泰勒展開

回顧以下事實:

如果 是一個在 x = 0 處 n 次可微的函數,則當 x 在 0 「附近」的時候,

現在,如果 在某點 x 0n 次可微, 則考慮函數的平移,就可以將以上敘述改成
如果 是一個在 x 0n 次可微的函數,則當 xx 0 「附近」的時候,

以上的 x 0 被稱為 參考點 (reference point)。

如果想要將上述的「近似」符號換成「等於」,有兩種寫法。 這兩種寫法,通稱為 泰勒展開 (Taylor expansion)。

寫法一:泰勒多項式 + 誤差項

如果 是一個在 x 0 處至少 n 次可微的函數,則



注意,我們悄悄地把多項式的最後一項變成 (x - x0) n-1, 這是因為誤差項 中將會需要 因此不能把它當作 (x - x0) n-1 的係數。

以上的多項式部分,稱為 泰勒多項式 (Taylor polynomial)。

至於誤差項 , 我們先按住不談。也許讀者應該知道, 具有不只一種表達的型式。常見的有兩種型式: 一種積分型式,和一種微分型式。 而且,這兩種型式,都是在泰勒提出這個算法之後 50 年左右才定案的。 所以,對於微積分的初學者而言, 稍微延後幾個月知道這些結果,也不為過。

寫法二:泰勒級數

如果 是一個在 x 0 處無限次可微的函數,則



以上的無窮級數就稱為 泰勒級數 (Taylor series)。 您可以想像他就是一個無窮高階的泰勒多項式。 但是,談到級數,就有極限的問題:收斂、還是發散、還是不存在? 我們現在也不去深究這個問題,只是讀者應該知道, 存在一個稱為 收斂半徑 的非負實數 R, 使得當 x 內部的時候,此級數收斂。 而當 x 外部的時候,此級數發散。

如果對所有實數它都收斂,我們簡寫 。 但是,我們總不忘提醒讀者,這只是個方便的記號。 因為「無窮大」不是一個實數,所以其實不能寫那個等號的。

如果收斂半徑 R 是個實數, 則上述理論中,對於當 或者 的時候,其實並無結論。 對於這兩個點,我們需要針對每一個個案去研究,沒有一般的結果。

在一個正常的一學年理工科微積分課程中, 通常在下學期就會學到收斂半徑 R 的計算法。

泰勒多項式和泰勒級數,其實還有另一種常見的寫法。 我們只舉出多項式 + 部分和的寫法,級數寫法也是類似的。



如果寫成級數型式,則它在 區間內收斂。

舉一個例子。令 則若 x 在 0 的左邊函數根本沒有定義,所以我們不能在 0 的附近做泰勒展開。 但是, x = 1 卻是無限次可微的,我們可以在 x = 1 的附近做泰勒展開。先求 的各次導數如下:



代入泰勒級數的公式,就得到


這個公式或許麻煩了一點,但是只要做一個平移,就得到

\begin{displaymath} \ln(x+1) =
x - \frac{x^2}2 + \frac{x^3}3 - \frac{x^4}4 + \cdots
\end{displaymath}

這就是 x = 0 附近的泰勒展開。 其實,利用無窮等比級數,就可以得到

\begin{displaymath}
\ln(1-x) = -x - \frac{x^2}2 - \frac{x^3}3 - \frac{x^4}4 - \cdots\quad\hbox{for } 0\leq x<1
\end{displaymath}

如果我們可以在上式中的 x 代入 -x,就得到前面的泰勒展開了。 可見,用無窮等比級數所得到的收斂區間並不夠大。 確實的收斂區間是什麼呢?我們直接從圖形來觀察。
ln(x) 在 1 附近 1 階泰勒多項式 ln(x) 在 1 附近 3 階泰勒多項式
   
ln(x) 在 1 附近 5 階泰勒多項式 ln(x) 在 1 附近 7 階泰勒多項式
   
我們已經從無窮等比級數那裡,得知 的泰勒級數在 (-1, 0] 區間內收斂。 再配合以上圖形,讀者不難猜想,收斂半徑應該是 R = 1。 也就是說,當 時,泰勒級數收斂。

那麼,當 x = -1 或 1 的時候是否收斂呢? 如果 x = -1,因為 本身就無意義,所以沒什麼好談的。 至於 x = 1 嘛,有數學定理可以證明它收斂,但是那還要過一陣子才學得到。 現在,我們先用數值計算的結果來看:
nln(x+1) 在 0 附近 n 階泰勒多項式當 x=1 的值
10 0.7456349206349208
100 0.6981721793101957
1000 0.6936474305598229
10000 0.6931971830599594
100000 0.6931521805849820
1000000 0.6931476805602546
由此可見,當 x = 1 時, 的泰勒展開應該是收斂的,所以


\begin{displaymath}
\ln 2 = 1 - \frac12 + \frac13 - \frac14 + \frac15 - \frac16 + \cdots
\end{displaymath}

在十七世紀微積分啟蒙時期,這是一個令人振奮的重要發現。

習題

  1. 觀察




    證明一般而言,對任何正整數 n


    然後證明以下級數


    會發散,也就是說,其總和趨向無窮大。
  2. n 是一個正整數,而 是一個 n 階多項式。請問 以 0 為參考點的 n 階泰勒多項式是什麼?
  3. n 是一個正整數,x 0 是一個實數,而 是一個 n 階多項式。如果


    請寫出 a 0b 0 的關係。
  4. 如果 x 0 處至少 5 次可微。如果


    請寫出 a, b, c, d 分別是多少?
  5. 如果 x 0 處至少 5 次可微。如果


    請寫出 a, b, c, d 分別是多少?
  6. 如果 x 0 處至少 5 次可微。如果


    請寫出 a, b, c, d 分別是多少?
  7. 請推導出 x = 「附近」的六階泰勒多項式。
  8. 請推導出 x = 「附近」的六階泰勒多項式。

Created: Aug 16, 2001
Last Revised: Aug 16, 2001
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