1、為什么要學泰勒公式?
泰勒公式剛碰到時,總覺得一頭霧水,一大串數字,把一個簡簡單單的初等函數描述出來,這樣豈不是很復雜?在進一步理解泰勒公式之后,我覺得泰勒公式還是非常有用的,單單就我個人認為,當然涉及到其它許多領域也有它的身影,只不過就筆者一個備考的人來說,目前只認識到他在數學方面上的意義而已。
比如我們通常認識的sinx,e^x,cosx,tanx。這些初等函數似乎很簡單,但是不要忘了,我們從初中以來,只會計算它的一些特殊角的值,比如30,0,60度這些特殊角,后來進一步學了更深層次的sin2x,cos2x,使我們可以計算15,105度諸如此類的特殊角,相比初中時期的我們來說,我們有所進步,但是對於角度為2,3,4這些等等的更具一般意義的角度我們就熟手無策了!
這個時候泰勒公式就出現了,泰勒公式的思想就在於:用多項式去擬合一個函數圖像(說白了就是拿這些多項式去近似代表一個函數),就拿e^x,sinx這些來說,可以通過一些簡簡單單的,帶有不同系數的冪函數進行累加表示。
2、泰勒公式
(1)泰勒公式:

(相應的,X0=0時,稱為麥克勞林公式)
麥克勞林公式:

就像上面的這個式子所示,它只涉及到了簡單的冪函數的加和運算,就把一些抽象的初等函數,諸如sinx,cosx,e^x,轉化為泰勒公式的形式(冪函數求和),這在電腦編程也化抽象為具體,容易實現。
這里給出泰勒公式的各項系數的推導:

此處的C就是系數,我們通過推導,可以知道,泰勒公式的每個系數都與原函數的導數有關,即我們的多項式的各階導數都與原函數相同,這樣我們擬合的函數就可以近似代表原函數了。
(2)對應的例子:
下面均用麥克勞林公式舉例,因為麥克勞林公式,是X0=0,即泰勒公式的特殊形式。特殊形式更容易理解,理解完特殊形式,再思考一般形式就比較好理解了。
先來說一下,冪函數的和(即多項式求和)為什么可以去表示任何一個函數。
《1》先看兩幅圖:


上面兩幅圖,實際上說明了,所有冪函數都只有兩種形式,一種是關於y對稱,另一種是關於原點對稱。
《2》繼續看兩幅圖

這里可以看出,比較高次的冪函數,總體上遠遠超過低次函數的變化程度。當兩個系數一致,次數不同的冪函數相加時,低次函數總會被壓制。

這里可以看出,通過改變系數,不同次數的冪函數圖像會先呈現低次冪函數的特性,再隨着X變量增大,呈現高次冪函數的特性。
拿e^x通過麥克勞林(在0處展開的泰勒公式)展開看看:



可以看到展開的項越多,越精確。
再看看sinx


隨着項數的增加也是越來越靠近。
總結:
(1)上面的圖像都是麥克勞林公式展開的情況。也就是泰勒公式在0處展開。一般的,我們可以在任意位置張開,即f(X),X取任意值,得到一般的泰勒公式。
(2)泰勒公式在用於求函數值的時候,即X趨近於某個數時,擬合效果(近似效果還是挺好的),拿考研舉例,一般是用於求函數在自變量趨於某個數的值,此時使用泰勒公式求得的值就行帶入就很准確;
(3)如果泰勒公式在擬合一些比較變態的函數圖像,必須保證展開的n次項足夠大,在一定范圍內才能准確表示。
3.泰勒公式的誤差
上面說了很多泰勒公式的項,卻沒說到誤差,因為泰勒公式我們主要用來近似一個函數,所以誤差就是公式后面的 Rn(X)。
它怎么計算呢?
<1>先看看拉格朗日中值定理:

說白了就是,有一個函數f(X)在【a,b】連續,(a,b)上可導,那么把a,b連起來,直線ab的斜率k,在【a,b】區域內可以找到一個導數,使得這個導數 f'(x)=k



這個就是當我們用一個項數去近似函數的時候,誤差就為
。
類似的當擴大項數時,誤差為:

再加一點。

到這里就完結了。
我真的是對比先人望塵莫及,先人可以想到這么棒的方法,我單單是理解,學着用就死了多少腦細胞了……

