Processing math: 100%

Следствие (Формула Тейлора с остатком в форме Пеано)

Формулировка

Пусть  URn  —  открытая окрестность точки  xRn  и функция  f:UR  имеет в   U  непрерывные частные производные по всем переменным до порядка  m  включительно.

Пусть также  hRn  и  [x..x+h]U . Тогда справедливо представление

f(x+h)f(x)=mk=11k!ni1,,ik=1kfxi1xik(x)hi1hik+o(|h|m)
при |h|0, где |h|=h21+h2n.

Доказательство

В условиях текущей теоремы справедлива теорема о формуле Тейлора с остаточным членом в форме Лагранжа:
f(x+h)f(x)=m1k=11k!ni1,,ik=1kfxi1xik(x)hi1hik+rm(x)          ()

где при некотором  θ(0..1)

rm(x)=1m!ni1,,im=1mfxi1xim(x+θh)hi1him

По условию, все производные функции f до порядка m включительно непрерывны в окрестности U. Значит, справедливо представление
mfxi1xim(x+θh)=mfxi1xim(x)+αi1,im(x)
где каждая из функций αi1,im является бесконечно малой при |h|0.
При каждом i=¯1,m, очевидно, справедливо неравенство
|hi|=h2ih21+h2n=|h|      |hi1him||h|m          ()
А тогда при |h|0 имеем:
αi1,im(x)hi1him=o(|h|m)      ni1,,ik=1αi1,im(x)hi1him=o(|h|m)          ()
Подставим () и () в исходную формулу для остатка в форме Лагранжа: при |h|0
rm(x)=1m!ni1,,im=1mfxi1xim(x)hi1him+1m!ni1,,im=1αi1,im(x)hi1him=
=1m!ni1,,im=1mfxi1xim(x)hi1him+o(|h|m)
Наконец, подставив полученное выражение для остатка в формулу (), получим доказываемую формулу.

Примеры

Рассмотрим два разложения по формуле Тейлора с остатком в форме Пеано в окрестности нуля: при x2+y20
ex2+y=1+y+x2+12y2+x2y+16y3+o((x2+y2)3)
exsiny=y+xy16y3+12x2y+o((x2+y2)3)

Тест для закрепления материала

Формула Тейлора с остатком в форме Лагранжа

Формулировка

Пусть  [latex] U \subset \mathbb{R}^{n}[/latex]  —  открытая окрестность точки  [latex] x \in \mathbb{R}^{n}[/latex]  и функция  [latex] f: U \rightarrow \mathbb{R}[/latex]  имеет в   [latex] U [/latex]  непрерывные частные производные по всем переменным до порядка  [latex]m[/latex]  включительно.

Пусть также  [latex] h \in \mathbb{R}^{n}[/latex]  и  [latex] \left[ x..x+h \right] \subset U[/latex] . Тогда справедливо представление

f(x+h)f(x)=m1k=11k!ni1,,ik=1kfxi1xik(x)hi1hik+rm(x)

где при некотором  [latex] \theta \in \left(0 .. 1 \right)[/latex]

rm(x)=1m!ni1,,im=1mfxi1xim(x+θh)hi1him

Доказательство

Доказательство многомерного случая теоремы сводится к одномерному случаю посредством введения дополнительной функции
ϕ:[0,1]R
ϕ(t)=f(x+th)
По теореме о дифференцируемости сложной функции, функция  [latex] \phi [/latex]  дифференцируема на [latex] \left[ 0, 1 \right] [/latex] и её первая производная есть
ϕ(1)(t)=ni1=1fxi1(x+th)hi1
Аналогично, для второй производной справедлива формула
ϕ(2)(t)=ni1,i2=1kfxi1xi2(x+th)hi1hi2
По индукции получаем, что при любом [latex] k = \overline{1,m} [/latex]
ϕ(k)(t)=ni1,,ik=1kfxi1xik(x)hi1hik
Применим к функции  [latex] \phi [/latex]  одномерную теорему о формуле Тейлора с остаточным членом в форме Лагранжа. Согласно этой теореме, существует число  [latex] \theta \in \left(0 .. 1 \right)[/latex], такое, что
ϕ(t)ϕ(0)=m1k=1ϕ(k)(0)k!tk+tmm!ϕ(m)(θt)
Полагая  [latex] t = 1 [/latex], получаем:
ϕ(1)ϕ(0)=m1k=1ϕ(k)(0)k!+1m!ϕ(m)(θ)
Вычислив  [latex] \phi \left( 0 \right) = f\left( x \right)[/latex]  и  [latex] \phi \left( 1 \right) = f\left( x+h \right) [/latex]  и подставив в формулу выражения для производных  [latex] \phi ^ {\left( k \right)} [/latex], найденные выше, получим доказываемую формулу.

Замечания

Замечание  1. Нетрудно заметить, что
ni1,,ik=1kfxi1xik(x)hi1hik=(h1x1++hnxn)kf(x)
Это наблюдение позволяет записать основную формулу теоремы Тейлора в более эстетичной, с точки зрения некоторых, форме:
f(x+h)f(x)=m1k=11k!(h1x1++hnxn)kf(x)+rm(x)

Замечание  2. Рассмотрим общий вид формулы Тейлора для случая функции двух переменных:
f(x+h1,y+h2)f(x,y)=m1k=11k!(h1x+h2y)kf(x,y)+rm(x,y)
f(x+h1,y+h2)f(x,y)=m1k=11k!kp=0Cpkkfxkpyp(x,y)hkp1hp2+rm(x,y)

Замечание  3. Если в качестве точки [latex] x [/latex] взять точку [latex] \left(0, \cdots, 0 \right) [/latex], то формулу Тейлора называют формулой Маклорена.

Замечание  4. Формулу Тейлора можно использовать для приближённого вычисления значений рассматриваемой функции. В частности, если рассматривать разложение до членов первого порядка включительно, то получаем очень простую геометрическую интерпретацию: график функции «приближается» некоторой гиперплоскостью. В случае двух переменных речь идёт об обычной плоскости и описанную ситуацию можно схематично изобразить так:
taylor

Пример

Разложим по формуле Тейлора до членов второго порядка включительно функцию [latex] f \left( x, y \right) = e ^ {-\left(x^2 + y^2 \right)}[/latex] в окрестности точки [latex] \left( 1, 2 \right) [/latex]
Поскольку речь идёт о членах второго порядка, нам понадобятся производные вплоть до того же порядка. Найдём производные и вычислим их значения в точке разложения:
f(1,2)=e5
fx(x,y)=2xe(x2+y2)        fx(1,2)=2e5
fx(x,y)=2ye(x2+y2)        fx(1,2)=4e5
2fx2(x,y)=(2+4x2)e(x2+y2)        2fx2(1,2)=2e5
2fy2(x,y)=(2+4y2)e(x2+y2)        2fy2(1,2)=14e5

2fxy(x,y)=2fyx(x,y)=4xye(x2+y2)     2fxy(1,2)=2fyx(1,2)=8e5

Искомое разложение:
f(x,y)e5(12(x1)4(y2)+(x1)2+7(y2)2+8(x1)(y2))

Проверьте, насколько хорошо Вы знаете многомерные ряды Тейлора.

Оценка погрешности приближенного вычисления определенных интегралов по формуле Тейлора

Рассмотрим погрешность приближённого вычисления определённых интегралов по формуле Тейлора.

Обозначим погрешность через [latex]R_{n}[/latex]

[latex]R_{n}[/latex] представляет собой разность истинного значения определённого интеграла и полученного в результате приблизительного вычисления.

Разумеется, что истинное значение также считается приближённо. Иначе, можно было б использовать точные методы вычисления определённых интегралов.

Проанализируем погрешность вычисление примера 1 :

[latex]\int_{0}^{0.3} e^{-2x^{2}}=0.3-2\frac{0.3^{3}}{3}+2\frac{0.5^{5}}{5}-\frac{4*(0.3)^{7}}{21}+…=0.3-0.018+0.000972-…\approx[/latex]

[latex] \approx0.3-0.018=0.282[/latex]

Видем, что каждый следующий член суммы на порядки меньше предыдущего.

Если вычислить интеграл, взяв только первый член ряда, получим погрешность [latex]R_{n}\approx0.018972[/latex]

Два первых:

[latex]R_{n}\approx0.000972[/latex]

Имеем, что высокая точность достигается довольно быстро.

Аналогичные рассуждения можно провести с  примером 2.

Литература :

Примеры приближенного вычисления определенных интегралов по формуле Тейлора

Интегралы от некоторых функций не могут быть выражены через элементарные функции. Для нахождения таких интегралов применяются различные приближённые методы интегрирования, смысл которых состоит в том, чтобы заменить подынтегральную функцию на «близкую» к ней функцию, проинтегрировав которую, мы получим элементарную функцию.

В частности, мы рассмотрим один из таких методов — разложение подынтегральной функции в ряд Тейлора.

Принцип этого метода состоит в том, чтобы заменить подынтегральную функцию по формуле Тейлора и почленно проинтегрировать полученную сумму.

Проиллюстрируем данный метод на примере (вычислим с точностью до 0,001):

1) [latex]\int\limits_{0}^{0.3} e^{-2x^{2}}dx[/latex]

Спойлер

Рассмотрим ещё пример (вычислим с точностью до 0,0001):

2) [latex]\int\limits_{0}^{0.5} \frac{1-\cos(x)}{x^{2}}dx[/latex]

Спойлер

Литература :

Приближённое интегрирование

Данный тест поможет Вам усвоить материал этой записи.

Таблица лучших: Приближённое интегрирование

максимум из 13 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Оценка погрешности формулы Тейлора

Если остаток в формуле Тейлора latex |r_{n}(x_{0},x)|< \alpha _{0} &s=1,то формулу Тейлора для многочлена можно записать так: latex f(x)\approx 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} &s=1.

В свою очередь остаточный член: latex r_{n}(x_{0},x)=\frac{f^{(n+1)}(xi )}{(n+1)!}(x-x_{0})^{n+1} &s=1 — определяет погрешность формулы.

Задание:

Записать разложение по формуле Маклорена (latexx0=0) с остатком в форме Лагранжа. Оценить абсолютную погрешность.

Пример 1

latex \sin x=x-\frac{x^{3}}{6} &s=2, причём latex |x| \leq \frac{1}{2} &s=2

Решение

Исходная формула:

latex \sin x=x-\frac{x^{3}}{3!}+\frac{x^{5}}{5!}-…-\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!} &s=2

Обобщим запись:

latex \sin x=\sum\limits_{k=0}^{n} \frac{(-1)^{k}x^{2k+1}}{(2k+1)!}+\underset{x\rightarrow 0}{o(x^{2k+1})} &s=2

Выясним промежуток для переменной:

latex x \in \left ( -\frac{1}{2};\frac{1}{2} \right ) &s=2

Запишем разложение по формуле Тейлора:
latex \sin x=x-\frac{x^{3}}{3!}+\frac{\sin^{(4)}( x )}{4!}x^{4}=x-\frac{x^{3}}{3!}+\frac{\sin( x +4\frac{\pi }{2} )}{4!}x^{4}=x-\frac{x^{3}}{3!}+\frac{\sin( x +2\pi )}{4!}x^{4} &s=2

Пользуясь правилом приведения:

latex \sin( x +2\pi )=\sin x &s=2
latex \sin x=x-\frac{x^{3}}{3!}+\frac{\sin x}{4!}x^{4} &s=2

Оценим последнее слагаемое:

latex \left | \frac{\sin x}{4!}x^{4} \right |= \frac{\left | \sin x \right |}{4!}\left | x^{4} \right |\leq \frac{\left | x^{4} \right |}{4!}\leq \frac{\frac{1}{2}}{4!}=\frac{1}{16\cdot 1\cdot 2\cdot 3\cdot 4}=\frac{1}{384} &s=2

Пример 2

latex e^{x}\simeq1+x+\frac{x^{2}}{2!}+…+\frac{x^{n}}{n!} &s=2, latex 0\leq x\leq 1 &s=2

Решение

Выпишем и оценим остаток в формуле Тейлора:

latex |r_{n} ( x_{0},x )|=\left | \frac{e^{x }}{(n+1)!}x^{n+1} \right |\leq \left | \frac{e^{x }}{(n+1)!} \right | &s=2

Учитывая промежуток для переменной, запишем и оценим:
latex \begin{Bmatrix} 
x_i \in \left ( 0;1 \right )\ 
e\approx 2,71 
\end{Bmatrix}\Rightarrow \left | \frac{e^{x_i }}{(n+1)!} \right |\leq \frac{3}{(n+1)!} &s=2

Пример 3

latex \sqrt{1+x}\approx 1+\frac{x}{2}-\frac{x^{2}}{8} &s=2, latex 0\leq x\leq 1 &s=2

Решение

Запишем разложение:

latex \sqrt{1+x}=1+\frac{\alpha }{1!}x+\frac{\alpha (\alpha -1)}{2!}x^{2}+\frac{f^{(3)}(x_i)}{3!}x^{3} &s=2

Найдём производную:

latex f'(x)=\frac{1}{2\sqrt{1+x}} &s=2
latex f^{(2)}(x)=\frac{1}{2}((1+x)^{-\frac{1}{2}})’=-\frac{1}{4}(1+x)^{-\frac{3}{2}} &s=2
latex f^{(3)}(x)=(-\frac{1}{4})(-\frac{3}{2})(1+x)^{-\frac{5}{2}}=\frac{3}{8}(1+x)^{-\frac{5}{2}} &s=2
latex f^{(3)}(x_i )=\frac{3}{8}(1+x_i )^{-\frac{5}{2}} &s=2

Оценим последнее слагаемое:

latex \left | \frac{3}{8}\cdot \frac{(1+x_i )^{-\frac{5}{2}}}{3!} x^{3}\right |=\left |\frac{(1+x_i )^{-\frac{5}{2}}}{16} x^{3} \right |\leq \frac{2^{-\frac{5}{2}}}{16}\cdot 1< \frac{1}{16} &s=2

Источники: