数学分析--泰勒定理的故事
2017-01-27 16:24
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泰勒定理的奇闻轶事
声明: 本博客是对kerbcurb的原博客 的微整理,并非本人原创,仅为个人学习笔记之用。泰勒展开式(Taylor expansion)的剩余项救人一命!
在俄国革命期间(1917年左右),数学物理家塔姆(Igor Tamm)外出找食物,在靠近敖德萨(Odessa)的乡间被反共产主义的报案人人员逮捕。保安人员怀疑他是反乌克兰的共产主义者,于是把他带回总部。
头目问:你是做什么的?塔姆:我是一名数学家。
头目心存怀疑,拿着枪,手指扣着扳机,对准他,手榴弹也在他面前晃动。
头目说:好吧,那么一个函数做泰勒展开到第n项之后,你就把误差项算出来。如果你算对了,就放你一条生路,否则就立刻枪毙。
于是塔姆手指发抖,战战兢兢地慢慢计算,当他完成时,头目看过答案,挥手叫他赶快离开。
塔姆在1958年获得诺贝尔物理学奖,但是他从未再遇见这位非凡的头目。
泰勒展开定理就是要利用微分和积分工具,来剖析函数的结构。
假设函数f定义在开区间(a,b)上,并且
c∈(a,b)
当我们知道f的信息越多,对f的剖析就越精细。
这个信息包括两个方面,一个是f的可微分的阶数逐渐提高,这是一种泛泛的条件;另一个是f在一点c的各阶微分系数的阶数也不断增加,这是一点(局部)的信息逐渐加深。
若f为一阶连续可微分函数,并已知f(c)之值,那么有微积分基本定理的Newton-Leibniz公式知
f(x)=f(c)+∫xcf′(x)dt(1)
即f(x) 可以剖析为清楚的f(c) 与尚未完全清清楚的
∫xcf′(t)dt
两项之和
若f 为二阶连续可微分,并且已知f(c) 与f′(c) 的值,那么由(1)式与分布积分公式得知。
f(x)=f(c)+∫xcf′(t)dt=f(c)−∫xcf′(t)d(x−t)=f(c)−[(x−t)f′(t)|xc−∫xcf′′(t)(x−t)dt]
从而
f(x)=f(c)+f′(c)(x−c)+∫xcf′′(t)(x−t)dt(2)
即f(x) 可以剖析为清楚地一次多项式f(c)+f′(c)(x−c) 与尚未完全清楚的
∫xcf′′(t)(x−t)dt
若f 为三阶连续可微分,并且已知f(c),f′(c),f′′(c) 之值,那么由(2)式与分部积分公式得知
f(x)=f(c)+f′(c)(x−c)−∫xcf′′(t)2!d(x−t)2=f(c)+f′(c)(x−c)−[f′′(t)2!(x−t)2|xc−∫xcf3(t)2!(x−t)2dt]
从而
f(x)=f(c)+f′(c)(x−c)+f′′(t)2!(x−c)2+∫xcf(3)(t)2!(x−t)2dt(3)
即f(x) 可以剖析成清楚的二次多项式
P2(x)=f(c)+f′(c)(x−c)+f′′(c)2!(x−c)2(4)
与尚未清楚的剩余项
R3(x)=∫xcf(3)(t)2!(x−t)2dt(5)
利用积分的平均值定理,(5)式又可以写成
R3(x)=f(3)(ϵ)3!(x−t)3(6)
我们称P2(x) 为二阶泰勒多项式。按上述推理过程,继续做下去(数学归纳法),我们就得到如下美丽的泰勒展开定理:
泰勒展开定理(1715年): 设函数f 在区间(a,b) 上具有n+1 阶连续的可微分,c∈(a,b),则对任意x∈(a,b)
可以展开成:
f(x)=f(c)+f′(c)(x−c)+f′′(c)2!(x−c)2+⋯+f(n)(c)n!(x−c)n+Rn+1(x)
其中的剩余项(或误差项)Rn+1(x) 可以表示成微分形式或积分形式:
Rn+1(x)=f(n+1)(ϵ)(n+1)!(x−c)(n+1)
其中ϵ 介于c 与 x 之间,或:
Rn+1(x)=∫xcf(n+1)(t)n!(x−t)ndt
注: 泰勒(B.Taylor,1685~1731)是牛顿的学生,具有相当的音乐与艺术才华。他为了探求音律之谜,首开其端利用微积分来研究弦振动问题(1713年),约一个世纪以后,傅里叶(Fourier)分析出现才达到高潮(1807年)。泰勒也研究投影画法的几何学,其美术作品至今仍然被珍藏于伦敦的国家画廊(the National Gallery)之中。
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