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Taylor 公式、Taylor 定理、Taylor 级数与 Taylor 展开

本文主要介绍 Taylor 公式、Taylor 定理、Taylor 级数与 Taylor 展开这四个概念的内容及其相互联系。

Taylor 公式

若函数 f(x)f(x) 在点 x0x_{0} 处可导,即

limxx0f(x)f(x0)xx0=f(x0)\lim_{x \rightarrow x_{0}}{\frac{f(x)-f(x_{0})}{x-x_{0}}}=f'(x_{0})

也可表示为

limxx0f(x)f(x0)xx0f(x0)=0\lim_{x \rightarrow x_{0}}{\frac{f(x)-f(x_{0})}{x-x_{0}}}-f'(x_{0})=0

整理得

limxx0f(x)f(x0)f(x0)(xx0)xx0=0\lim_{x \rightarrow x_{0}}{\frac{f(x)-f(x_{0})-f'(x_{0})(x-x_{0})}{x-x_{0}}}=0

因此,

f(x)f(x0)f(x0)(xx0)=o(xx0)(xx0)f(x)-f(x_{0})-f'(x_{0})(x-x_{0})=o(x-x_{0})(x\rightarrow x_{0})

移项整理得

f(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)+o(xx0)(xx0)f(x)=f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})+o(x-x_{0})(x\rightarrow x_{0})

这说明在点 x0x_{0} 附近,我们可用一次多项式 f(x0)+f(x0)(xx0)f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0}) 近似函数 f(x)f(x),其误差 (xx0)(x-x_{0}) 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 nn 次多项式来近似 f(x)f(x),使得误差达到 o((xx0)n)o((x-x_{0})^{n})

对于多项式函数

fn(x)=a0+a1(xx0)+a2((xx0)2)+...+an((xx0)n)f_{n}(x)=a_{0}+a_{1}(x-x_{0})+a_{2}((x-x_{0})^{2})+...+a_{n}((x-x_{0})^{n})

依次在 x0x_{0} 处求导,可得

fn(x0)=a0fn(x0)=a1fn(x0)=2!a2...fn(n)(x0)=n!anf_{n}(x_{0})=a_{0} \\ f_{n}'(x_{0})=a_{1} \\ f_{n}''(x_{0})=2!a_{2} \\ ... \\ f_{n}^{(n)}(x_{0})=n!a_{n}

因此,

a0=fn(x0)a1=fn(x0)1!a2=fn(x0)2!an=fn(n)(x0)n!a_{0}=f_{n}(x_{0}) \\ a_{1}=\frac{f_{n}'(x_{0})}{1!} \\ a_{2}=\frac{f_{n}''(x_{0})}{2!} \\ a_{n}=\frac{f_{n}^{(n)}(x_{0})}{n!}

由此可见,多项式函数 fn(x)f_{n}(x) 的系数由其函数在点 x0x_{0} 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)f(x),若 f(x)f(x) 在点 x0x_{0} 处具有直到 nn 阶的导数,那么这些导数唯一确定一个 nn 次多项式

Tn(x)=f(x0)+f(x0)1!(xx0)+f(x0)2!(xx0)2+...+f(n)(x0)n!(xx0)nT_{n}(x)=f(x_{0})+\frac{f'(x_{0})}{1!}(x-x_{0})+\frac{f''(x_{0})}{2!}(x-x_{0})^{2} \\ +...+\frac{f^{(n)}(x_{0})}{n!}(x-x_{0})^{n}

该多项式称为函数 f(x)f(x) 在点 x0x_{0} 处的 Taylor 多项式(泰勒多项式),而 Tn(x)T_{n}(x) 的系数

f(k)(x0)k!(k=1,2,...,n)\frac{f^{(k)}(x_{0})}{k!}(k=1,2,...,n)

称为 Taylor 系数(泰勒系数)。

显然,函数 f(x)f(x) 与其 Taylor 多项式 Tn(x)T_{n}(x) 在点 x0x_{0} 处具有相同的函数值以及直到 nn 阶的各阶导数,即

f(k)(x0)=Tn(k)(x0), k=0,1,2,...,n.f^{(k)}(x_{0})=T_{n}^{(k)}(x_{0}),\ k=0,1,2,...,n.

回到我们的猜想:能否证明 f(x)=Tn(x)+o((xx0)n)f(x)=T_{n}(x)+o((x-x_{0})^{n})?若此式成立,则用 Taylor 多项式 Tn(x)T_{n}(x) 近似函数 f(x)f(x) 时,误差将恰如所愿,即误差项为比 (xx0)n(x-x_{0})^{n} 更高阶的无穷小。

定理:若函数 f(x)f(x) 在点 x0x_{0} 处具有直到 nn 阶的导数,则

f(x)=Tn(x)+o((xx0)n)f(x)=T_{n}(x)+ o((x-x_{0})^{n})

f(x)=f(x0)+f(x0)1!(xx0)+f(x0)2!(xx0)2+...+f(n)(x0)n!(xx0)n+o((xx0)n)f(x)=f(x_{0})+\frac{f'(x_{0})}{1!}(x-x_{0})+\frac{f''(x_{0})}{2!}(x-x_{0})^{2} +\\...+\frac{f^{(n)}(x_{0})}{n!}(x-x_{0})^{n}+o((x-x_{0})^{n})

证明:设

Rn(x)=f(x)Tn(x)Qn(x)=(xx0)nR_{n}(x)=f(x)-T_{n}(x)\\ Q_{n}(x)=(x-x_{0})^{n}

需证明

limxx0Rn(x)Qn(x)=0\lim_{x \rightarrow x_{0}}{\frac{R_{n}(x)}{Q_{n}(x)}}=0

由于

f(k)(x0)=Tn(k)(x0), k=0,1,2,...,n.f^{(k)}(x_{0})=T_{n}^{(k)}(x_{0}),\ k=0,1,2,...,n.

因此,

Rn(x0)=Rn(x0)=...=Rn(n)(x0)=0R_{n}(x_{0})=R'_{n}(x_{0})=...=R^{(n)}_{n}(x_{0})=0

Qn(x0)=Qn(x0)=...=Qn(n1)(x0)=0Qn(n)(x0)=n!Q_{n}(x_{0})=Q'_{n}(x_{0})=...=Q^{(n-1)}_{n}(x_{0})=0 \\ Q^{(n)}_{n}(x_{0})=n!

因为 f(n)(x0)f^{(n)}(x_{0}) 存在,
故在 x0x_{0} 的某邻域 U(x0)U(x_{0}) 内,f(x)f(x) 具有 (n1)(n-1) 阶导数 f(n1)(x)f^{(n-1)}(x)
因此,当 xUo(x0)x\in U^{o}(x_{0})xx0x\rightarrow x_{0} 时,反复应用 L'Hôpital 法则 n1n-1 次,可得

limxx0Rn(x)Qn(x)=limxx0Rn(x)Qn(x)=...=limxx0Rn(n1)(x)Qn(n1)(x)=limxx0f(n1)(x)f(n1)(x0)f(n)(x0)(xx0)n(n1)2(xx0)=1n!limxx0[f(n1)(x)f(n1)(x0)xx0f(n)(x0)]=0\lim_{x \rightarrow x_{0}}{\frac{R_{n}(x)}{Q_{n}(x)}}\\=\lim_{x \rightarrow x_{0}}{\frac{R'_{n}(x)}{Q'_{n}(x)}}\\=...\\=\lim_{x \rightarrow x_{0}}{\frac{R^{(n-1)}_{n}(x)}{Q^{(n-1)}_{n}(x)}}\\=\lim_{x \rightarrow x_{0}}{\frac{f^{(n-1)}(x)-f^{(n-1)}(x_{0})-f^{(n)}(x_{0})(x-x_{0})}{n(n-1)\cdot \cdot \cdot2(x-x_{0})}}\\=\frac{1}{n!}\lim_{x \rightarrow x_{0}}{\left[ \frac{f^{(n-1)}(x)-f^{(n-1)}(x_{0})}{x-x_{0}}-f^{(n)}(x_{0}) \right]}=0

上述定理所证得的表达式称为函数 f(x)f(x)x0x_{0} 处的 Taylor 公式。由于其余项

Rn(x)=f(x)Tn(x)=o((xx0)n)R_{n}(x)=f(x)-T_{n}(x)=o((x-x_{0})^{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)f(x) 的整个定义域都成立,但其余项仅在点 x0x_{0} 附近才有意义,因此这一表达式的应用有很大的局限性。

Taylor 定理

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)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)f(x) 时的误差范围。

定理(Taylor 定理):若函数 f(x)f(x)[a,b][a, b] 上具有直到 nn 阶的连续导数,且在 (a,b)(a, b) 上具有 (n+1)(n+1) 阶导数,则对任意给定的 x,x0[a,b]x, x_{0} \in [a, b],在 (a,b)(a, b) 内至少存在一点 ξ\xi,使得

f(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)+f(x0)2!(xx0)2++f(n)(x0)n!(xx0)n+f(n+1)(ξ)(n+1)!(xx0)n+1f(x)=f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})+\frac{f''(x_{0})}{2!}(x-x_{0})^{2}+\dots+\frac{f^{(n)}(x_{0})}{n!}(x-x_{0})^{n}+\frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-x_{0})^{n+1}

分析:由定理的条件可以看出,在 [a,b][a, b] 上可对函数 f(x)f(x)(xx0)n+1(x-x_{0})^{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)(xx0)++f(n)(x0)n!(xx0)n]G(x)=(xx0)(n+1)x,x0[a,b]F(x)=f(x)-[f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})+\dots+\frac{f^{(n)}(x_{0})}{n!}(x-x_{0})^{n}] \\ G(x)=(x-x_{0})^{(n+1)} \\ x,x_{0}\in[a,b]

要证明

F(x)G(x)=f(n+1)(ξ)(n+1)!,ξ(a,b)\frac{F(x)}{G(x)}=\frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!},\xi\in(a,b)

显然,F(x)F(x)G(x)G(x)[a,b][a, b] 上都具有直到 nn 阶的连续导数,且在 (a,b)(a, b) 上具有 (n+1)(n+1) 阶导数。此外,F(x0)=F(x0)==F(n)(x0)=0F(x_{0})=F'(x_{0})=\dots=F^{(n)}(x_{0})=0G(x0)=G(x0)==G(n)(x0)=0G(x_{0})=G'(x_{0})=\dots=G^{(n)}(x_{0})=0,且 G(n+1)(x)=(n+1)!G^{(n+1)}(x)=(n+1)!。因此,

F(x)G(x)=F(x)F(x0)G(x)G(x0)=F(ξ1)G(ξ1)=F(ξ1)F(x0)G(ξ1)G(x0)=F(ξ2)G(ξ2)==F(n)(ξn)G(n)(ξn)=F(n)(ξn)F(n)(x0)G(n)(ξn)G(n)(x0)=F(n+1)(ξ)G(n+1)(ξ)=f(n+1)(ξ)(n+1)!,ξ(a,b)\frac{F(x)}{G(x)}=\frac{F(x)-F(x_{0})}{G(x)-G(x_{0})}=\frac{F'(\xi_{1})}{G'(\xi_{1})}=\frac{F'(\xi_{1})-F'(x_{0})}{G'(\xi_{1})-G'(x_{0})}=\frac{F''(\xi_{2})}{G''(\xi_{2})}=\dots \\=\frac{F^{(n)}(\xi_{n})}{G^{(n)}(\xi_{n})}=\frac{F^{(n)}(\xi_{n})-F^{(n)}(x_{0})}{G^{(n)}(\xi_{n})-G^{(n)}(x_{0})}=\frac{F^{(n+1)}(\xi)}{G^{(n+1)}(\xi)}=\frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!},\xi\in(a,b)

证毕。

注:Taylor 定理也可作如下等价表述:若 f(x)f(x)x0x_{0} 的某邻域 U(x0)U(x_{0}) 内具有 (n+1)(n+1) 阶导数,则对该邻域内任一点 xx,有

f(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)+f(x0)2!(xx0)2++f(n)(x0)n!(xx0)n+f(n+1)(ξ)(n+1)!(xx0)n+1,ξ(a,b)f(x)=f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})+\frac{f''(x_{0})}{2!}(x-x_{0})^{2} \\+ \dots+\frac{f^{(n)}(x_{0})}{n!}(x-x_{0})^{n}+\frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-x_{0})^{n+1},\xi\in(a,b)

这一等价表述可能更易于记忆。

其余项

Rn(x)=f(n+1)(ξ)(n+1)!(xx0)n+1R_{n}(x)=\frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-x_{0})^{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 x0x_{0} 处存在 nn 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)f(x) 作定量近似。

Taylor 级数

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(xx0)n}\left\{ a_{n}(x-x_{0})^{n} \right\} 生成:

n=0an(xx0)n=a0+a1(xx0)+a2(xx0)2++an(xx0)n+\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}(x-x_{0})^{n}}=a_{0}+a_{1}(x-x_{0})+a_{2}(x-x_{0})^{2}+\dots+a_{n}(x-x_{0})^{n}+\dots

为简化形式,我们仅讨论 x0=0x_{0}=0 的情形:

n=0anxn=a0+a1x+a2x2++anxn+\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}=a_{0}+a_{1}x+a_{2}x^{2}+\dots+a_{n}x^{n}+\dots

相应地,将 xx 替换为 xx0x-x_{0},即得到上述一般情形。因此,下文所述幂级数均指幂级数:

n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}

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=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}

x=xˉ0x=\bar{x}\ne0 处收敛,则对满足不等式 x<xˉ\left| x \right|<\left| \bar{x} \right| 的任意 xx,幂级数收敛且绝对收敛。若幂级数在 x=xˉ0x=\bar{x}\ne0 处发散,则对满足不等式 x>xˉ\left| x \right|>\left| \bar{x} \right| 的任意 xx,幂级数发散。

证明:设级数

n=0anxˉn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}\bar{x}^{n}}

收敛。由级数收敛的必要条件,数列 {anxˉn}\left\{ a_{n}\bar{x}^{n} \right\} 收敛于零且有界。故存在正数 MM,使得

anxˉn<M(n=0,1,2,)\left| a_{n}\bar{x}^{n} \right|<M \quad (n=0,1,2,\dots)

又对满足不等式 x<xˉ\left| x \right|<\left| \bar{x} \right| 的任意 xx,有 xxˉ<1\left| \frac{x}{\bar{x}} \right|<1。因此,

anxn=anxˉnxnxˉn=anxˉnxxˉn<Mrn\left| a_{n}x^{n} \right|=\left| a_{n}\bar{x}^{n}\cdot\frac{x^{n}}{\bar{x}^{n}} \right|=\left| a_{n}\bar{x}^{n} \right|\left| \frac{x}{\bar{x}} \right|^{n}<Mr^{n}

其中 r=xxˉ<1r=\left| \frac{x}{\bar{x}} \right|<1。由于级数 n=0Mrn\sum_{n=0}^{\infty}{Mr^{n}} 收敛,故当 x<xˉ\left| x \right|<\left| \bar{x} \right| 时,幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}} 绝对收敛。

反之,若幂级数在 x=xˉ0x=\bar{x}\ne0 处发散,且存在 x0x_{0} 满足 x0>xˉ\left| x_{0} \right|>\left| \bar{x} \right| 使级数 n=0anx0n\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x_{0}^{n}} 收敛,则由前述结论,幂级数应在 x=xˉx=\bar{x} 处绝对收敛,这与假设矛盾。因此,对满足不等式 x>xˉ\left| x \right|>\left| \bar{x} \right| 的所有 xx,幂级数 n=0anxˉn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}\bar{x}^{n}} 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 2R2R,则 RR 称为幂级数的收敛半径。我们称 (R,R)(-R,R) 为幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}} 的收敛区间。

定理:对幂级数

n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}

limnann=ρ\lim_{n \to \infty}{\sqrt[n]{\left| a_{n} \right|}} = \rho,则当

  • (i)(i) 0<ρ<+0 < \rho < +\infty 时,收敛半径 R=1ρR = \frac{1}{\rho}
  • (ii)(ii) ρ=0\rho = 0 时,收敛半径 R=+R = +\infty
  • (iii)(iii) p=+p = +\infty 时,收敛半径 R=0R = 0

证明:对幂级数

n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{\left| a_{n}x^{n} \right|}

由于

limnanxnn=limnannx=ρx\lim_{n \to \infty}{\sqrt[n]{\left| a_{n}x^{n} \right|}} = \lim_{n \to \infty}{\sqrt[n]{\left| a_{n} \right|}\left| x \right|} = \rho\left| x \right|

根据正项级数的根值判别法,当 ρx<1\rho\left| x \right| < 1 时,n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{\left| a_{n}x^{n} \right|} 收敛;当 ρx>1\rho\left| x \right| > 1 时幂级数发散。因此,当 0<ρ<+0 < \rho < +\infty 时,由 ρx<1\rho\left| x \right| < 1 得收敛半径 R=1ρR = \frac{1}{\rho}。当 ρ=0\rho = 0 时,ρx<1\rho\left| x \right| < 1 对任意 xx 成立,故 R=+R = +\infty。当 ρ=+\rho = +\infty 时,除 x=0x = 0 外,ρx>1\rho\left| x \right| > 1 对任意 xx 成立,故 R=0R = 0

注:若

limnan+1an=ρ\lim_{n \to \infty}{\frac{\left| a_{n+1} \right|}{\left| a_{n} \right|}} = \rho

则必有

limnann=ρ\lim_{n \to \infty}{\sqrt[n]{\left| a_{n} \right|}} = \rho

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=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}} 各项取绝对值,得到幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{\left| a_{n}x^{n} \right|} 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 limnann\lim_{n \to \infty}{\sqrt[n]{\left| a_{n} \right|}} 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=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}} 收敛半径的更一般方法。定理如下:

(推广)定理:对幂级数

n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}

limnann=ρ\varlimsup _{n \rightarrow \infty}{\sqrt[n]{\left| a_{n} \right|}}=\rho

则当

  • (i)(i) 0<ρ<+0 < \rho < +\infty 时,收敛半径 R=1ρR = \frac{1}{\rho}
  • (ii)(ii) ρ=0\rho = 0 时,收敛半径 R=+R = +\infty
  • (iii)(iii) p=+p = +\infty 时,收敛半径 R=0R = 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=1x2nn32n\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{x^{2n}}{n-3^{2n}}}

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

limnx2nn32nn=19limnx2n1n32nn=x29\lim_{n \rightarrow \infty}{\sqrt[n]{\frac{x^{2n}}{\left| n-3^{2n} \right|}}}=\frac{1}{9}\lim_{n \rightarrow \infty}{\sqrt[n]{\frac{x^{2n}}{1-\frac{n}{3^{2n}}}}}=\frac{x^{2}}{9}

根据正项级数的根值判别法,当 x29<1\frac{x^{2}}{9} < 1,即 x<3\left| x \right| < 3 时,幂级数收敛;当 x29>1\frac{x^{2}}{9} > 1,即 x>3\left| x \right| > 3 时,幂级数发散。当 x=±3x = \pm3 时,相应的级数为:

n=132nn32n\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{3^{2n}}{n-3^{2n}}}

由于

limn32nn32n=10\lim_{n \rightarrow \infty}{\frac{3^{2n}}{n-3^{2n}}}=-1 \neq 0

级数

n=132nn32n\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{3^{2n}}{n-3^{2n}}}

发散,说明原级数的收敛区间为 (3,3)(-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=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}

的收敛半径为 R(>0)R (> 0),则幂级数在其收敛区间 (R,R)(-R,R) 上一致收敛。

证明:设 [a,b][a,b](R,R)(-R,R) 内任一闭区间,并记

xˉ=max{a,b}(R,R)\bar{x} = \max\left\{ \left| a \right|, \left| b \right| \right\} \in (-R,R)

则对 [a,b][a,b] 内任一点 xx,有

anxnanxˉn\left| a_{n}x^{n} \right| \leq \left| a_{n}\bar{x}^{n} \right|

由于幂级数在点 xˉ\bar{x} 处绝对收敛,由 M 判别法,幂级数

n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}

[a,b][a,b] 上一致收敛。由于 [a,b][a,b] 是任取的,幂级数在其收敛区间 (R,R)(-R,R) 上一致收敛。

性质 2:若幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}} 的收敛半径为 R(>0)R (> 0),且在 x=Rx = R(或 x=Rx = -R)处收敛,则幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}[0,R][0,R](或 [R,0][-R,0])上一致收敛。

证明:设幂级数在 x=Rx = R 处收敛。对 x[0,R]x \in [0,R],有 n=0anxn=n=0anRn(xR)n\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}} = \sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}R^{n}(\frac{x}{R})^{n}}

由于级数

n=0anRn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}R^{n}}

收敛,且函数列

{(xR)n}\left\{ (\frac{x}{R})^{n} \right\}

[0,R][0,R] 上单调递减且一致有界,即

1xR(xR)n...(xR)n...01 \geq \frac{x}{R} \geq (\frac{x}{R})^{n} \geq ... \geq (\frac{x}{R})^{n} \geq ... \geq 0

由 Abel 判别法,级数

n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}

[0,R][0,R] 上一致收敛。

注:事实上,由于幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}(R,0](-R,0] 上一致收敛,还可得到如下结论:当幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}x=Rx = R 处收敛时,幂级数在 (R,R](-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)(i) 幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}} 的和函数在 (R,R)(-R,R) 上连续。

(ii)(ii) 若幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}} 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=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}} 的每一项都在 (R,R)(-R,R) 上连续,且 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}(R,R)(-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)(i)。若幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}x=Rx = R(或 x=Rx = -R)处收敛,则由同样的推理可知幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}[0,R][0,R](或 [R,0][-R,0])上一致收敛,从而性质 (ii)(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=0un(x)\sum_{n=0}^{\infty}{u_{n}(x)}

[a,b][a,b] 上一致收敛,且每一项 un(x)u_{n}(x) 连续,则

n=0abun(x)dx=abn=0un(x)dx\sum_{n=0}^{\infty}{\int_{a}^{b}u_{n}(x)dx}=\int_{a}^{b}\sum_{n=0}^{\infty}{u_{n}(x)dx}

(逐项求导定理):若函数项级数

n=0un(x)\sum_{n=0}^{\infty}{u_{n}(x)}

的每一项在 [a,b][a,b] 上具有连续导数,x0[a,b]x_{0}\in[a,b] 是级数

n=0un(x)\sum_{n=0}^{\infty}{u_{n}(x)}

的收敛点,且

n=0un(x)\sum_{n=0}^{\infty}{u'_{n}(x)}

[a,b][a,b] 上一致收敛,则

n=0(ddxun(x))=ddx(n=0un(x))\sum_{n=0}^{\infty}({\frac{d}{dx}u_{n}(x)})=\frac{d}{dx}(\sum_{n=0}^{\infty}{u_{n}(x)})

注:逐项求导定理中要求 x0[a,b]x_{0}\in[a,b] 是级数

n=0un(x)\sum_{n=0}^{\infty}{u_{n}(x)}

的收敛点是为了应用的方便。其等价条件是级数

n=0un(x)\sum_{n=0}^{\infty}{u_{n}(x)}

[a,b][a,b] 上收敛。此外,条件中的区间 [a,b][a,b] 可换成一般的开区间,结论仍然成立。

对幂级数

n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}

对其逐项求导所得的幂级数为

n=1nanxn1\sum_{n=1}^{\infty}{na_{n}x^{n-1}}

对其逐项积分所得的幂级数为

n=0anxn+1n+1\sum_{n=0}^{\infty}{\frac{a_{n}x^{n+1}}{n+1}}

为方便起见,我们分别将这三个幂级数记为 (1)(1)(2)(2)(3)(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)(1)(2)(2)(3)(3) 具有相同的收敛区间。

证明:只需证明 (1)(1)(2)(2) 具有相同的收敛区间,因为对 (3)(3) 逐项求导即得 (2)(2)

(1)(1) 仅在 x=0x=0 处收敛。假设 (2)(2)x>0x'>0 处收敛,则对 xˉ(0,x)\bar{x}\in(0,x'),由 Abel 定理,

n=1nanxˉn1\sum_{n=1}^{\infty}{\left| na_{n}\bar{x}^{n-1} \right|}

收敛。因此,

anxˉn=nanxˉn1xˉn=nanxˉn1xˉn\left| a_{n}\bar{x}^{n}\right|=\left| na_{n}\bar{x}^{n-1} \right|\left| \frac{\bar{x}}{n} \right|=\left| na_{n}\bar{x}^{n-1} \right|\frac{\bar{x}}{n}

由于已知

n=1nanxˉn1\sum_{n=1}^{\infty}{\left| na_{n}\bar{x}^{n-1} \right|}

收敛,

{xˉn}\left\{ \frac{\bar{x}}{n} \right\}

单调有界。因此,由 Abel 判别法可知

n=1anxˉn\sum_{n=1}^{\infty}{\left| a_{n}\bar{x}^{n} \right|}

收敛。这与假设矛盾。因此,(2)(2) 也仅在 x=0x=0 处收敛,命题得证。

现设幂级数 (1)(1) 的收敛区间为 (R,R)(-R,R),其中 R0R\neq 0。设 x0x_{0}(R,R)(-R,R) 内任意非零点。由 Abel 定理的证明可见,存在正数 MMr(0<r<1)r(0<r<1),使得对一切正整数 nn,有

anx0n<Mrn\left| a_{n}x_{0}^{n} \right|<Mr^{n}

于是,

nanx0n1=nx0anx0n<Mx0nrn\left| na_{n}x_{0}^{n-1} \right|=\left| \frac{n}{x_{0}} \right|\left| a_{n}x_{0}^{n} \right|<\frac{M}{\left| x_{0} \right|}nr^{n}

由比值判别法,级数

n=0nrn\sum_{n=0}^{\infty}{nr^{n}}

收敛。因此,由比较判别法,级数

n=0nanx0n1\sum_{n=0}^{\infty}{\left| na_{n}x_{0}^{n-1} \right|}

收敛。这表明幂级数 (2)(2) 在点 x0x_{0} 处绝对收敛(因而收敛)。由于 x0x_{0}(R,R)(-R,R) 内任一点,幂级数 (2)(2) 在区间 (R,R)(-R,R) 上收敛。

接下来,我们需证明幂级数 (2)(2) 对满足 x>R\left| x \right|>R 的所有 xx 均不收敛。设 (2)(2) 在点 x0(x0>R)x_{0} (\left| x_{0} \right|>R) 处收敛,则存在数 xˉ\bar{x},使得 x0>xˉ>R\left| x_{0} \right|>\left| \bar{x} \right|>R。由 Abel 定理,幂级数 (2)(2)x=xˉx=\bar{x} 处绝对收敛。然而,当 nxˉn\geq\left| \bar{x} \right| 时,有

nanxˉn1=nxˉanxˉnanxˉn\left| na_{n}\bar{x}^{n-1} \right|=\frac{n}{\left| \bar{x} \right|}\left| a_{n}\bar{x}^{n} \right|\geq \left| a_{n}\bar{x}^{n} \right|

由比较判别法,幂级数 (1)(1)x=xˉx=\bar{x} 处绝对收敛。这与幂级数 (1)(1) 的收敛区间为 (R,R)(-R,R) 相矛盾。因此,幂级数 (2)(2) 对满足 x>R\left| x \right|>R 的所有 xx 均不收敛。综上,幂级数 (1)(1)(2)(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)(1) 的收敛区间为 (R,R)(-R, R),其和函数在该区间上记为 f(x)f(x)。若 xx(R,R)(-R, R) 内任一点,则:

  • (i)(i) f(x)f(x) 在点 xx 处可导,且 f(x)=n=1nanxn1f'(x)=\sum_{n=1}^{\infty}{na_{n}x^{n-1}}
  • (ii)(ii) f(x)f(x)(R,R)(-R, R) 上可积于区间 00xx 之间,且 0xf(t)dt=n=0ann+1xn+1\int_{0}^{x}f(t)dt=\sum_{n=0}^{\infty}{\frac{a_{n}}{n+1}x^{n+1}}

证明:由于级数 (1)(1)(2)(2)(3)(3) 具有相同的收敛半径 RR,且级数 (1)(1) 的每一项具有连续导数,又三个幂级数在闭区间 (R,R)(-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)f(x) 为级数 (1)(1) 在收敛区间 (R,R)(-R, R) 上的和函数。则 f(x)f(x)(R,R)(-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+...+nanxn1+...f'(x)=a_{1}+2a_{2}x+3a_{3}x^{2}+...+na_{n}x^{n-1}+...f(x)=2a2+32a3x+...+n(n1)anxn2+...f''(x)=2a_{2}+3\cdot2a_{3}x+...+n(n-1)a_{n}x^{n-2}+...f(n)(x)=n!an+(n+1)n(n1)...2an+1x+...f^{(n)}(x)=n!a_{n}+(n+1)n(n-1)...2a_{n+1}x+...

推论 2:设 f(x)f(x) 为级数 (1)(1) 在收敛区间 (R,R)(-R, R) 上的和函数。则级数 (1)(1) 的系数由 f(x)f(x)x=0x=0 处的各阶导数决定:

a0=f(0)an=f(n)(0)n!(n=1,2,...)a_{0}=f(0) \\ a_{n}=\frac{f^{(n)}(0)}{n!} \quad (n=1,2,...)

幂级数的相等:若幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}n=0bnxn\sum_{n=0}^{\infty}{b_{n}x^{n}}x=0x=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=0x=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=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}n=0bnxn\sum_{n=0}^{\infty}{b_{n}x^{n}} 的收敛半径分别为 RaR_{a}RbR_{b},则:

  • (i)(i) λn=0anxn=n=0λanxn,x<R\lambda\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}=\sum_{n=0}^{\infty}{\lambda a_{n}x^{n}},\left| x \right|<R ;
  • (ii)(ii) n=0anxn±n=0bnxn=n=0(an±bn)xn,x<R\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}\pm\sum_{n=0}^{\infty}{b_{n}x^{n}}=\sum_{n=0}^{\infty}{(a_{n}\pm b_{n})x^{n}},\left| x \right|<R ;
  • (iii)(iii) (n=0anxn)(n=0bnxn)=n=0cnxn,x<R(\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}})(\sum_{n=0}^{\infty}{b_{n}x^{n}})=\sum_{n=0}^{\infty}{c_{n}x^{n}},\left| x \right|<R .

其中 λ\lambda 为常数,且 R=min{Ra,Rb}R=\min\{ R_{a}, R_{b} \}cn=k=0nakbnkc_{n}=\sum_{k=0}^{n}{a_{k}b_{n-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)f(x)x0x_{0} 的某邻域内具有直到 n+1n + 1 阶的导数,则 Taylor 展开式为:

f(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)+f(x0)2!(xx0)2++f(n)(x0)n!(xx0)n+Rn(x)f(x) = f(x_{0}) + f'(x_{0})(x-x_{0}) + \frac{f''(x_{0})}{2!}(x-x_{0})^{2} + \ldots + \frac{f^{(n)}(x_{0})}{n!}(x-x_{0})^{n} + R_{n}(x)

这里 Rn(x)=f(n+1)(ξ)(n+1)!(xx0)n+1R_{n}(x) = \frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-x_{0})^{n+1},其中 ξ\xi 介于 xxx0x_{0} 之间。

受 Taylor 定理形式的启发,若函数 f(x)f(x)x=x0x = x_{0} 处具有任意阶导数,则可构造一个幂级数:

f(x0)+f(x0)(xx0)+f(x0)2!(xx0)2++f(n)(xx0)nn!+f(x_{0}) + f'(x_{0})(x-x_{0}) + \frac{f''(x_{0})}{2!}(x-x_{0})^{2} + \ldots + \frac{f^{(n)}(x-x_{0})^{n}}{n!} + \ldots

该级数称为函数 f(x)f(x) 在点 x0x_{0} 处的 Taylor 级数。现在,我们面临这样的问题:函数 f(x)f(x) 与其在 x0x_{0} 处的 Taylor 级数之间有什么关系?若函数 f(x)f(x) 在邻域 U(x0,δ)U(x_{0},\delta) 内有定义,且其 Taylor 级数在区间 U(x0,R)U(x_{0},R) 内收敛,那么函数 f(x)f(x) 是否等于其 Taylor 级数在 U(x0,δ)U(x0,R)U(x_{0},\delta)\cap U(x_{0},R) 内的和函数?

定理:设 f(x)f(x) 在点 x0x_{0} 处具有任意阶导数。则 f(x)f(x) 在区间 (x0r,x0+r)(x_{0}-r,x_{0}+r) 上等于其 Taylor 级数的和函数,当且仅当对满足 xx0<r|x-x_{0}|<r 的所有 xx,有

limnRn(x)=0\lim_{n \rightarrow \infty}{R_{n}(x)} = 0

这里 Rn(x)R_{n}(x) 表示 f(x)f(x)x0x_{0} 处的 Lagrange 余项。

证明:因 f(x)f(x)x0x_{0} 处具有任意阶导数,由 Taylor 定理,对任意 xU(x0,r)x \in U(x_{0},r)(其中 rRr \leq R),有 f(x)=Tn(x)+Rn(x)f(x) = T_{n}(x) + R_{n}(x)

必要性:若 f(x)=limnTn(x)f(x) = \lim_{n \rightarrow \infty}{T_{n}(x)},则当 nn \rightarrow \infty 时,有 limnRn(x)=0\lim_{n \rightarrow \infty}{R_{n}(x)} = 0

充分性:若 limnRn(x)=0\lim_{n \rightarrow \infty}{R_{n}(x)} = 0,则 f(x)=limnTn(x)f(x) = \lim_{n \rightarrow \infty}{T_{n}(x)}

Taylor 展开

若函数 f(x)f(x) 在点 x0x_{0} 的某邻域内能表示为它的 Taylor 级数的和函数,则函数 f(x)f(x) 在点 x0x_{0} 的邻域内可展开为 Taylor 级数。等式

f(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)+f(x0)2!(xx0)2+...+f(n)(x0)nn!+...f(x)=f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})+\frac{f''(x_{0})}{2!}(x-x_{0})^{2}+...+\frac{f^{(n)}(x_{0})^{n}}{n!}+...

的右端称为 f(x)f(x) 在点 x0x_{0} 处的 Taylor 展开。

根据前面的定理,若函数 f(x)f(x) 是幂级数

n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}}

在其收敛区间 (R,R)(-R, R) 上的和函数,则 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}} 的系数由和函数 f(x)f(x) 及其在 x=0x=0 处的各阶导数值决定,即

a0=f(0)an=f(n)(0)n!n=1,2,...a_{0}=f(0) \\ a_{n}=\frac{f^{(n)}(0)}{n!} \\ n=1,2,...

也就是说,n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty}{a_{n}x^{n}} 是函数 f(x)f(x)(R,R)(-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)(xx0)+o(xx0)f(x)=f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})+o(x-x_{0})

用有限增量公式作估计时,误差为 o(xx0)o(x-x_{0}),其估计效果相当粗糙。若已知函数在点 x0x_{0} 处具有 nn 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((xx0)n)o((x-x_{0})^{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)f(x) 在点 x0x_{0} 处具有直到 (n+1)(n+1) 阶的导数。其对应的误差为

f(n+1)(ξ)(n+1)!(xx0)n+1\frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-x_{0})^{n+1}

Lagrange 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)f(x) 在某点 x0x_{0} 处具有任意阶导数,则可写出

f(x0)+f(x0)(xx0)+f(x0)2!(xx0)2+...+f(n)(x0)nn!+...f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})+\frac{f''(x_{0})}{2!}(x-x_{0})^{2}+...+\frac{f^{(n)}(x_{0})^{n}}{n!}+...

该表达式称为函数 f(x)f(x) 在点 x0x_{0} 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)f(x) 在点 x0x_{0} 处的 Taylor 级数在某一邻域 U(x0,r)U(x_{0},r) 内等于其和函数的充要条件:limnRn(x)=0\lim_{n \rightarrow \infty}{R_{n}(x)}=0

由此引出了 Taylor 展开的概念。所谓 Taylor 展开,是指函数 f(x)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)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)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。