Тема: Пять основных разложений

Лекция №15

Формула Тейлора с остаточным членом пеано.

Свойства многочлена Тейлора.

Формулы Тейлора.

Определение: (многочлена Тейлора) Пусть функция y=f(x) – n – раз дифференцируема в точке х₀ многочлен (полином) вида

T_n(х)=f(x₀)+[f’(x₀)(x-x₀)]/1!+ [f’’(x₀)(x-x₀)²]/2!+ [fⁿ(x₀)(x-x₀)]/n! называется многочлен Тейлора с центром в точке х₀ или многочленом по степеням (х-х₀)

Теорема: (основное свойство многочлена Тейлора) Пусть функция y=f(x) – n – раз дифференцируема в точке х₀ f(x)=T_n(x₀); f’(x₀)=T_n’(x₀),…,f⁽ⁿ⁾(x₀)=T_n⁽ⁿ⁾(x₀)

Доказательство; (подстановкой) T_n(х)=f(x₀)+[f’(x₀)(x-x₀)]/1!+ [f’’(x₀)(x-x₀)²]/2!+ [fⁿ(x₀)(x-x₀)]/n!, подставим х₀ получим T_n(x₀)=f(x₀). Продифференцируем многочлен Тейлора

T_n’(x)=f’(x₀)/1!+[f’’(x₀)2(x-x₀)]/2!+ [f’’’(x₀)3(x-x₀)²]/3!+ [fⁿ(x₀)n(x-x₀)^n-1]/n!, подставим вместо х х₀

T_n(x₀)=f(x₀)

T_n’’(x)=f’’(x₀)/1!+[f’’’(x₀)3·2(x-x₀)]/3!+…+ [f⁽ⁿ⁾(x₀)n(n-1)(x-x₀)^n-2]/n!

T_n’’(x)=f’’(x₀)

Теорема: Пусть функция y=f(x) – n – раз дифференцируема в точке х₀, тогда в О(х₀) f(x)=T_n(x)+o((x-x₀)ⁿ), x®x₀

f(x)= f(x₀)+[f’(x₀)(x-x₀)]/1!+ [f’’(x₀)(x-x₀)²]/2!+ [fⁿ(x₀)(x-x₀)ⁿ]/n!+0((x-x₀)ⁿ)(x-x₀)1

lim[f(x)-T_n(x)]/(x-x₀)ⁿ=(0/0)=lim [f’(x)-T_n’(x)]/n(x-x₀)^n-1=(0/0)=….=lim [f⁽ⁿ⁾(x)-T_n⁽ⁿ⁾(x)]/n!=0 Þ функция

^x®x_° ^x®x_° ^x®x_°

[f(x)-T_n(x)]/(x-x₀)ⁿ=a(х-х₀)ii Þ f(x)-T_n(x)=(x-x₀)ⁿa(x-x₀)=0((x-x₀)ⁿ) при х®х₀ что и требовалось доказать.

Замечание: в случае если х₀=0 формула Тейлора называется Маклорена f(x)=f(0)+[f’(0)x]/1!+ [f’’(0)x²]/2!+ [fⁿ(0)xⁿ]/n!+0xⁿ при х®0

1)y=e^x, x₀=0

y(0)=1

y’(0)=e^x|_x=0=1

y’’(0)=e^x|_x=0=1

y⁽ⁿ⁾(0)=e^x|_x=0=1

n=1 e^x=1+x+o(x),x®x₀

2) y=sinx, x₀=0

y(0)=0

y’(0)=cos|_x=0=1

y’’(0)=-sinx|_x=0=0

y’’’(0)=-cosx|_x=0=-1

y’’’’(0)=sinx|_x=0=0

если n – чётное, то y⁽ⁿ⁾(0)=0; n=2k+1 – нечётное y⁽ⁿ⁾(0)=(-1)^k

3) y=cosx, x₀=0

y(0)=1

y’(0)=-sinx|_x=0=0 *

y’’(0)=-cosx|_x=0=-1

y’’’(0)=sinx|_x=0=0

y’’’’(0)=cosx|_x=0=1

если n=2k – чётное, то y⁽ⁿ⁾(0)=(-1)^k; n=2k+1 – нечётное y⁽ⁿ⁾(0)=0

4) y=ln(1+x), x₀=0

y(0)=ln1=0

y’(0)=1/(1+x)|_x=0=1

y’’(0)=1(-1)/(x+1)²|_x=0=-1

y’’’(0)=(-1)(-2)/(x+1)³|_x=0=(-1)(-2)

y’’’’(0)= (-1)(-2)(-3)/(x+1)⁴|_x=0=(-1)(-2)(-3)

y⁽ⁿ⁾=[(-1)(-2)(-3)…(-n+1)]/(1+x)ⁿ|_x=0=(-1)^n-11·2·3…(n-1)=(-1)^n-1(n-1)!

5) y=(1+x)^p, x₀=0

y(0)=1

y’(0)=p(1+x)^p-1|_x=0=p

y’’(0)= p(p-1)(1+x)^p-2|_x=0=p(p-1)

y’’’(0)= p(p-1)(p-2)(1+x)^p-3|_x=0=p(p-1)(p-2)

y⁽ⁿ⁾=p(p-1)(p-2)…(p-n+1)(1+x)^p-n|_x=0=p(p-1)(p-2)…(p-n+1)

Если р – натуральное, то y⁽ⁿ⁾(0)=0 n³p+1

(либо n<p, если p-натуральное)