一、起因
一道题引发的疑问(摘自《复习全书》),为什么使用了麦克劳林展开式,但却代入x=1和-1的值?想来想去,自己并不能准确地解释泰勒展开。
于是需要思考以下问题:什么是展开点、被展开点?二者有什么关系?泰勒展开在这里起了什么作用?为什么要用它?
二、概念理解
- 定义及作用:摘自《高等数学》同济七版。
对于复杂函数,为便于研究,希望用一些简单函数来近似表达。而多项式函数,只需要对自变量进行有限次加、减、乘算术运算,就可求出函数值,所以用多项式近似表达函数。
这个说明我还是不太理解,什么是复杂函数?想了想,这里应该是相比较而言的,比如指数函数 e^x 的运算就比幂函数复杂(其实e就是个很复杂的计算,比如它就是来自于极限或是级数的,扯远了)。
什么叫做有限次算术运算?算术运算是指四则运算,也就是加减乘除,像开方、求对数等等,就是更为复杂的运算。有限次是出于研究效率考虑的,比如求对数也许会有很多位小数。
什么叫做近似表达?就是多项式函数和原来的函数,是有误差的。
泰勒展开,本质上是,用一个多项式函数,去估计或拟合一个复杂函数的过程。
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带配亚诺余项的展开
x_0为展开点,x为被展开点,也就是说,用x0处的泰勒展开,去拟合其邻域范围内(x在x0附近)的某复杂函数的值。反之也可理解为,一个复杂函数 f(x) 的值,用其附近的展开点x0的多项式值去拟合。 -
余项更为精确的展开:
注意,这个 ξ 介于 x0 和 x 间,具体是 x0 < ξ < x 还是 x< ξ <x0,要看被展开点在展开点的左侧右侧。反正,夹在中间。
三、问题思考
进而产生的问题是:能否拟合?拟合误差如何?
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首先,能否拟合,涉及到拟合函数是否在该点存在函数值,也即泰勒级数的敛散性问题。
指路链接:《使用泰勒公式进行估算时,在不同点展开的区别和意义是?》
https://www.zhihu.com/question/23224838
如果可以拟合,那么拟合程度和泰勒展开的阶数有关,阶数越多,对该函数做的修正就越多,就越接近此点的函数值。 -
其次,是否可以用同一个展开点,去拟合任意一个点的函数值?
不一定,看这两个点的距离。有时要依据被展开点的值,去选择展开点,不一定都在0处展开(大部分情况是,因为好算也好出题)。
(1)根据定义,拟合的是 x0 的某邻域内的任意 x 。这个邻域多大,不知道。但说明了 x 在 x0 附近。
(2)这里产生的误差,是在 x→x0 时比 (x→x0)^n 高阶的无穷小。无穷小意味着,x 要趋近 x0,至少要靠近,才能使误差更小。
(3)设想一个极端情况,比如在 x=0 处展开,去拟合 x→∞ 处的函数值,那这个误差还是无穷小吗?(我也回答不了。)但这种情况的误差可能会大于一定值,可能已经超出了研究所能接受的范围,那么这个估计值也没太大意义了。
四、解题
再次看这道题,一般一阶和二阶用中值定理多些,求三阶导也就是在说 试试泰勒吧 !
给了 -1 和 1 的函数值,提醒 这里是两个被展开点 !
那么展开后如何消去一阶导和函数值呢?给了0处的一阶导数值,提醒 在这里了展开 !
而 -1 和 1 是相反数,平方项可相消!
五、小结
看到高阶导(三阶及以上),试试泰勒展开。
展开点不一定等于被展开点,但需要在被展开点附近,以保证可以拟合及较小的误差。
注意观察题目,每个条件都有用啊。
来源:https://blog.csdn.net/weixin_42031518/article/details/98086668