若函数 f(x) 在点 x0 处可导,即
x→x0limx−x0f(x)−f(x0)=f′(x0)也可表示为
x→x0limx−x0f(x)−f(x0)−f′(x0)=0整理得
x→x0limx−x0f(x)−f(x0)−f′(x0)(x−x0)=0因此,
f(x)−f(x0)−f′(x0)(x−x0)=o(x−x0)(x→x0)移项整理得
f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+o(x−x0)(x→x0)这说明在点 x0 附近,我们可用一次多项式 f(x0)+f′(x0)(x−x0) 近似函数 f(x),其误差 (x−x0) 为高阶无穷小。然而,这样的近似有时较为粗糙,误差相对较大。因此,我们自然会想:能否用 n 次多项式来近似 f(x),使得误差达到 o((x−x0)n)。
对于多项式函数
fn(x)=a0+a1(x−x0)+a2((x−x0)2)+...+an((x−x0)n)依次在 x0 处求导,可得
fn(x0)=a0fn′(x0)=a1fn′′(x0)=2!a2...fn(n)(x0)=n!an因此,
a0=fn(x0)a1=1!fn′(x0)a2=2!fn′′(x0)an=n!fn(n)(x0)由此可见,多项式函数 fn(x) 的系数由其函数在点 x0 处的各阶导数唯一确定。这一事实启发我们:对于一般的函数 f(x),若 f(x) 在点 x0 处具有直到 n 阶的导数,那么这些导数唯一确定一个 n 次多项式
Tn(x)=f(x0)+1!f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+...+n!f(n)(x0)(x−x0)n该多项式称为函数 f(x) 在点 x0 处的 Taylor 多项式(泰勒多项式),而 Tn(x) 的系数
k!f(k)(x0)(k=1,2,...,n)称为 Taylor 系数(泰勒系数)。
显然,函数 f(x) 与其 Taylor 多项式 Tn(x) 在点 x0 处具有相同的函数值以及直到 n 阶的各阶导数,即
f(k)(x0)=Tn(k)(x0), k=0,1,2,...,n.回到我们的猜想:能否证明 f(x)=Tn(x)+o((x−x0)n)?若此式成立,则用 Taylor 多项式 Tn(x) 近似函数 f(x) 时,误差将恰如所愿,即误差项为比 (x−x0)n 更高阶的无穷小。
定理:若函数 f(x) 在点 x0 处具有直到 n 阶的导数,则
f(x)=Tn(x)+o((x−x0)n)即
f(x)=f(x0)+1!f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+...+n!f(n)(x0)(x−x0)n+o((x−x0)n)证明:设
Rn(x)=f(x)−Tn(x)Qn(x)=(x−x0)n需证明
x→x0limQn(x)Rn(x)=0由于
f(k)(x0)=Tn(k)(x0), k=0,1,2,...,n.因此,
Rn(x0)=Rn′(x0)=...=Rn(n)(x0)=0且
Qn(x0)=Qn′(x0)=...=Qn(n−1)(x0)=0Qn(n)(x0)=n!因为 f(n)(x0) 存在,
故在 x0 的某邻域 U(x0) 内,f(x) 具有 (n−1) 阶导数 f(n−1)(x)。
因此,当 x∈Uo(x0) 且 x→x0 时,反复应用 L'Hôpital 法则 n−1 次,可得
x→x0limQn(x)Rn(x)=x→x0limQn′(x)Rn′(x)=...=x→x0limQn(n−1)(x)Rn(n−1)(x)=x→x0limn(n−1)⋅⋅⋅2(x−x0)f(n−1)(x)−f(n−1)(x0)−f(n)(x0)(x−x0)=n!1x→x0lim[x−x0f(n−1)(x)−f(n−1)(x0)−f(n)(x0)]=0上述定理所证得的表达式称为函数 f(x) 在 x0 处的 Taylor 公式。由于其余项
Rn(x)=f(x)−Tn(x)=o((x−x0)n)故又称其为带 Peano 余项的 Taylor 公式。因此,这一表达式也被称为带 Peano 余项的 Taylor 公式。
注:带 Peano 余项的 Taylor 公式是一个定性表达式。虽然该式对 f(x) 的整个定义域都成立,但其余项仅在点 x0 附近才有意义,因此这一表达式的应用有很大的局限性。
为了克服上述 Taylor 公式只能对函数作定性分析的不足,我们需要一个更为精确的定量表达式来刻画函数 f(x)。定量表达式能更准确地刻画用多项式函数近似函数 f(x) 时的误差范围。
定理(Taylor 定理):若函数 f(x) 在 [a,b] 上具有直到 n 阶的连续导数,且在 (a,b) 上具有 (n+1) 阶导数,则对任意给定的 x,x0∈[a,b],在 (a,b) 内至少存在一点 ξ,使得
f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+⋯+n!f(n)(x0)(x−x0)n+(n+1)!f(n+1)(ξ)(x−x0)n+1分析:由定理的条件可以看出,在 [a,b] 上可对函数 f(x) 与 (x−x0)n+1 「反复」使用微分中值定理,因此证明的思路是利用中值定理。
证明:设
F(x)=f(x)−[f(x0)+f′(x0)(x−x0)+⋯+n!f(n)(x0)(x−x0)n]G(x)=(x−x0)(n+1)x,x0∈[a,b]要证明
G(x)F(x)=(n+1)!f(n+1)(ξ),ξ∈(a,b)显然,F(x) 与 G(x) 在 [a,b] 上都具有直到 n 阶的连续导数,且在 (a,b) 上具有 (n+1) 阶导数。此外,F(x0)=F′(x0)=⋯=F(n)(x0)=0,G(x0)=G′(x0)=⋯=G(n)(x0)=0,且 G(n+1)(x)=(n+1)!。因此,
G(x)F(x)=G(x)−G(x0)F(x)−F(x0)=G′(ξ1)F′(ξ1)=G′(ξ1)−G′(x0)F′(ξ1)−F′(x0)=G′′(ξ2)F′′(ξ2)=…=G(n)(ξn)F(n)(ξn)=G(n)(ξn)−G(n)(x0)F(n)(ξn)−F(n)(x0)=G(n+1)(ξ)F(n+1)(ξ)=(n+1)!f(n+1)(ξ),ξ∈(a,b)证毕。
注:Taylor 定理也可作如下等价表述:若 f(x) 在 x0 的某邻域 U(x0) 内具有 (n+1) 阶导数,则对该邻域内任一点 x,有
f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+⋯+n!f(n)(x0)(x−x0)n+(n+1)!f(n+1)(ξ)(x−x0)n+1,ξ∈(a,b)这一等价表述可能更易于记忆。
其余项
Rn(x)=(n+1)!f(n+1)(ξ)(x−x0)n+1称为 Lagrange 余项,因此 Taylor 定理也称带 Lagrange 余项的 Taylor 公式。
此外,由 Taylor 定理的条件可以看出,与 Taylor 公式(仅要求在点 x0 处存在 n 阶导数)相比,其使用条件要苛刻得多,因而所得的结论也更强。Taylor 定理可用于用多项式函数对函数 f(x) 作定量近似。
Taylor 级数与前面提到的两个数学概念相比,在数学分析中出现的较晚,因为它需要以级数、幂级数与函数项级数的知识为基础。由于级数与函数项级数的知识并非本文的重点,感兴趣的读者可参阅任意一本数学分析教材作进一步学习。此处我们只给出与 Taylor 级数密切相关的内容,重点放在幂级数上。
幂级数是函数项级数中形式最简单的一类,由函数列 {an(x−x0)n} 生成:
n=0∑∞an(x−x0)n=a0+a1(x−x0)+a2(x−x0)2+⋯+an(x−x0)n+…为简化形式,我们仅讨论 x0=0 的情形:
n=0∑∞anxn=a0+a1x+a2x2+⋯+anxn+…相应地,将 x 替换为 x−x0,即得到上述一般情形。因此,下文所述幂级数均指幂级数:
n=0∑∞anxn讨论函数项级数时,首先需要了解其收敛域。幂级数的收敛域具有特殊的性质,如下述定理所示:
Abel 定理:若幂级数
n=0∑∞anxn在 x=xˉ=0 处收敛,则对满足不等式 ∣x∣<∣xˉ∣ 的任意 x,幂级数收敛且绝对收敛。若幂级数在 x=xˉ=0 处发散,则对满足不等式 ∣x∣>∣xˉ∣ 的任意 x,幂级数发散。
证明:设级数
n=0∑∞anxˉn收敛。由级数收敛的必要条件,数列 {anxˉn} 收敛于零且有界。故存在正数 M,使得
∣anxˉn∣<M(n=0,1,2,…)又对满足不等式 ∣x∣<∣xˉ∣ 的任意 x,有 xˉx<1。因此,
∣anxn∣=anxˉn⋅xˉnxn=∣anxˉn∣xˉxn<Mrn其中 r=xˉx<1。由于级数 ∑n=0∞Mrn 收敛,故当 ∣x∣<∣xˉ∣ 时,幂级数 ∑n=0∞anxn 绝对收敛。
反之,若幂级数在 x=xˉ=0 处发散,且存在 x0 满足 ∣x0∣>∣xˉ∣ 使级数 ∑n=0∞anx0n 收敛,则由前述结论,幂级数应在 x=xˉ 处绝对收敛,这与假设矛盾。因此,对满足不等式 ∣x∣>∣xˉ∣ 的所有 x,幂级数 ∑n=0∞anxˉn 发散。
事实上,Abel 定理揭示了幂级数的收敛特征,即幂级数的收敛域必为以原点为中心的区间。若记该区间长度为 2R,则 R 称为幂级数的收敛半径。我们称 (−R,R) 为幂级数 ∑n=0∞anxn 的收敛区间。
定理:对幂级数
n=0∑∞anxn若 limn→∞n∣an∣=ρ,则当
- (i) 0<ρ<+∞ 时,收敛半径 R=ρ1;
- (ii) ρ=0 时,收敛半径 R=+∞;
- (iii) p=+∞ 时,收敛半径 R=0。
证明:对幂级数
n=0∑∞∣anxn∣由于
n→∞limn∣anxn∣=n→∞limn∣an∣∣x∣=ρ∣x∣根据正项级数的根值判别法,当 ρ∣x∣<1 时,∑n=0∞∣anxn∣ 收敛;当 ρ∣x∣>1 时幂级数发散。因此,当 0<ρ<+∞ 时,由 ρ∣x∣<1 得收敛半径 R=ρ1。当 ρ=0 时,ρ∣x∣<1 对任意 x 成立,故 R=+∞。当 ρ=+∞ 时,除 x=0 外,ρ∣x∣>1 对任意 x 成立,故 R=0。
注:若
n→∞lim∣an∣∣an+1∣=ρ则必有
n→∞limn∣an∣=ρ因此,在求收敛半径时,也可利用比值判别法。此外,在上述证明中,我们对原幂级数 ∑n=0∞anxn 各项取绝对值,得到幂级数 ∑n=0∞∣anxn∣ 进行论证。由于幂级数在其收敛区间内绝对收敛,这两个幂级数具有完全相同的收敛半径,故此证明方法有效。
当然,上述求收敛半径的方法存在局限。若极限 limn→∞n∣an∣ 不存在(且不是正无穷大),则此方法失效。因此,一般数学分析教材中会用上极限方法给出求幂级数 ∑n=0∞anxn 收敛半径的更一般方法。定理如下:
(推广)定理:对幂级数
n=0∑∞anxn若
n→∞limn∣an∣=ρ则当
- (i) 0<ρ<+∞ 时,收敛半径 R=ρ1;
- (ii) ρ=0 时,收敛半径 R=+∞;
- (iii) p=+∞ 时,收敛半径 R=0。
由于上极限总是存在,故任何幂级数都可用此定理求出收敛半径。
在实际求幂级数收敛半径的问题中,我们可能会遇到「缺项」的幂级数,例如幂级数
n=1∑∞n−32nx2n这类幂级数当然可用上述上极限方法求出收敛半径,但更有效的方法是运用根值判别法来推求幂级数的收敛半径:
考虑
n→∞limn∣n−32n∣x2n=91n→∞limn1−32nnx2n=9x2根据正项级数的根值判别法,当 9x2<1,即 ∣x∣<3 时,幂级数收敛;当 9x2>1,即 ∣x∣>3 时,幂级数发散。当 x=±3 时,相应的级数为:
n=1∑∞n−32n32n由于
n→∞limn−32n32n=−1=0级数
n=1∑∞n−32n32n发散,说明原级数的收敛区间为 (−3,3)。
幂级数相对于一般的函数项级数,在一致收敛方面具有两条性质:
性质 1:若幂级数
n=0∑∞anxn的收敛半径为 R(>0),则幂级数在其收敛区间 (−R,R) 上一致收敛。
证明:设 [a,b] 为 (−R,R) 内任一闭区间,并记
xˉ=max{∣a∣,∣b∣}∈(−R,R)则对 [a,b] 内任一点 x,有
∣anxn∣≤∣anxˉn∣由于幂级数在点 xˉ 处绝对收敛,由 M 判别法,幂级数
n=0∑∞anxn在 [a,b] 上一致收敛。由于 [a,b] 是任取的,幂级数在其收敛区间 (−R,R) 上一致收敛。
性质 2:若幂级数 ∑n=0∞anxn 的收敛半径为 R(>0),且在 x=R(或 x=−R)处收敛,则幂级数 ∑n=0∞anxn 在 [0,R](或 [−R,0])上一致收敛。
证明:设幂级数在 x=R 处收敛。对 x∈[0,R],有 ∑n=0∞anxn=∑n=0∞anRn(Rx)n。
由于级数
n=0∑∞anRn收敛,且函数列
{(Rx)n}在 [0,R] 上单调递减且一致有界,即
1≥Rx≥(Rx)n≥...≥(Rx)n≥...≥0由 Abel 判别法,级数
n=0∑∞anxn在 [0,R] 上一致收敛。
注:事实上,由于幂级数 ∑n=0∞anxn 在 (−R,0] 上一致收敛,还可得到如下结论:当幂级数 ∑n=0∞anxn 在 x=R 处收敛时,幂级数在 (−R,R] 上一致收敛。
由幂级数一致收敛的两条性质,还可推出幂级数具备的其他性质:
(i) 幂级数 ∑n=0∞anxn 的和函数在 (−R,R) 上连续。
(ii) 若幂级数 ∑n=0∞anxn 在其收敛区间的左(右)端点收敛,则其和函数在该端点右(左)连续。
注:由于幂级数 ∑n=0∞anxn 的每一项都在 (−R,R) 上连续,且 ∑n=0∞anxn 在 (−R,R) 上一致收敛,故由函数项级数一致收敛的性质可推出性质 (i)。若幂级数 ∑n=0∞anxn 在 x=R(或 x=−R)处收敛,则由同样的推理可知幂级数 ∑n=0∞anxn 在 [0,R](或 [−R,0])上一致收敛,从而性质 (ii) 成立。
在研究函数项级数时,有关于逐项积分与逐项求导的定理:
(逐项积分定理):若函数项级数
n=0∑∞un(x)在 [a,b] 上一致收敛,且每一项 un(x) 连续,则
n=0∑∞∫abun(x)dx=∫abn=0∑∞un(x)dx(逐项求导定理):若函数项级数
n=0∑∞un(x)的每一项在 [a,b] 上具有连续导数,x0∈[a,b] 是级数
n=0∑∞un(x)的收敛点,且
n=0∑∞un′(x)在 [a,b] 上一致收敛,则
n=0∑∞(dxdun(x))=dxd(n=0∑∞un(x))注:逐项求导定理中要求 x0∈[a,b] 是级数
n=0∑∞un(x)的收敛点是为了应用的方便。其等价条件是级数
n=0∑∞un(x)在 [a,b] 上收敛。此外,条件中的区间 [a,b] 可换成一般的开区间,结论仍然成立。
对幂级数
n=0∑∞anxn对其逐项求导所得的幂级数为
n=1∑∞nanxn−1对其逐项积分所得的幂级数为
n=0∑∞n+1anxn+1为方便起见,我们分别将这三个幂级数记为 (1)、(2)、(3)。
为讨论幂级数的逐项求导与逐项积分,先引入如下引理:
引理:幂级数 (1) 与 (2)、(3) 具有相同的收敛区间。
证明:只需证明 (1) 与 (2) 具有相同的收敛区间,因为对 (3) 逐项求导即得 (2)。
设 (1) 仅在 x=0 处收敛。假设 (2) 在 x′>0 处收敛,则对 xˉ∈(0,x′),由 Abel 定理,
n=1∑∞nanxˉn−1收敛。因此,
∣anxˉn∣=nanxˉn−1nxˉ=nanxˉn−1nxˉ由于已知
n=1∑∞nanxˉn−1收敛,
{nxˉ}单调有界。因此,由 Abel 判别法可知
n=1∑∞∣anxˉn∣收敛。这与假设矛盾。因此,(2) 也仅在 x=0 处收敛,命题得证。
现设幂级数 (1) 的收敛区间为 (−R,R),其中 R=0。设 x0 为 (−R,R) 内任意非零点。由 Abel 定理的证明可见,存在正数 M 与 r(0<r<1),使得对一切正整数 n,有
∣anx0n∣<Mrn于是,
nanx0n−1=x0n∣anx0n∣<∣x0∣Mnrn由比值判别法,级数
n=0∑∞nrn收敛。因此,由比较判别法,级数
n=0∑∞nanx0n−1收敛。这表明幂级数 (2) 在点 x0 处绝对收敛(因而收敛)。由于 x0 是 (−R,R) 内任一点,幂级数 (2) 在区间 (−R,R) 上收敛。
接下来,我们需证明幂级数 (2) 对满足 ∣x∣>R 的所有 x 均不收敛。设 (2) 在点 x0(∣x0∣>R) 处收敛,则存在数 xˉ,使得 ∣x0∣>∣xˉ∣>R。由 Abel 定理,幂级数 (2) 在 x=xˉ 处绝对收敛。然而,当 n≥∣xˉ∣ 时,有
nanxˉn−1=∣xˉ∣n∣anxˉn∣≥∣anxˉn∣由比较判别法,幂级数 (1) 在 x=xˉ 处绝对收敛。这与幂级数 (1) 的收敛区间为 (−R,R) 相矛盾。因此,幂级数 (2) 对满足 ∣x∣>R 的所有 x 均不收敛。综上,幂级数 (1) 与 (2) 具有相同的收敛区间。
关于幂级数的逐项求导与逐项积分,有如下定理:
定理:设级数 (1) 的收敛区间为 (−R,R),其和函数在该区间上记为 f(x)。若 x 是 (−R,R) 内任一点,则:
- (i) f(x) 在点 x 处可导,且
f′(x)=n=1∑∞nanxn−1
- (ii) f(x) 在 (−R,R) 上可积于区间 0 到 x 之间,且
∫0xf(t)dt=n=0∑∞n+1anxn+1
证明:由于级数 (1)、(2)、(3) 具有相同的收敛半径 R,且级数 (1) 的每一项具有连续导数,又三个幂级数在闭区间 (−R,R) 上一致收敛,故满足函数项级数的逐项求导与逐项积分定理的条件。因此,上述定理成立。
由上述定理可得出如下推论:
推论 1:设 f(x) 为级数 (1) 在收敛区间 (−R,R) 上的和函数。则 f(x) 在 (−R,R) 上具有任意阶导数,且可任意次逐项求导,即
f′(x)=a1+2a2x+3a3x2+...+nanxn−1+...f′′(x)=2a2+3⋅2a3x+...+n(n−1)anxn−2+...f(n)(x)=n!an+(n+1)n(n−1)...2an+1x+...推论 2:设 f(x) 为级数 (1) 在收敛区间 (−R,R) 上的和函数。则级数 (1) 的系数由 f(x) 在 x=0 处的各阶导数决定:
a0=f(0)an=n!f(n)(0)(n=1,2,...)幂级数的相等:若幂级数 ∑n=0∞anxn 与 ∑n=0∞bnxn 在 x=0 的某邻域内具有相同的和函数,则称这两个幂级数在该邻域内相等。
由于幂级数的系数由和函数及其在 x=0 处的导数决定,故由幂级数相等的定义可知,两个幂级数在某邻域内相等当且仅当它们的系数对应相等。
幂级数的四则运算:设幂级数 ∑n=0∞anxn 与 ∑n=0∞bnxn 的收敛半径分别为 Ra 与 Rb,则:
- (i) λ∑n=0∞anxn=∑n=0∞λanxn,∣x∣<R ;
- (ii) ∑n=0∞anxn±∑n=0∞bnxn=∑n=0∞(an±bn)xn,∣x∣<R ;
- (iii) (∑n=0∞anxn)(∑n=0∞bnxn)=∑n=0∞cnxn,∣x∣<R .
其中 λ 为常数,且 R=min{Ra,Rb},cn=∑k=0nakbn−k。
这些性质可由数项级数的相应性质推出。
上述关于幂级数的讨论实际上是 Taylor 级数的预备知识。虽然篇幅较大,但对于透彻理解 Taylor 级数是必不可少的。
在前面 Taylor 定理一节中我们曾提到,若函数 f(x) 在 x0 的某邻域内具有直到 n+1 阶的导数,则 Taylor 展开式为:
f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+…+n!f(n)(x0)(x−x0)n+Rn(x)这里 Rn(x)=(n+1)!f(n+1)(ξ)(x−x0)n+1,其中 ξ 介于 x 与 x0 之间。
受 Taylor 定理形式的启发,若函数 f(x) 在 x=x0 处具有任意阶导数,则可构造一个幂级数:
f(x0)+f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+…+n!f(n)(x−x0)n+…该级数称为函数 f(x) 在点 x0 处的 Taylor 级数。现在,我们面临这样的问题:函数 f(x) 与其在 x0 处的 Taylor 级数之间有什么关系?若函数 f(x) 在邻域 U(x0,δ) 内有定义,且其 Taylor 级数在区间 U(x0,R) 内收敛,那么函数 f(x) 是否等于其 Taylor 级数在 U(x0,δ)∩U(x0,R) 内的和函数?
定理:设 f(x) 在点 x0 处具有任意阶导数。则 f(x) 在区间 (x0−r,x0+r) 上等于其 Taylor 级数的和函数,当且仅当对满足 ∣x−x0∣<r 的所有 x,有
n→∞limRn(x)=0这里 Rn(x) 表示 f(x) 在 x0 处的 Lagrange 余项。
证明:因 f(x) 在 x0 处具有任意阶导数,由 Taylor 定理,对任意 x∈U(x0,r)(其中 r≤R),有 f(x)=Tn(x)+Rn(x)。
必要性:若 f(x)=limn→∞Tn(x),则当 n→∞ 时,有 limn→∞Rn(x)=0。
充分性:若 limn→∞Rn(x)=0,则 f(x)=limn→∞Tn(x)。
若函数 f(x) 在点 x0 的某邻域内能表示为它的 Taylor 级数的和函数,则函数 f(x) 在点 x0 的邻域内可展开为 Taylor 级数。等式
f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+...+n!f(n)(x0)n+...的右端称为 f(x) 在点 x0 处的 Taylor 展开。
根据前面的定理,若函数 f(x) 是幂级数
n=0∑∞anxn在其收敛区间 (−R,R) 上的和函数,则 ∑n=0∞anxn 的系数由和函数 f(x) 及其在 x=0 处的各阶导数值决定,即
a0=f(0)an=n!f(n)(0)n=1,2,...也就是说,∑n=0∞anxn 是函数 f(x) 在 (−R,R) 上的 Taylor 展开。
以上是对这四个数学概念的分析过程。在 Taylor 级数部分,对幂级数的相关概念作了详细阐述。这里我们对这四个概念作一总结:
总结:从时间顺序来看,我们通常是在数学分析第一册微分中值定理部分初次接触 Taylor 公式,即带 Peano 余项的 Taylor 公式,它由导数中的有限增量公式引入:
f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+o(x−x0)用有限增量公式作估计时,误差为 o(x−x0),其估计效果相当粗糙。若已知函数在点 x0 处具有 n 阶导数,则可推广有限增量公式,即得到带 Peano 余项的 Taylor 公式,其估计误差为 o((x−x0)n)。为进一步改进估计效果并定量分析误差范围,引入了带 Lagrange 余项的 Taylor 公式。带 Lagrange 余项的 Taylor 公式的使用条件更为苛刻,要求函数 f(x) 在点 x0 处具有直到 (n+1) 阶的导数。其对应的误差为
(n+1)!f(n+1)(ξ)(x−x0)n+1Lagrange 余项能定量分析误差,其估计效果远优于 Peano 余项。
按照教材的学习顺序,在数学分析第二册学习了级数、函数项级数、幂级数等相关知识之后,我们可以引入 Taylor 级数的概念。若函数 f(x) 在某点 x0 处具有任意阶导数,则可写出
f(x0)+f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+...+n!f(n)(x0)n+...该表达式称为函数 f(x) 在点 x0 处的 Taylor 级数。作为一种特殊的幂级数,Taylor 级数也有收敛范围,即 Taylor 级数的收敛域,并且我们给出了函数 f(x) 在点 x0 处的 Taylor 级数在某一邻域 U(x0,r) 内等于其和函数的充要条件:limn→∞Rn(x)=0。
由此引出了 Taylor 展开的概念。所谓 Taylor 展开,是指函数 f(x) 在某一邻域内能展开成的幂级数表达式。在该邻域内,函数 f(x) 完全由该幂级数刻画。这与前文的用多项式函数近似不同,而是一种真正意义上的相等。不过,幂级数的应用存在一定局限,即由于幂级数的收敛域往往是有限区间,它只能刻画函数 f(x) 在一小段区间上的性质。为了解决幂级数的这一缺陷,人们展开了对 Fourier 级数的研究。