如何通俗地解释泰勒公式?

如题所述

第1个回答  2023-09-11

泰勒公式一句话描述:就是用多项式函数去逼近光滑函数。

先来感受一下:src=“https://picx.zhimg.com/50/v2-bb282201cc04b2a67a357b47eb8b69d1_720w.jpg?source=1940ef5c”data-caption。

data-size=“normal”data-rawwidth=“640”data-rawheight=“252”data-original-token=“v2-bb282201cc04b2a67a357b47eb8b69d1”class=“origin_image zh-lightbox-thumb”width=“640”。

设nnn是一个正整数。如果定义在一个包含aaa的区间上的函数fff在 aaa点处n+1n+1n+1次可导,那么对于这个区间上的任意xxx都有:

f(x)=∑n=0Nf(n)(a)n!(x−a)n+Rn(x)\displaystyle f(x)=\sum_{n=0}^{N}\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n+R_n(x)\displaystyle f(x)=\sum_{n=0}^{N}\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n+R_n(x)。

其中的多项式称为函数在aaa处的泰勒展开式,Rn(x)R_n(x)R_n(x)是泰勒公式的余项且是(x−a)n(x-a)^n(x-a)^n的高阶无穷小。

维基百科泰勒公式的定义看起来气势磅礴,高端大气。如果a=0a=0a=0的话,就是麦克劳伦公式,即f(x)=∑n=0Nf(n)(0)n!xn+Rn(x)\displaystyle f(x)=\sum_{n=0}^{N}\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n+R_n(x)\displaystyle f(x)。

多项式的函数图像特点∑n=0Nf(n)(0)n!xn\sum_{n=0}^{N}\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n\sum_{n=0}^{N}\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n。展开来就是f(0)+f′(0)x+f″(0)2!x2+⋯+f(n)(0)n!xnf(0)+f'(0)x+\frac{f''(0)这些都是常数。

8c82d846d03b32a50c4fb04579ac621d_720w.jpg?source=1940ef5c”data-caption=“”data-size=“normal”data-rawwidth=“640”data-rawheight=“474”data-original-token=“v2-8c82d846d03b32a50c4fb04579ac621d”class=“origin_image zh-lightbox-thumb”width=“640”data-。

src=“https://pic1.zhimg.com/50/v2-。0b3910e61a1b2499983dfbcdd061dc69_720w.jpg?source=1940ef5c”data-。caption=“”data-size=“normal”data-rawwidth=“640”data-rawheight=“445” src=“https://pic1.zhimg.com/50/v2-。

a9c0c288bcaf19bbc8735d5d1956f49d_720w.jpg?source=1940ef5c”data-caption=“”data-size=“normal”data-rawwidth=“640”data-rawheight=“341”data-original-token=“v2-a9c0c288bcaf19bbc8735d5d1956f49d”class=“origin_image zh-lightbox-thumb”width=“640”data-。

original=“https://picx.zhimg.com/v2-a9c0c288bcaf19bbc8735d5d1956f49d_r.jpg?2b580bbda0467050195968fd12df0700_720w.jpg?source=1940ef5c”data-caption=“”data-size=“normal”data-rawwidth=“640”data-rawheight=“316”data-original-token=“v2-2b580bbda0467050195968fd12df0700”。

class=“origin_image zh-lightbox-thumb”width=“640”data-original=“https://picx.zhimg.com/v2-2b580bbda0467050195968fd12df0700_r.jpg?source=1940ef5c”/>xn\frac{1}{n!}x^n\frac{1}{n!}x^n不断的弯曲着那根多项式形成的铁丝去逼近exe^xe^x。并且nnn越大,起作用的区域距离0越远。

用多项式对sin(x)sin(x)sin(x)进行逼近sin(x)sin(x)sin(x)是周期函数,有非常多的弯曲,难以想象可以用多项式进行逼近。4.泰勒公式与拉格朗日中值定理的关系拉格朗日中值定理:如果函数f(x)f(x)f(x)满足,在[a,b][a,b][a,b]上连续,在(a,b)(a,b)(a,b)上可导。

那么至少有一点θ\theta\theta( a<θ<ba<\theta<ba<\theta<b)使等式f′(θ)=f(a)−f(b)a−bf'(\theta)=\frac{f(a)-f(b)}{a-b}f'(\theta)=\frac{f(a)-f(b)}{a-b}成立。维基百科数学定义的文字描述总是非常严格、拗口。

我们来看下拉格朗日中值定理的几何意义: src=“https://pica.zhimg.com/50/v2-96d6b469b0e82d169d80772934cfbe9f_720w.jpg?source=1940ef5c”data-caption=“”data-size=“normal”data-rawwidth=“640”data-rawheight=“474”。

data-original-token=“v2-96d6b469b0e82d169d80772934cfbe9f”class=“origin_image zh-lightbox-thumb”width=“640”data-original=“https://picx.zhimg.com/v2-96d6b469b0e82d169d80772934cfbe9f_r.jpg?source=1940ef5c”/>这个和泰勒公式有关系。

泰勒公式有个余项Rn(x)R_n(x)R_n(x)我们一直没有提。余项即使用泰勒公式估算的误差,即f(x)−∑n=0Nf(n)(a)n!(x−a)n=Rn(x)\displaystyle f(x)-\sum_{n=0}^{N}\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n=R_n(x)\displaystyle f(x)-\sum_{n=0}^{N}\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n=R_n(x)余项的代数式是。

Rn(x)=f(n+1)(θ)(n+1)!(x−a)(n+1)R_n(x)=\frac{f^{(n+1)}(\theta)}{(n+1)!}(x-a)^{(n+1)}R_n(x)=\frac{f^{(n+1)}(\theta)}{(n+1)!}(x-a)^{(n+1)},其中a<θ<xa<\theta<xa<\theta<x。

是不是看着有点像了?当N=0N=0N=0的时候,根据泰勒公式有,f(x)=f(a)+f′(θ)(x−a)f(x)=f(a)+f'(\theta)(x-a)f(x)=f(a)+f'(\theta)(x-a),把拉格朗日中值定理中的bbb换成xxx,那么拉格朗日中值定理根本就是N=0N=0N=0时的泰勒公式。

74cfc7b6db4c1bacbf597bd49bd2c482_720w.jpg?source=1940ef5c”data-caption=“”data-size=“normal”data-rawwidth=“640”data-rawheight=“474”data-original-token=“v2-74cfc7b6db4c1bacbf597bd49bd2c482”。

class=“origin_image zh-lightbox-thumb”width=“640”data-original=“https://pic1.zhimg.com/v2-74cfc7b6db4c1bacbf597bd49bd2c482_r.jpg?source=1940ef5c”/>当N=0N=0N=0的时候,泰勒公式几何意义很好理解,那么N=1,2N=1,2,\cdots N=1,2,\cdots。

这个问题我是这么理解的:首先让我们去想象高阶导数的几何意义,一阶是斜率,二阶是曲率,三阶四阶已经没有明显的几何意义了,或许,高阶导数的几何意义不是在三维空间里面呈现的,穿过更高维的时空才能俯视它的含义。

现在的我们只是通过代数证明,发现了高维投射到我们平面上的秘密。还可以这么来思考泰勒公式,泰勒公式让我们可以通过一个点来窥视整个函数的发展,为什么呢?因为点的发展趋势蕴含在导数之中,而导数的发展趋势蕴含在二阶导数之中四不四很有道理。

f66b6d94fe09ff389bffbe718b718f72_720w.jpg?source=1940ef5c”data-caption=“”data-size=“normal”data-rawwidth=“640”data-rawheight=“486”data-original-token=“v2-f66b6d94fe09ff389bffbe718b718f72”。

original=“https://picx.zhimg.com/v2-f66b6d94fe09ff389bffbe718b718f72_r.jpg?source=1940ef5c”/>。把曲线等分为nnn份,分别为a1a_1a_1,a2a_2a_2,\cdots\cdots, ana_na_n,令a1=aa_1=aa_1=a, a2=a+Δxa_2=a+\Delta xa_2=a+\Delta x,⋯\cdots\cdots, an=a+(n−1)Δxa_n=a+(n-1)\Delta xa_n=a+(n-1)\Delta x。

我们可以推出(Δ2\Delta^2\Delta^2,Δ3\Delta^3\Delta^3可以认为是二阶、三阶微分,其准确的数学用语是差分,和微分相比,一个是有限量,一个是极限量)(x)也就是说,f(x)全部可以由aaa和Δx\Delta x\Delta x决定,这个就是泰勒公式提出的基本思想。据此的思想,加上极限Δx→0\Delta x\to0\Delta x\to0,就可以推出泰勒公式。

泰勒公式的用处多项式这种函数是我们可以亲近的函数,它们很开放、很坦白,心里想什么就说什么,比如f(x)=2−3xf(x)=2-3xf(x)=2-3x,这个多项式会告诉我们想问的任何消息,甚至更多,譬如,我们问:“嘿,老兄,你在4那点的值是多少?”

这时f(x)f(x)f(x)会毫不犹豫的回答:“你把4代进来,就会得到2−3×4=−102-3\times4=-102-3\times4=-10,顺便告诉你,我最近长了奇怪的疹子,痒的要命,还好这两天症状减轻了...”。

但是ln(x)ln(x)ln(x)阴暗、多疑,要是问它:“嗨,你在3的值是多少啊?”你得到的答案可能是:“你要干什么?为什么打听别人的私事?你以为凭着你那点加减乘除的三脚猫功夫就可以查出我的底细?况且我在3的值是多少,干你什么事!”。

《微积分之倚天宝剑》泰勒公式最直接的一个应用就是用于计算,计算机一般都是把sin(x)sin(x)sin(x)进行泰勒展开进行计算的。泰勒公式还可以把问题简化,比如计算,limx→0sin(x)x\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{sin(x)}{x}\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{sin(x)}{x},代入sin(x)sin(x)sin(x)。

的泰勒展开有:limx→0sin(x)x=limx→0x+o(x3)x=1\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{sin(x)}{x}=\lim_{x\to0}\frac{x+o(x^3)}{x}=1\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{sin(x)}{x}=\lim_{x\to0}\frac{x+o(x^3)}{x}=1。

其中o(x3)o(x^3)o(x^3)是泰勒公式里面的余项,是高阶无穷小,limx→0o(x3)=0\displaystyle\lim_{x\to0}o(x^3)=0\displaystyle\lim_{x\to0}o(x^3)=0。

相似回答