n}E_{2n}}{(2n)!}}x^{2n}&&=1+{frac {x^{2}}{2}}+{frac {5x^{4}}{24}}+cdots &&forall x:|x|<{frac {pi }{2}}\[6pt]arcsin x&=sum _{n=0}^{infty }{frac {(2n)!}{4^{n}(n!)^{2}(2n+1)}}x^{2n+1}&&=x+{frac {x^{3}}{6}}+{frac {3x^{5}}{40}}+cdots &&forall x:|x|leq 1\[6pt]arccos x&={frac {pi }{2}}-arcsin x\&={frac {pi }{2}}-sum _{n=0}^{infty }{frac {(2n)!}{4^{n}(n!)^{2}(2n+1)}}x^{2n+1}&&={frac {pi }{2}}-x-{frac {x^{3}}{6}}-{frac {3x^{5}}{40}}+cdots &&forall x:|x|leq 1\[6pt]arctan x&=sum _{n=0}^{infty }{frac {(-1)^{n}}{2n+1}}x^{2n+1}&&=x-{frac {x^{3}}{3}}+{frac {x^{5}}{5}}-cdots &&forall x:|x|leq 1, xneq pm iend{aligned}}}
- 在tan(x){displaystyle tan(x)}展开式中的Bk是伯努利数。在sec(x){displaystyle sec(x)}展开式中的Ek是欧拉数。
双曲函数
双曲函数
- sinhx=∑n=0∞1(2n+1)!x2n+1∀x{displaystyle sinh x=sum _{n=0}^{infty }{frac {1}{(2n+1)!}}x^{2n+1}quad forall x}
- coshx=∑n=0∞1(2n)!x2n∀x{displaystyle cosh x=sum _{n=0}^{infty }{frac {1}{(2n)!}}x^{2n}quad forall x}
- tanhx=∑n=1∞B2n4n(4n−1)(2n)!x2n−1∀x:|x|<π2{displaystyle tanh x=sum _{n=1}^{infty }{frac {B_{2n}4^{n}(4^{n}-1)}{(2n)!}}x^{2n-1}quad forall x:left|xright|<{frac {pi }{2}}}
- sinh−1x=∑n=0∞(−1)n(2n)!4n(n!)2(2n+1)x2n+1∀x:|x|<1{displaystyle sinh ^{-1}x=sum _{n=0}^{infty }{frac {(-1)^{n}(2n)!}{4^{n}(n!)^{2}(2n+1)}}x^{2n+1}quad forall x:left|xright|<1}
- tanh−1x=∑n=0∞12n+1x2n+1∀x:|x|<1{displaystyle tanh ^{-1}x=sum _{n=0}^{infty }{frac {1}{2n+1}}x^{2n+1}quad forall x:left|xright|<1}
tanh(x){displaystyle tanh(x)}展开式中的Bk是伯努利数。
朗伯W函数
朗伯W函数
- W0(x)=∑n=1∞(−n)n−1n!xn∀x:|x|<1e{displaystyle W_{0}(x)=sum _{n=1}^{infty }{frac {(-n)^{n-1}}{n!}}x^{n}quad forall x:left|xright|<{frac {1}{e}}}
多元函数的展开
泰勒级数可以推广到有多个变量的函数:
∑n1=0∞⋯∑nd=0∞∂n1+⋯+nd∂x1n1⋯∂xdndf(a1,⋯,ad)n1!⋯nd!(x1−a1)n1⋯(xd−ad)nd{displaystyle sum _{n_{1}=0}^{infty }cdots sum _{n_{d}=0}^{infty }{frac {partial ^{n_{1}+cdots +n_{d}}}{partial x_{1}^{n_{1}}cdots partial x_{d}^{n_{d}}}}{frac {f(a_{1},cdots ,a_{d})}{n_{1}!cdots n_{d}!}}(x_{1}-a_{1})^{n_{1}}cdots (x_{d}-a_{d})^{n_{d}}}
历史
希腊哲学家芝诺在考虑了利用无穷级数求和来得到有限结果的问题,得出不可能的结论 - 芝诺悖论。后来,亚里士多德对芝诺悖论在哲学上进行了反驳,但德谟克利特以及后来的阿基米德进行研究,此部分数学内容才得到解决。 正是用了阿基米德的穷举法才使得一个无穷级数被逐步的细分,得到了有限的结果。[2].几个世纪之后,中国数学家刘徽也独立提出了类似的方法。[3]
进入14世纪,马德哈瓦最早使用了泰勒级数以及相关的方法[4]。尽管他的数学著作没有流传下来,但后来印度数学家的著作表明他发现了一些特殊的泰勒级数,这些级数包括正弦、余弦、正切、和反正切三角函数等等。之后,喀拉拉学派在他的基础上进行了一系列的延伸与合理逼近,这些工作一直持续到16世纪。
到了17世纪,詹姆斯·格雷果里同样继续着这方面的研究并且发表了若干麦克劳林级数。但是直到1715年,布鲁克·泰勒 [5] 提出了一个通用的方法来构建适用于所有函数的此类列级数。这就是后来被人们所熟知的泰勒级数。
麦克劳林级数是泰勒级数的特例,是爱丁堡大学的科林·麦克劳林教授在18世纪发表的,并以其名字命名。
與牛頓插值公式的淵源
牛頓插值公式也叫做牛頓級數,由“牛頓前向差分方程”的項組成,得名於伊薩克·牛頓爵士,最早发表为他在1687年出版的《自然哲學的數學原理》中第三編“宇宙體系”的引理五[6],此前詹姆斯·格雷果里於1670年和牛頓於1676年已經分別獨立得出這個成果。一般稱其為連續“泰勒展開”的離散對應。
差分
對於x值間隔為非一致步長,牛頓計算均差,對x值間隔為單位步長1或一致但非單位量的情況,計算差分,前向差分的定義為:
- Δh1[f](x)=f(x+h)−f(x)Δhn[f](x)=Δhn−1[f](x+h)−Δhn−1[f](x){displaystyle {begin{aligned}Delta _{h}^{1}[f](x)&=f(x+h)-f(x)\Delta _{h}^{n}[f](x)&=Delta _{h}^{n-1}[f](x+h)-Delta _{h}^{n-1}[f](x)\end{aligned}}}
插值公式
牛頓插值公式為:
- f(x)=f(a)+x−ah(Δh1[f](a)+x−a−h2h(Δh2[f](a)+⋯))=f(a)+∑k=1nΔhk[f](a)k!hk∏i=0k−1((x−a)−ih){displaystyle {begin{aligned}f(x)&=f(a)+{frac {x-a}{h}}left(Delta _{h}^{1}[f](a)+{frac {x-a-h}{2h}}left(Delta _{h}^{2}[f](a)+cdots right)right)\&=f(a)+sum _{k=1}^{n}{frac {Delta _{h}^{k}[f](a)}{k!h^{k}}}prod _{i=0}^{k-1}((x-a)-ih)\end{aligned}}}
這成立於任何多項式函數和大多數但非全部解析函數。這裡的表達式
- (xk)=(x)kk!(x)k=x(x−1)(x−2)⋯(x−k+1){displaystyle {x choose k}={frac {(x)_{k}}{k!}}quad quad (x)_{k}=x(x-1)(x-2)cdots (x-k+1)}
是二項式係數,其中的(x)k是“下降階乘冪”,空乘積(x)0被定義為1。
無窮級數
牛頓在1665年得出並在1671年寫的《流數法》中發表了ln(1+x){displaystyle ln(1+x)}的無窮級數,在1666年得出了arcsin(x){displaystyle arcsin(x)}和arctan(x){displaystyle arctan(x)}的無窮級數,在1669年的《分析學》中發表了sin(x){displaystyle sin(x)}、cos(x){displaystyle cos(x)}、arcsin(x){displaystyle arcsin(x)}和ex{displaystyle e^{x}}的無窮級數;萊布尼茨在1673年大概也得出了sin(x){displaystyle sin(x)}、cos(x){displaystyle cos(x)}和arctan(x){displaystyle arctan(x)}的無窮級數。布魯克·泰勒在1715年著作《Methodus Incrementorum Directa et Inversa》中研討了有限差分方法,其中論述了他在1712年得出的泰勒定理,這個成果此前詹姆斯·格雷果里在1670年和萊布尼茨在1673年已經得出,而約翰·伯努利在1694年已經在《教師學報》發表。
他對牛頓的均差分的步長取趨於0{displaystyle 0}的極限,得出:
- f(x)=f(a)+limh→0∑k=1∞Δhk[f](a)k!hk∏i=0k−1((x−a)−ih)=f(a)+∑k=1∞dkdxkf(a)(x−a)kk!{displaystyle {begin{aligned}f(x)&=f(a)+lim _{hto 0}sum _{k=1}^{infty }{frac {Delta _{h}^{k}[f](a)}{k!h^{k}}}prod _{i=0}^{k-1}((x-a)-ih)\&=f(a)+sum _{k=1}^{infty }{frac {d^{k}}{dx^{k}}}f(a){frac {(x-a)^{k}}{k!}}\end{aligned}}}
参考文献
^ James S. Sochacki. The Modified Picard Method for Solving Arbitrary Ordinary and Initial Value Partial Differential Equations. James Madison University. [2008-05-02] (英语). [永久失效連結]
^ Kline, M. (1990) Mathematical Thought from Ancient to Modern Times. Oxford University Press. pp. 35-37
^ 吴文俊 《中国数学史大系》第三卷 367页
^ Neither Newton nor Leibniz - The Pre-History of Calculus and Celestial Mechanics in Medieval Kerala. MAT 314. Canisius College. [2006-07-09]. (原始内容存档于2006-08-06).
^ Taylor, Brook, Methodus Incrementorum Directa et Inversa [Direct and Reverse Methods of Incrementation] (London, 1715), pages 21-23 (Proposition VII, Theorem 3, Corollary 2). Translated into English in D. J. Struik, A Source Book in Mathematics 1200-1800 (Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press, 1969), pages 329-332.
^ Newton, Isaac, (1687). Principia, Book III, Lemma V, Case 1
參見
- 無窮級數
- 牛頓多項式
- 冪級數
- 光滑函數
- 帕德近似
- 泰勒公式