无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)

我们学习泰勒级数目的,就是为了在某个点附近用多项式近似其他函数,这样逼近函数的多项式要比函数本身更加有意义,既可以积分 又可以求导,还可以观察它的的特性。

我们以cosx为例,用三项式来逼近它

无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)(1)

首先很容易得到:x=0时,C0=1

多项式曲线在x=0处,还是可以来回摇摆,所以继续定义在x=0处的斜率得到C1=0

无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)(2)

虽然定义了x=0处的斜率,但是多项式曲线还可以上来活动,所以继续定义x=0处的二阶导数:

无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)(3)

这样在二阶导数斜率为负,曲线开口朝下,这样曲线在x=0点和cosx更加吻合

无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)(4)

最终得到仅有三项的逼近COSx的多项式

无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)(5)

我们可以用x=0附件的数值 例如0.1,0.2来验证,与实际的COSX非常接近,所以是成功的

c0负责多项式在x=0时与cos0的值一致。

c1负责多项式x=0时与cos0处的导数一致(不可左右摇摆)(斜率一致)

c2负责多项式x=0时与cos0处的二阶导数一致(不可上下摇摆)

这样使得曲线在cosx附近变化时,尽可能的逼近cosx。

为了使得曲线在x更远的地方也能逼近cosx,需要不断增加项数,这样就要不断的对cosx求导。

无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)(6)

你会发现,随着项数的增加,增加的高次项并不会影响低次项。这点很重要,这是因为在求高次项系数的时候,前面的x都等于0

无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)(7)

多项式任意阶导数在x=0的值,都是唯一的一个系数来控制。这样我们就得到了cosx函数的泰勒多项式。

无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)(8)

同理最终得到任意函数在x=0时的泰勒多项式。

无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)(9)

我们来分析他们的几何意义:

无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)(10)

首先假设多项式f(x)代表面积

无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)(11)

f(x)的在a处一阶导数就是曲线上在a点的纵坐标,f(x)的在a处二阶导数就是曲线在a点的斜率,所以得到图中的等式。这就是他的几何意义

无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)(12)

注意:

泰勒级数不是对所有的函数都能很好的逼近,如下Inx函数的泰勒级数,在x取值超出一定范围后就上下乱跳,所以x的取值不能延伸更广的范围,必须定义它的收敛半径。

无穷级数的基本知识(趣谈无穷级数的终结者)(13)

但对e^x的泰勒级数就不存在这个问题,能很好的和e^x吻合。

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