第 5 讲:微分与 Taylor 公式

Taylor 公式把一个足够光滑的函数在某点附近改写成“多项式 + 误差”。极限计算、近似计算和许多不等式证明因此统一起来。

微分是函数增量的主要线性部分

设

Δy=f(x+Δx)−f(x).\Delta y=f(x+\Delta x)-f(x).

若存在与 Δx\Delta x 无关的 AA,使

Δy=AΔx+o(Δx),\Delta y=A\Delta x+o(\Delta x),

则称 ff 在 xx 可微,并定义

dy=A dx,dx=Δx.dy=A\,dx,\qquad dx=\Delta x.

事实上 A=f′(x)A=f'(x),所以

dy=f′(x) dx.dy=f'(x)\,dx.

这说明可微和可导在一元函数中等价,而微分 dydy 是实际增量 Δy\Delta y 的主要线性部分:

Δy=dy+o(Δx).\Delta y=dy+o(\Delta x).

例如 y=xy=\sqrt x,在 x=4x=4 附近

4+Δx≈2+14Δx.\sqrt{4+\Delta x} \approx 2+\frac14\Delta x.

取 Δx=0.04\Delta x=0.04,得

4.04≈2.01.\sqrt{4.04}\approx2.01.

微分的形式不变性

若 y=f(u)y=f(u)、u=g(x)u=g(x),则

dy=f′(u) du,du=g′(x) dx,dy=f'(u)\,du,\qquad du=g'(x)\,dx,

从而

dy=f′(g(x))g′(x) dx.dy=f'(g(x))g'(x)\,dx.

无论 uu 是自变量还是中间变量,dy=f′(u) dudy=f'(u)\,du 的形式不变。这正是换元积分法可以工作的原因之一。

高阶微分在自变量 xx 时可记为

dny=f(n)(x) dxn.d^ny=f^{(n)}(x)\,dx^n.

若中间变量本身不是线性函数,高阶微分不再简单保持同样形式,不能把一阶微分的直觉机械推广。

Taylor 多项式从哪里来

希望用 nn 次多项式

Pn(x)=a0+a1(x−x0)+⋯+an(x−x0)nP_n(x) =a_0+a_1(x-x_0)+\cdots+a_n(x-x_0)^n

在 x0x_0 附近逼近 ff。要求 PnP_n 与 ff 在 x0x_0 处的函数值和前 nn 阶导数都相同,便得到

ak=f(k)(x0)k!.a_k=\frac{f^{(k)}(x_0)}{k!}.

因此 Taylor 多项式为

Tn(x)=∑k=0nf(k)(x0)k!(x−x0)k.T_n(x) =\sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(x_0)}{k!}(x-x_0)^k.

x0=0x_0=0 时称为 Maclaurin 展开。

带 Peano 余项的 Taylor 公式

若 ff 在 x0x_0 具有 nn 阶导数,则

f(x)=∑k=0nf(k)(x0)k!(x−x0)k+o((x−x0)n).f(x) =\sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(x_0)}{k!}(x-x_0)^k +o\bigl((x-x_0)^n\bigr).

Peano 余项只描述误差相对 (x−x0)n(x-x_0)^n 更高阶,适合求局部极限和比较无穷小。

例如

ln⁡(1+x)=x−x22+x33+o(x3).\ln(1+x) =x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}+o(x^3).

于是

lim⁡x→0ln⁡(1+x)−x+x2/2x3=13.\lim_{x\to0} \frac{\ln(1+x)-x+x^2/2}{x^3} =\frac13.

展开时必须一直写到第一个没有被抵消的项。

带 Lagrange 余项的 Taylor 公式

若 ff 在 x0x_0 与 xx 之间有足够阶的连续导数,则存在介于二者之间的 ξ\xi,使

f(x)=∑k=0nf(k)(x0)k!(x−x0)k+f(n+1)(ξ)(n+1)!(x−x0)n+1.f(x) =\sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(x_0)}{k!}(x-x_0)^k +\frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!} (x-x_0)^{n+1}.

它给出了可估计的误差。若区间上

∣f(n+1)(t)∣≤M,|f^{(n+1)}(t)|\le M,

则

∣Rn(x)∣≤M(n+1)!∣x−x0∣n+1.|R_n(x)| \le\frac{M}{(n+1)!}|x-x_0|^{n+1}.

Peano 余项适合“阶”;Lagrange 余项适合“误差多大、符号是什么”。两者用途不同。

必须熟练的展开

当 x→0x\to0:

ex=1+x+x22!+x33!+⋯+xnn!+o(xn),e^x =1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!} +\cdots+\frac{x^n}{n!}+o(x^n), sin⁡x=x−x33!+x55!−⋯ ,\sin x =x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!} -\cdots, cos⁡x=1−x22!+x44!−⋯ ,\cos x =1-\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!} -\cdots, ln⁡(1+x)=x−x22+x33−⋯+(−1)n−1xnn+o(xn),\ln(1+x) =x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3} -\cdots+(-1)^{n-1}\frac{x^n}{n}+o(x^n), (1+x)α=1+αx+α(α−1)2!x2+⋯ .(1+x)^\alpha =1+\alpha x +\frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2 +\cdots.

这些不是孤立公式。考试中可由各阶导数在 00 的值重新推出来,记住生成方式比死背更可靠。

Taylor 公式求极限

例如

lim⁡x→0ex−1−x−x2/2x3.\lim_{x\to0}\frac{e^x-1-x-x^2/2}{x^3}.

展开

ex=1+x+x22+x36+o(x3),e^x=1+x+\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{6}+o(x^3),

所以极限为 1/61/6。

若分子、分母都要展开,分别找到最低非零阶,再比较阶数:

  • 分子阶数高:极限为 00;
  • 阶数相同:极限是首项系数之比;
  • 分子阶数低:通常发散或趋于无穷。

Taylor 公式证明不等式

证明 x>0x>0 时

0<x−ln⁡(1+x)<x220<x-\ln(1+x)<\frac{x^2}{2}

可在 00 处对 ln⁡(1+x)\ln(1+x) 使用一阶 Lagrange 公式:

ln⁡(1+x)=x−x22(1+θx)2,0<θ<1.\ln(1+x) =x-\frac{x^2}{2(1+\theta x)^2}, \qquad 0<\theta<1.

因此

x−ln⁡(1+x)=x22(1+θx)2,x-\ln(1+x) =\frac{x^2}{2(1+\theta x)^2},

右边为正且小于 x2/2x^2/2。

证明时不要只写“由 Taylor 公式显然”。要指出展开中心、阶数、余项形式,以及如何从余项得到符号或界。

近似计算怎样选阶数

若要求误差不超过 η\eta:

  1. 选展开中心,使 ∣x−x0∣|x-x_0| 尽量小;

  2. 写出 Lagrange 余项;

  3. 在相关区间估计高阶导数上界 MM;

  4. 找最小的 nn 使

    M∣x−x0∣n+1(n+1)!<η.\frac{M|x-x_0|^{n+1}}{(n+1)!}<\eta.

Taylor 多项式给的是局部近似。离展开中心太远时,即使写了很多项,也必须先有余项估计才能保证精度。

易错点

  • 写 o(xn)o(x^n) 时展开中心默认是 00;在 x0x_0 展开应写 o((x−x0)n)o((x-x_0)^n)。
  • Peano 余项不能直接给出具体误差上界。
  • Lagrange 余项中的 ξ\xi 位于 x0x_0 与 xx 之间,不是任意常数。
  • 求极限时展开阶数由抵消情况决定,不是题目中出现几次幂就展开几阶。
  • Taylor 多项式在一点匹配多阶导数,不等于在整个区间都与原函数接近。

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