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泰勒公式的推導

生活 更新时间:2024-07-28 09:07:42

我們在研究函數時,難免會遇到很多複雜函數,那麼此時我們就可以用泰勒公式對該函數進行展開,将它化為多項式來方便我們探究性質和計算

我們将形如:

泰勒公式的推導(如何推導函數的泰勒公式)1

的式子叫做函數 帶有皮亞諾餘項的n階泰勒公式。

下面,我們來證明這一公式:

在開始證明之前,我們先考慮兩個引理。

引理一:如果在a的附近有n階導數存在,那麼若

就有

證明:我們想要證明 是 的高階無窮小,那麼我們隻需證明當 趨近于0時, 和 的比值也趨近于0即可。

所以我們考慮極限

因為此時分子分母都趨向于0時符合洛必達法則的條件,所以我們多次使用洛必達進行化簡:

泰勒公式的推導(如何推導函數的泰勒公式)2

所以 是 的高階無窮小證畢。

引理二:如果兩個函數分别記作 ,并且滿足

泰勒公式的推導(如何推導函數的泰勒公式)3

其中 ,那麼就有

證明:我們可以設函數 ,此時發現 滿足引理一的條件,而代入引理一即可證明引理二的結論。

接下來我們利用兩個引理來證明泰勒公式成立:

這裡我們設待展開函數為

我們考慮多項式:

泰勒公式的推導(如何推導函數的泰勒公式)4

我們想要将它和待展開函數滿足引理二中的關系,即:

泰勒公式的推導(如何推導函數的泰勒公式)5

其中

我們對 求導可以發現

接着為了構造出引理二中的形式,我們使 其中

由此得到

通過這個等式得到 ,這樣選擇 可以使得 和 滿足引理二中的條件。

那麼此時的 可以寫成:

泰勒公式的推導(如何推導函數的泰勒公式)6

那麼由引理二可知:

泰勒公式的推導(如何推導函數的泰勒公式)7

由此我們證明對于函數 有皮亞諾餘項的n階泰勒公式成立。

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