专题 泰勒公式及其应用
泰勒公式的应用范文
泰勒公式的应用范文泰勒公式是一种在微积分中用来近似计算函数值的方法。
它将一个函数表示为一个无穷级数的形式，使得我们可以通过计算级数中的有限项来近似计算函数的值。
泰勒公式广泛应用于数学、物理学、工程学和计算机科学等领域，并对数值计算和数学建模等重要任务具有重要意义。
以下将介绍泰勒公式在这些领域的一些应用。
一、在数学领域的应用：1.函数近似：泰勒公式可用于近似计算一个函数在其中一点的函数值，特别是在点附近的小区间内。
这对于无法直接计算的复杂函数或含有未知变量的函数是非常有用的。
2.导数和高阶导数的计算：泰勒公式可以通过计算级数中的有限项来近似计算一个函数在其中一点的导数。
这对于无法直接计算导数或高阶导数的函数是非常有用的。
3.极限计算：泰勒公式提供了一种计算函数在一个点的极限的方法，特别是对于无法直接计算的函数或复杂函数而言。
二、在物理学领域的应用：1.运动学和动力学：泰勒公式可用于近似计算运动学和动力学中各种物理量的变化率，如速度、加速度和力。
2.波动学：泰勒公式可以近似计算波函数随时间和位置的变化，从而帮助解决波动学相关的问题，如声波、光波和电磁波等。
3.热力学：泰勒公式可用于计算物体在热力学过程中的温度、能量和熵等的变化。
三、在工程学领域的应用：1.信号处理：泰勒公式可以用于近似表示信号在时间域和频域中的变化，从而帮助处理和分析各种类型的信号。
2.控制理论：泰勒公式可用于近似表示控制系统中各种变量的变化，从而帮助设计和优化控制器，以实现稳定和可靠的系统性能。
3.电路分析：泰勒公式可用于近似计算电路中各种元件的电压、电流和功率等的变化，特别是在非线性电路和非稳态电路的分析中。
四、在计算机科学领域的应用：1.数值计算：泰勒公式可用于近似计算各种数学函数的值，从而帮助实现高效和准确的数值计算方法，如数值积分、数值微分和数值优化等。
2.图像处理：泰勒公式可以用于近似表示图像中各个像素值的变化，从而帮助实现图像增强、图像压缩和图像恢复等处理算法。
泰勒公式在高考中的应用之终极版
泰勒公式在高考中的应用之终极版泰勒公式是一个基本的数学工具，在高考数学考试中经常被使用。
它是由英国数学家布鲁克·泰勒在18世纪所发现和证明的。
泰勒公式可以将一个函数近似地表示为多项式的形式，从而方便进行计算和推导。
在高考中，泰勒公式可以用来求解一些复杂的数学问题，如函数的极限、导数、等等。
下面将介绍一些泰勒公式在高考中的应用。
首先，泰勒公式可以用来求解函数的极限。
在高考的数学竞赛中，常常会涉及到求解一些复杂函数的极限问题。
泰勒公式给出了一种求解这类问题的方法。
通过将函数在其中一点展开成多项式的形式，我们可以用多项式逼近原函数，并简化求解。
其次，泰勒公式可以用来推导函数的导数。
在高考的微积分考试中，导数是一个非常重要的概念。
泰勒公式可以用来推导函数的导数，从而帮助我们简化计算。
通过泰勒公式，我们可以将函数在其中一点的导数表示为多项式的形式，从而得到导数的表达式，进一步进行求解。
另外，泰勒公式还可以用来求解函数的泰勒级数。
在高考的数学竞赛中，经常会涉到求解一些复杂函数的泰勒级数问题。
泰勒级数是一种将函数展开成无穷级数的表示方法，可以方便进行计算和推导。
通过泰勒公式，我们可以得到函数在其中一点的泰勒级数表达式，从而进一步求解函数的性质和行为。
最后，泰勒公式还可以用来求解函数的逼近问题。
在高考的数学竞赛中，常常会涉及到求解一些复杂函数的逼近问题。
泰勒公式可以将一个函数近似地表示为多项式的形式，从而进行求解。
通过泰勒公式，我们可以用多项式逼近原函数，从而得到对原函数的近似解，进一步进行计算和推导。
综上所述，泰勒公式在高考中具有广泛的应用。
它可以用来求解函数的极限、推导函数的导数、求解函数的泰勒级数以及进行函数的逼近等。
在高考中，熟练掌握泰勒公式的应用，可以帮助我们更好地理解数学问题和解决数学问题，提高数学能力。
因此，学生们应该认真学习和掌握泰勒公式的理论知识和实际应用，以便在高考中取得更好的成绩。
(完整版)泰勒公式及其应用(数学考研)
第2章 预备知识前面一章我们介绍了一下泰勒和他的成就，那他的主要杰作泰勒公式究竟在数学中有多大的用处呢？那么从这一章开始我们就要来学习一下所谓的泰勒公式，首先来了解一下它是在什么样的背景下产生的．给定一个函数)(x f 在点0x 处可微，则有：)()()()(000x x x f x f x x f ∆+∆'+=∆+ο这样当1<<∆x 时可得近似公式x x f x f x x f ∆'+≈∆+)()()(000或))(()()(000x x x f x f x f -'+=，10<<-x x即在0x 点附近，可以用一个x 的线形函数（一次多项式）去逼近函数f ，但这时有两个问题没有解决：（1） 近似的程度不好，精确度不高．因为我们只是用一个简单的函数—一次多项式去替代可能是十分复杂的函数f ．（2）近似所产生的误差不能具体估计，只知道舍掉的是一个高阶无穷小量)(0x x -ο，如果要求误差不得超过410-，用))(()(000x x x f x f -'+去替代)(x f 行吗？因此就需要用新的逼近方法去替代函数．在下面这一节我们就来设法解决这两个问题．2.1 Taylor 公式首先看第一个问题，为了提高近似的精确程度，我们可以设想用一个x 的n 次多项式在0x 附近去逼近f ，即令n n x x a x x a a x f )(...)()(0010-++-+= （2.1）从几何上看，这表示不满足在0x 附近用一条直线（曲线)(x f y =在点))(,(00x f x 的切线）去替代)(x f y =，而是想用一条n 次抛物线n n x x a x x a a x f )(...)()(0010-++-+=去替代它．我们猜想在点))(,(00x f x 附近这两条曲线可能会拟合的更好些．那么系数0a ，1a …n a 如何确定呢？假设f 本身就是一个n 次多项式，显然，要用一个n 次多项式去替代它，最好莫过它自身了，因此应当有n n x x a x x a a x f )(...)()(0010-++-+=于是得：)(00x f a =第2章 预备知识2求一次导数可得：)(01x f a '= 又求一次导数可得：!2)(02x f a ''= 这样进行下去可得：!3)(03x f a '''=，!4)(0)4(4x f a =，… ，!)(0)(n x f a n n = 因此当f 是一个n 次多项式时，它就可以表成：k nk k nn x x k x f x x n x fx x x f x f x f )(!)()(!)(...))(()()(000)(00)(000-=-++-'+=∑= （2.2） 即0x 附近的点x 处的函数值)(x f 可以通过0x 点的函数值和各级导数值去计算．通过这个特殊的情形，我们得到一个启示，对于一般的函数f ，只要它在0x 点存在直到n 阶的导数，由这些导数构成一个n 次多项式n n n x x n x f x x x f x x x f x f x T )(!)(...)(!2)())(()()(00)(200000-++-''+-'+=称为函数)(x f 在点0x 处的泰勒多项式，)(x T n 的各项系数!)(0)(k x fk ),...,3,2,1(n k = ，称为泰勒系数．因而n 次多项式的n 次泰勒多项式就是它本身．2.2 Taylor 公式的各种余项对于一般的函数，其n 次Taylor 多项式与函数本身又有什么关系呢？函数在某点0x 附近能近似地用它在0x 点的n 次泰勒多项式去替代吗？如果可以，那怎样估计误差呢？下面的Taylor 定理就是回答这个问题的．定理1]10[ (带拉格朗日型余项的Taylor 公式)假设函数)(x f 在h x x ≤-||0上存在直至1+n 阶的连续导函数，则对任一],[00h x h x x +-∈,泰勒公式的余项为10)1()()!1()()(++-+=n n n x x n f x R ξ其中)(00x x x -+=θξ为0x 与x 间的一个值.即有10)1(00)(000)()!1()()(!)(...))(()()(++-++-++-'+=n n nn x x n f x x n x fx x x f x f x f ξ (2.3) 推论1]10[ 当0=n ，（2.3）式即为拉格朗日中值公式：))(()()(00x x f x f x f -'=-ξ所以，泰勒定理也可以看作是拉格朗日中值定理的推广． 推论2]10[ 在定理1中,若令)0()()1(!)()(101)1(>--⋅=+-++p x x n p fx R n p n n n θξ则称)(x R n 为一般形式的余项公式, 其中0x x x --=ξθ．在上式中，1+=n p 即为拉格朗日型余项．若令1=p ，则得)0()()1(!)()(10)1(>--=++p x x n f x R n n n n θξ,此式称为柯西余项公式．当00=x ，得到泰勒公式：11)(2)!1()(!)0(...!2)0()0()0()(++++++''+'+=n n n n x n x f x n f x f x f f x f θ）（，)10(<<θ （2.4）则（2.4）式称为带有拉格朗日型余项的麦克劳林公式．定理２]10[ （带皮亚诺型的余项的Taylor 公式） 若函数f 在点0x 处存在直至n 阶导数，则有∑=-=nk k k n x x k x fx P 000)()(!)()(， )()()(x P x f x R n n -=．则当0x x →时，))(()(0n n x x x R -=ο．即有))(()(!)(...))(()()(000)(000n n n x x x x n x f x x x f x f x f -+-++-'+=ο （2.5）定理3所证的（2.5）公式称为函数)(x f 在点0x 处的泰勒公式，)()()(x P x f x R n n -=， 称为泰勒公式的余项的，形如))((0n x x -ο的余项称为皮亚诺型余项，所以（2.5）式又称为带有皮亚诺型余项的泰勒公式当（2.5）式中00=x 时，可得到)(!)0(...!2)0()0()0()()(2n nn x x n f x f x f f x f ο+++''+'+= （2.6）（2.6）式称为带有皮亚诺型余项的麦克劳林公式，此展开式在一些求极限的题目中有重要应用．由于))(()(0n n x x x R -=ο，函数的各阶泰勒公式事实上是函数无穷小的一种精细分析，也是在无穷小领域将超越运算转化为整幂运算的手段．这一手段使得我们可能将无理的或超越函数的极限，转化为有理式的极限，从而使得由超越函数所带来的极限式的奇性或不定性，得以有效的约除，这就极大的简化了极限的运算．这在后面的应用中给以介绍．第2章 预备知识4定理３ 设0>h ，函数)(x f 在);(0h x U 内具有2+n 阶连续导数，且0)(0)2(≠+x f n ，)(x f 在);(0h x U 内的泰勒公式为10,)!1()(!)(...)()()(10)1(0)(000<<+++++'+=+++θθn n n n h n h x fh n x fh x f x f h x f （2.7）则21lim 0+=→n h θ． 证明：)(x f 在);(0h x U 内的带皮亚诺型余项的泰勒公式：)()!2()()!1()(!)(...)()()(220)2(10)1(0)(000++++++++++++'+=+n n n n n n n h h n x f h n x f h n x f h x f x f h x f ο将上式与（2.7）式两边分别相减，可得出)()!2()()!1()(-)(220)2(10)1(0)1(++++++++=++n n n n n n h h n x fhn x fh x fοθ，从而220)2(0)1(0)1()()!2()()()()!1(+++++++=-+⋅+n n n n n h h n x f h x f h x fn οθθθ，令0→h ，得)!2()()(lim )!1(10)2(0)2(0+=⋅⋅+++→n x fx f n n n h θ，故21lim 0+=→n h θ． 由上面的证明我们可以看得出，当n 趋近于无穷大时，泰勒公式的近似效果越好，拟合程度也越好．第3章 泰勒公式的应用由于泰勒公式涉及到的是某一定点0x 及0x 处函数)(0x f 及n 阶导数值：)(0x f '，)(0x f ''，…，)(0)(x fn ，以及用这些值表示动点x 处的函数值)(x f ，本章研究泰勒公式的具体应用，比如近似计算，证明中值公式，求极限等中的应用．3.1 应用Taylor 公式证明等式例3.1.1 设)(x f 在[]b a ,上三次可导，试证： ),(b a c ∈∃，使得3))((241))(2()()(a b c f a b b a f a f b f -'''+-+'+= 证明： (利用待定系数法)设k 为使下列式子成立的实数：0)(241))(2()()(3=---+'--a b k a b b a f a f b f （3.1） 这时，我们的问题归为证明：),(b a c ∈∃，使得：)(c f k '''=令3)(241))(2()()()(a x k a x x a f a f x f x g ---+'--=，则0)()(==b g a g ． 根据罗尔定理，),(b a ∈∃ξ，使得0)(='ξg ，即：0)(82)()2()2()(2=---+''-+'-'a k a a f a f f ξξξξξ 这是关于k 的方程，注意到)(ξf '在点2ξ+a 处的泰勒公式：2))((812)()2()2()(a c f a a f a f f -'''+-+''++'='ξξξξξ 其中),(b a c ∈∃，比较可得原命题成立．例3.1.2 设)(x f 在[]b a ,上有二阶导数，试证：),(b a c ∈∃，使得3))((241)2()()(a b c f b a f a b dx x f ba-''++-=⎰． （3.2） 证明：记20ba x +=，则)(x f 在0x 处泰勒公式展开式为： 20000)(2)())(()()(x x f x x x f x f x f -''+-'+=ξ （3.3）对（3.3）式两端同时取[]b a ,上的积分，注意右端第二项积分为0，对于第三项的积分，由于导数有介值性，第一积分中值定理成立：),(b a c ∈∃，使得第3章 泰勒公式的应用632020))((121)()())((a b c f dx x x c f dx x x f baba-''=-''=-''⎰⎰ξ 因此原命题式成立．因此可以从上述两个例子中得出泰勒公式可以用来证明一些恒等式，既可以证明微分中值等式，也可以证明积分中值等式．以后在遇到一些等式的证明时，不妨可以尝试用泰勒公式来证明．证明等式后我们在思考，它能否用来证明不等式呢？经研究是可以的，下面我们通过几个例子来说明一下．3.2 应用Taylor 公式证明不等式例3.4设)(x f 在[]b a ,上二次可微，0)(<''x f ，试证：b x x x a n ≤<<≤≤∀...21，0≥i k ，11=∑=n i i k ，∑∑==>ni i i n i i i x f k x k f 11)()(．证明：取∑==ni i i x k x 10，将)(i x f 在0x x =处展开))(()()(2)())(()()(00020000x x x f x f x x f x x x f x f x f i i i i i -'+<-''+-'+=ξ 其中()n i ,...,3,2,1=．以i k 乘此式两端，然后n 个不等式相加，注意11=∑=ni i k()00110=-=-∑∑==x x k x xk ni i i ni ii得：)()()(101∑∑===<ni i i ni i ix k f x f x f k．例3.2.2 设)(x f 在[]1,0上有二阶导数，当10≤≤x 时，1)(≤x f ，2)(<''x f ．试证：当10≤≤x 时，3)(≤'x f ．证明：)(t f 在x 处的泰勒展开式为：2)(!2)())(()()(x t f x t a f x f t f -''+-'+=ξ 其中将t 分别换为1=t ，0=t 可得：2)1(!2)()1)(()()1(x f x x f x f f -''+-'+=ξ （3.4） 2)(!2)())(()()0(x f x x f x f f -''+-'+=η （3.5）所以（3.4）式减（3.5）式得：22!2)()1(!2)()()0()1(x f x f x f f f ηξ''--''+'=- 从而，312)1(2)(21)1()(21)0()1()(2222=+≤+-+≤''+-''++≤'x x x f x f f f x f ηξ 例3.2.3 设)(x f 在[]b a ,上二阶可导，0)()(='='b f a f ，证明：),(b a ∈∃ξ，有|)()(|)(4|)(|2a fb f a b f --≥''ξ．证明：)(x f 在a x =，b x =处的泰勒展开式分别为：21)(!2)())(()()(a x f a x a f a f x f -''+-'+=ξ，),(1x a ∈ξ 22)(!2)())(()()(b x f b x b f b f x f -''+-'+=ξ，),(2b x ∈ξ令2ba x +=，则有 4)(!2)()()2(21a b f a f b a f -''+=+ξ，)2,(1ba a +∈ξ （3.6）4)(!2)()()2(22a b f b f b a f -''+=+ξ，),2(2b b a +∈ξ （3.7） （3.7）－（3.6）得：[]0)()(8)()()(122=''-''-+-ξξf f a b a f b f 则有[])()(8)()()(8)()()(122122ξξξξf f a b f f a b a f b f ''+''-≤''-''-=- 令{})(,)(max )(21ξξξf f f ''''=''，即有|)()(|)(4|)(|2a fb f a b f --≥''ξ． 例3.2.4 设)(x f 二次可微，0)1()0(==f f ，2)(max 10=≤≤x f x ，试证：16)(min 10-≤''≤≤x f x ．证明：因)(x f 在[]1,0上连续，故有最大值，最小值．又因2)(max 10=≤≤x f x ，0)1()0(==f f ，故最大值在()1,0内部达到，所以()1,00∈∃x 使得)(max )(100x f x f x ≤≤=于是)(0x f 为极大值，由费马定理有：0)(0='x f ，在0x x =处按Taylor 公式展开：)1,0(,∈∃ηξ使得：第3章 泰勒公式的应用82002)()()0(0x f x f f ξ''+==， （3.8） 200)1(2)()()1(0x f x f f -''+==η． （3.9）因此{}⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧---=''''≤''≤≤202010)1(4,4min )(),(min )(min x x f f x f x ηξ 而⎥⎦⎤⎢⎣⎡∈1,210x 时，16)1(4)1(4,4min 202020-≤--=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧---x x x ， ⎥⎦⎤⎢⎣⎡∈21,00x 时，164)1(4,4min 202020-≤-=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧---x x x ． 所以，16)(min 10-≤''≤≤x f x ．由上述几个例题可以看出泰勒公式还可以用来证明不等式，例3.2.1说明泰勒公式可以根据题目的条件来证明函数的凹凸性，例3.2.2说明可以对某些函数在一定范围内的界进行估计，例3.2.3是用泰勒公式证明中值不等式，例3.2.4与例3.2.2很相似，只不过前者是界的估计，后者是对导数的中值估计．证明不等式有很多种方法，而学习了泰勒公式后，又增添了一种方法，在以后的学习中我们要会灵活应用．但前提是要满足应用的条件，那就是泰勒公式成立的条件．3.3 应用Taylor 公式求极限例3.3.1求422cos limxex x x -→-．解：在这里我们用泰勒公式求解，考虑到极限，用带皮亚诺型余项的麦克劳林公式展开，则有)(2421cos 542x x x x ο++-=)(82154222x x x ex ο++-=-)(12cos 5422x x ex x ο+-=--所以，121)(12lim cos lim4540242-=+-=-→-→xx x xex x x x ο． 像这类函数用泰勒公式求极限就比较简单，因为使用洛毕达法则比较麻烦和复杂．例 3.3.2 设函数)(x ϕ在[)+∞,0上二次连续可微，如果)(lim x x ϕ+∞→存在，且)(x ϕ''在[)+∞,0上有界，试证：0)(lim ='+∞→x x ϕ．证明：要证明0)(lim ='+∞→x x ϕ，即要证明：0>∀ε，0>∃δ．当M x >时()εϕ<'x ． 利用Taylor 公式，0>∀h ，2)(21)()()(h h x x h x ξϕϕϕϕ''+'+=+ （3.10）即[]h x h x h x )(21)()(1)(ξϕϕϕϕ''--+=' （3.11） 记)(lim x A x ϕ+∞→=，因)(x ϕ''有界，所以0>∃M ，使得M x ≤'')(ϕ， )0(≥∀x故由（3.11）知[]h x A A h x h x |)(|21)()(1)(ξϕϕϕϕ''+-+-+≤' （3.12） 0>∀ε，首先可取0>h 充分小，使得221ε<Mh ， 然后将h 固定，因)(lim x A x ϕ+∞→=， 所以0>∃δ，当δ>x 时[]2)()(1εϕϕ<-+-+x A A h x h 从而由（3.12）式即得：εεεϕ=+<'22)(x ．即0)(lim ='+∞→x x ϕ例3.3.3 判断下列函数的曲线是否存在渐近线，若存在的话，求出渐近线方程． （1）32)1)(2(+-=x x y ；（2）)1(cos 2215x e xx y --=．解：（1）首先设所求的渐近线为 b ax y +=，并令 xu 1=，则有：第3章 泰勒公式的应用100)(1lim )()321)(321(lim )1()21(lim])1)(2([lim 003231032=+--=+--+-=--+-=--+-→→→∞→uu bu a u u bu a u u ubu a u u b ax x x u u u x οο从中解出：1=a ，0=b ．所以有渐近线：x y =．（2）设b ax y +=，xu 1=，则有 0)()4221)(2421(lim cos lim ])1(cos [lim 554424205542021522=+--⋅+-+-=---=---→-→-∞→u u bu au u u u u u bu au e u b ax e x x u u u xx ο从中解出：121-=a ，0,1==b a ． 所以有渐近线：x y 121-=．从上面的例子中我们可以看得出泰勒公式在判断函数渐近线时的作用，因而我们在判断函数形态时可以考虑这个方法，通过求极限来求函数的渐进线．上述三个例子都是泰勒公式在求极限的题目上的应用，例3.3.1是在具体点或者是特殊点的极限，而第二个例子是求无穷远处的极限，第三个是利用极限来求函数的渐近线，学习了数学分析，我们知道求极限的方法多种多样，但对于有些复杂的题目我们用洛必达法则或其他方法是很难求出，或者是比较复杂的，我们不妨用泰勒公式来解决．3.4 应用Taylor 公式求中值点的极限例3.4.1]4[ 设(1))(x f 在),(00δδ+-x x 内是n 阶连续可微函数，此处0>δ； (2)当)1(,...,3,2-=n k 时，有0)(0)(=x f k ，但是0)(0)(≠x f n ；(3)当δ<≠h 0时有))(()()(000h h x f hx f h x f θ+'=-+． （3.13）其中1)(0<<h θ，证明：101)(lim -→=n h nh θ． 证明：要求出)(h θ的极限必须设法解出)(h θ，因此将（3.13）式左边的)(0h x f +及右端的))((0h h x f θ+'在0x 处展开，注意条件(2)，知)1,0(,21∈∃θθ使得())(!)()()(10000h x f n h x f h x f h x f n n θ++'+=+， （3.14） ))(()!1())(()())((20)(1100h h x f n h h x f h h x f n n n θθθθ+-+'=+'--， （3.15）于是（3.13）式变为=++'-)(!)(10)(10h x f n h x f n n θ))(()!1())(()(20)(110h h x f n h h x f n n n θθθ+-+'--从而120)(10)())(()()(-++=n n n h h x nf h x f h θθθθ． 因)1,0()(,,21∈h θθθ，利用)()(x f n 的连续性，由此可得101)(lim -→=n h nh θ． 这个例子可以作为定理来使用，但前提是要满足条件．以后只要遇到相关的题目就可以简单应用．3.5 应用Taylor 公式近似计算由于泰勒公式主要是用一个多项式去逼近函数，因而可用于求某些函数的近似值，或根据误差确定变量范围．特别是计算机编程上的计算．例3.5.1 求：（1）计算e 的值，使其误差不超过610-；（2）用泰勒多项式逼近正弦函数x sin ，要求误差不超过310-，以2=m 的情形讨论x 的取值范围．解：(1) 由于x e 的麦克劳林的泰勒展开式为： 10,)!1(!...!2112<<++++++=+θθn xn x x n e n x x x e 当1=x 时，有)!1(!1...!2111++++++=n e n e θ故)!1(3)!1()1(+<+=n n e R n θ． 当9=n 时，有第3章 泰勒公式的应用 12691036288003!103)1(-<<=R 从而省略)1(9R 而求得e 的近似值为： 718285.2!91...!31!2111≈+++++≈e (2) 当2=m 时， 6sin 3x x x -≈，使其误差满足： 355410!5!5cos )(-<≤=x x x x R θ 只需6543.0<x （弧度），即大约在原点左右37°29′38″范围内，上述三次多项式逼近的误差不超过310-．3.6 应用Taylor 公式求极值定理3.1 ]12[ 设f 在0x 附近有1+n 阶连续导数，且)(0x f ')(0x f ''=0)(...0)(===x f n ， 0)(0)1(≠+x f n（1）如果n 为偶数，则0x 不是f 的极值点．（2）如果n 为奇数，则0x 是f 的严格极值点，且当0)(0)1(>+x fn 时，0x 是f 的严格极小值点；当0)(0)1(<+x f n 时，0x 是f 的严格极大值点．证明：将f 在0x 点处作带皮亚诺型余项的Taylor 展开，即：))(()()!1()()()(10100)1(0+++-+-++=n n n x x x x n x f x f x f ο 于是1010100)1(0)()())(()!1()()()(++++-⎥⎦⎤⎢⎣⎡--++=-n n n n x x x x x x n x f x f x f ο 由于)!1()()())(()!1()(lim 0)1(10100)1(0+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--++++++→n x f x x x x n x f n n n n x x ο 故0>∃δ，),(00δδ+-x x 中，10100)1()())(()!1()(+++--++n n n x x x x n x f ο与)!1()(0)1(++n x f n 同号． （1）如果n 为偶数，则由10)(+-n x x 在0x 附近变号知，)()(0x f x f -也变号，故0x 不是f 的极值点．（2）如果n 为奇数，则1+n 为偶数，于是，10)(+-n x x 在0x 附近不变号，故)()(0x f x f -与)!1()(0)1(++n x f n 同号． 若0)(0)1(>+x f n ，则)()(0x f x f >，)(),(0,000δδ+-∈∀x x x x x ，0x 为f 的严格极小值点． 若0)(0)1(<+x f n ，则)()(0x f x f <，)(),(0,000δδ+-∈∀x x x x x ，0x 为f 的严格极大值点．例3.6.1 试求函数34)1(-x x 的极值．解：设34)1()(-=x x x f ，由于)47()1()(23--='x x x x f ，因此74,1,0=x 是函数的三个稳定点．f 的二阶导数为)287)(1(6)(22+--=''x x x x x f ，由此得，0)1()0(=''=''f f 及0)74(>''f ．所以)(x f 在74=x 时取得极小值． 求三阶导数)4306035(6)(23-+-='''x x x x x f ，有0)0(='''f ，0)1(>'''f ．由于31=+n ，则2=n 为偶数，由定理3.1知f 在1=x 不取极值.再求f 的四阶导数)1154535(24)(23)4(-+-=x x x x f ，有0)0()4(<f ．因为41=+n ，则3=n 为奇数，由定理3.1知f 在0=x 处取得极大值．综上所述，0)0(=f 为极大值，82354369127374)74(34-=-=）（）（f 为极小值． 由上面的例题我们可以了解到定理3.1也是判断极值的充分条件．3.7 应用Taylor 公式研究函数图形的局部形态定理3.2]12[ 设R X ∈为任一非空集合，X x ∈0，函数R X f →:在0x 处n 阶可导，且满足条件：)(0x f ''0)(...)(0)1(0==='''=-x f x f n ，0)(0)(≠x f n ．（1）n 为偶数，如果)0(0)(0)(<>x f n ，则曲线)(x f y =在点))(,(00x f x 的邻近位于曲线过此点的切线的上（下）方．（2）n 为奇数，则曲线)(x f y =在点))(,(00x f x 的邻近位于该点切线的两侧，此时称曲线)(x f y =在点))(,(00x f x 处与该点的切线横截相交．证明：因为f 在0x 处n 阶可导，并且)(0x f ''0)(...)(0)1(0==='''=-x f x f n ，0)(0)(≠x f n ，所以f 在0x 的开邻域 ),(0δx B 内的n 阶Taylor 公式为第3章 泰勒公式的应用 14))(()(!)())(()()(000)(000n n n x x x x n x f x x x f x f x f -+-+-'+=ο )(0x x → 于是[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+-=-'+-n n n nx x x x n x f x x x x x f x f x f )())((!)()())(()()(000)(0000ο 由于!)()())((!)(lim 0)(000)(0n x f x x x x n x f n n n n x x =⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+→ο 由此可见：0>∃δ，),(0δx B X x ∈∀，有：[]))(()()(000x x x f x f x f -'+-与n n x x n x f )(!)(00)(-同号． （1）当n 为偶数，如果0)(0)(>x f n ，则[]0))(()()(000>-'+-x x x f x f x f ，),(0δx B X x ∈∀这就表明在点))(,(00x f x 邻近，曲线)(x f y =位于切线))(()(000x x x f x f y -'+=的上方；如果0)(0)(<x f n ，则有[]0))(()()(000<-'+-x x x f x f x f ，),(0δx B X x ∈∀因此，在点))(,(00x f x 邻近，曲线)(x f y =位于切线))(()(000x x x f x f y -'+=的下方．（2）当n 为奇数，这时若)0(0)(0)(<>x f n ，则[])0(0))(()()(000<>-'+-x x x f x f x f ， ),(0δx B X x+∈∀ [])0(0))(()()(000><-'+-x x x f x f x f ， ),(0δx B X x-∈∀ 由此知，在0x 的右侧，曲线)(x f y =位于切线))(()(000x x x f x f y -'+=的上（下）方；而在0x 的左侧，曲线)(x f y =位于切线))(()(000x x x f x f y -'+=的下（上）方．因此，曲线)(x f y =在点))(,(00x f x 处与该点的切线横截相交．3.8 应用Taylor 公式研究线形插值例 3.8.1（线形插值的误差公式） 设R b a f →],[:为实一元函数，l 为两点))(,(a f a 与))(,(b f b 所决定的线形函数，即)()()(b f a b a x a f a b x b x l --+--=，l 称为f 在区间],[b a 上的线形插值．如果f 在区间],[b a 上二阶可导，f 在],[b a 上连续，那么，我们可以对这种插值法带来的误差作出估计．应用带Lagrange 型余项Taylor 公式：),(x a ∈∃ξ，),(b x ∈∃η，使得 [][])(2))(()()(2))(()()(21)()()()(21)()()()()()()()(22ζηξηξf a x x b f a b x b f a b a x a x x b f x b x f x b a b a x f x a x f x a a b x b x f b f ab a x x f a f a b x b x f x l ''--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡''--+''----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡''-+'---+⎥⎦⎤⎢⎣⎡''-+'---=---+---=-其中，),(b a ∈ζ，最后一个式子是由于0>--a b x b ，0>--ab a x ． )}(),(max{)()())}((),(min{)}(),(min{ηξηξηξηξf f f ab x b f a b a x ab x b a b a x f f f f ''''≤''--+''--≤--+--''''='''' 以及Darboux 定理推得．如果M 为)(x f ''的上界（特别当)(x f ''在],[b a 上连续时，根据最值定理，取)(max ],[x f M b a x ''=∈），则误差估计为 M a b f a x x b x f x l 2)(|)(|2))(()()(2-≤''--≤-ζ，],[b a x ∈∀ 这表明，M 愈小线性插值的逼近效果就会愈好，当M 很小时，曲线)(x f y =的切线改变得不剧烈，这也是符合几何直观的．3.9 应用Taylor 公式研究函数表达式例3.9.1]4[ 设在内有连续三阶导数，且满足方程：)()()(h x f h x f h x f θ+'+=+，10<<θ．(θ与h 无关) （3.16）试证：)(x f 是一次或二次函数．证明：要证)(x f 是一次或二次函数，就是要证0)(≡''x f 或0)(≡'''x f ．因此要将（3.16）式对h 求导，注意θ与h 无关，我们有)()()(h x f h h x f h x f θθθ+''++'=+' （3.17）从而)()()()()(h x f hh x f x f x f h x f θθθ+''=+'-'+'-+' （3.18） 令0→h ，对（3.17）式两边取极限得：)()()(x f x f x f ''=''-''θθ，即第3章 泰勒公式的应用16 )(2)(x f x f ''=''θ 若21≠θ，由此知0)(≡''x f ，)(x f 为一次函数； 若21=θ，则（3.17）式变成：)21(21)21()(h x f h h x f h x f +''++'=+'．此式两端同时对h 求导，减去)(x f ''，除以h ，然后令0→h 取极限，即得0)(≡'''x f ，即)(x f 为二次函数．实际上在一定条件下证明某函数0)(≡x f 的问题，我们称之为归零问题， 因此上例实际上也是)(x f ''，)(x f '''的归零。
泰勒公式及其应用典型例题共5页
泰勒公式及其应用常用近似公式，将复杂函数用简单的一次多项式函数近似地表示，这是一个进步。
当然这种近似表示式还较粗糙（尤其当较大时），从下图可看出。
上述近似表达式至少可在下述两个方面进行改进：1、提高近似程度，其可能的途径是提高多项式的次数。
2、任何一种近似，应告诉它的误差，否则，使用者“心中不安”。
将上述两个想法作进一步地数学化：对复杂函数，想找多项式来近似表示它。
自然地，我们希望尽可能多地反映出函数所具有的性态——如：在某点处的值与导数值；我们还关心的形式如何确定；近似所产生的误差。
【问题一】设在含的开区间内具有直到阶的导数，能否找出一个关于的次多项式近似?【问题二】若问题一的解存在，其误差的表达式是什么?一、【求解问题一】问题一的求解就是确定多项式的系数。
上述工整且有规律的求系数过程，不难归纳出：于是，所求的多项式为：(2)二、【解决问题二】泰勒(Tayler)中值定理若函数在含有的某个开区间内具有直到阶导数，则当时，可以表示成这里是与之间的某个值。
先用倒推分析法探索证明泰勒中值定理的思路：这表明：只要对函数及在与之间反复使用次柯西中值定理就有可能完成该定理的证明工作。
【证明】以与为端点的区间或记为，。
函数在上具有直至阶的导数，且函数在上有直至阶的非零导数，且于是，对函数及在上反复使用次柯西中值定理，有三、几个概念1、此式称为函数按的幂次展开到阶的泰勒公式；或者称之为函数在点处的阶泰勒展开式。
当时，泰勒公式变为这正是拉格朗日中值定理的形式。
因此，我们也称泰勒公式中的余项。
为拉格朗日余项。
2、对固定的，若有此式可用作误差界的估计。
故表明：误差是当时较高阶无穷小，这一余项表达式称之为皮亚诺余项。
3、若，则在与之间，它表示成形式，泰勒公式有较简单的形式——麦克劳林公式近似公式误差估计式【例1】求的麦克劳林公式。
解：于是有近似公式其误差的界为我们有函数的一些近似表达式。
(1)、(2)、(3)、在matlab中再分别作出这些图象，观察到它们确实在逐渐逼近指数函数。
泰勒定理及应用
泰勒定理及应用一、主要定理回顾 1、Taylor 定理若()f x 满足：（1）在闭区间[],a b 上存在()f x 直到n 阶的连续导数；（2）在开区间(),a b 内存在()f x 的1n +阶导数；则对∀0,[,]x x a b ∈，有()()()n n f x P x R x =+，其中()20000000()()()()()()()()2!!n n n f x f x P x f x f x x x x x x x n ′′′=+−+−++−"，称为Taylor多项式，()0()()nn R x x x ο=−（当0x x →），称为皮亚诺(Piano)型余项；或 (1)10()()()(1)!n n n f R x x x n ξ++=−+，称为拉格朗日(Lagrange)型余项。
2、马克劳林（Maclaurin）公式（常用）当00x =时，()()2(0)(0)()(0)(0)2!!n nn f f f x f f x x x R x n ′′′=+++++"，其中()()()()()()111!n nn n n f R x o xR x x n ξ++==+或3、常用函数的Maclaurin 展开式（1）()231,2!3!!nxn x x x e x R x x R n =++++++∈" ()()()()()1,1!x nn n n e R x o xR x x n θ+==+（2）()()()()12135721sin ,1,2,3,3!5!7!21!n n n x x x x x x R x x Rn n −−−=−+−+++∈=−""()()()()2212221sin 2,21!n n n n n x R x o x R x x n θπ++⎛⎞+⎜⎟⎝⎠==+（3）()()()()2246211cos 1,1,2,3,2!4!6!2!nn n x x x x x R x x Rn n +−=−+−+++∈=""()()()()2122212122cos 2,22!n n n n n x R x o x R x x n θπ+++++⎛⎞+⎜⎟⎝⎠==+（4）()()()(]1231ln 1,1,123n n n x x x x x R x x n −−+=−++++∈−"()()()()()()111,11nnn n n n R x o xR x x n x θ++−==++ （5）()()()()()2111112!!n n n x x x x R x n ααααααα−−−++=+++++""()()()()()()()()111,1,1,11!n nn n n n R x o xR x x x x n ααααθ−−+−−==+∈−+"（6）()()2311(1),1,11n n n x x x x R x x x=−+−++−+∈−+" ()()()112(1),(1)n nn n n n R x o xR x x x θ+++−==+ 以上各式中()0,1θ∈二、典型题型解析1、应用Taylor 公式证明含有中间值的等式、不等式例1、设()f x 在[],a b 上连续, 在(),a b 内有二阶连续导数,证明：(),a b ξ∃∈，使()()()()2224b a a b f b f f a f ξ−+⎛⎞′′−+=⎜⎟⎝⎠（1）关键词：()f x 在(),a b 内有二阶连续导数 （2）分析：考虑三个已知点,,2a ba b +，在2a b +处对()f x 做二阶Taylor 展开，有 ()()212222!2f a b a b b a b a f a f f ξ′′++−−⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎛⎞′=+−+−⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠⎝⎠()212222!2f a b a b b a b a f f ξ′′++−−⎛⎞⎛⎞⎛⎞′=−+⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠()()212222!2f a b a b b a b a f b f f ξ′′++−−⎛⎞⎛⎞⎛⎞′=++⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠，从而()()()()()()212228b a a b f a f f b f f ξξ−+⎛⎞′′′′−+=+⎜⎟⎝⎠，再利用介值定理即可。
泰勒公式的应用超强总结
泰勒公式的应用超强总结泰勒公式（Taylor series）是一种用来近似表示函数的方法，它将一个光滑的函数表示为多项式的形式。
在实际应用中，泰勒公式有着广泛的应用，包括物理、工程、经济等领域。
以下是泰勒公式的一些超强应用总结。
1.函数逼近：泰勒公式可以将一个复杂的函数逼近成一个多项式，用来简化计算。
这在数值计算和科学建模中广泛应用。
比如，在物理学中，我们可以使用泰勒公式将一个非线性运动的函数逼近成一个线性函数，从而简化计算。
2.误差估计：通过泰勒公式，我们可以对近似函数的误差进行估计。
在实际计算中，我们通常使用有限项的泰勒公式近似计算，而丢弃高阶项将会引入误差。
通过估计误差，我们可以更好地控制近似结果的精度，从而提高计算效率。
3.求解无解析解的问题：有些函数在数学上没有解析解，即无法用一个简单的表达式表示。
泰勒公式可以帮助我们近似求解这些问题。
比如，在微积分中，我们可以使用泰勒公式近似求解一些复杂的微分方程，从而得到数值解。
4.数值积分：泰勒公式可用于数值积分的近似计算。
在实际计算中，我们通常使用数值积分方法来计算曲线下面积或求解积分方程。
泰勒公式可以将被积函数展开成无穷级数，再通过对级数进行近似计算来求解积分。
5.精确度改善：通过对泰勒公式进行适当的变换和近似，可以提高计算结果的精度。
在数值计算中，我们经常会遇到舍入误差和近似误差等问题，通过泰勒公式的应用可以对这些误差进行修正和改善，从而得到更精确的计算结果。
6.其他应用领域：泰勒公式还可以应用于信号处理、图像处理、优化问题等领域。
例如，在信号处理中，泰勒公式可以用来进行信号的近似重构和滤波。
在优化问题中，泰勒公式可以用来近似目标函数，并帮助我们求解最优化问题。
总之，泰勒公式在科学和工程中具有广泛的应用。
通过对函数的逼近和近似，我们可以简化计算、提高精度、解决无解析解的问题，以及在数值计算、积分、优化等领域中得到更好的结果。
因此，掌握泰勒公式的应用是非常重要的，可以帮助我们更好地理解和解决实际问题。
taylor公式的应用
Taylor公式的应用一、什么是T a y l o r公式T a yl or公式是数学中的一个基本定理，描述了一个函数在某一点附近的局部行为。
它通过一系列的多项式逼近函数，能够准确地描述函数的近似值。
T ay lo r公式在多个领域都有广泛的应用，例如物理学、工程学和金融学等。
二、T a y l o r公式的推导根据Ta yl or公式的定义，函数可以用多项式进行逼近。
设函数f(x)在x=a处具有n阶连续导数，那么在x=a处展开得到的n阶T ay lo r多项式为：$$f(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+\fr ac{f''(a)}{2!}(x-a)^2+\cd ot s+\f rac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n$$式中，$f'(a)$表示函数f(x)在x=a处的导数，$f''(a)$表示二阶导数，$f^{(n)}(a)$表示n阶导数，'!'表示阶乘运算。
三、使用T aylor公式进行函数逼近T a yl or公式可以将复杂的函数用多项式逼近，从而简化计算和分析过程。
下面介绍几个常见的应用示例。
1.函数局部近似利用Ta yl or公式，可以在一个点附近对函数进行局部逼近。
通过忽略高阶项，我们可以得到函数的线性或二次逼近，从而更容易理解函数在该点的行为。
2.数值计算T a yl or公式在数值计算中有广泛的应用。
例如，通过将函数展开为有限项的Ta yl or多项式，可以用较小的代价来计算函数值。
这在数字积分、数值微分和常微分方程数值解等领域都有重要意义。
3.求解复杂问题有些函数可能很难直接求解，但是对于这些函数，我们可以使用已知的函数通过T ay lo r公式进行逼近，从而转化为求解简化的问题。
这样可以大大简化计算的难度。
4.牛顿法牛顿法是一种经典的数值方法，用于求解方程的根。
它通过不断迭代逼近的方式，利用函数的Ta yl or展开来快速找到近似的根。
专题07泰勒公式及其应用2
专题07泰勒公式及其应用2专题07泰勒公式及其应用2一、泰勒公式的定义泰勒公式是指将一个函数在其中一点周围进行多项式逼近的定理。
设f(x)在点x=a处连续，并具有各阶导数，则对于给定的正整数n，有以下的泰勒公式：f(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+f''(a)(x-a)²/2!+...+f⁽ⁿ⁾(a)(x-a)ⁿ/n!+R⁽ⁿ⁺¹⁾(x)其中，f⁽ⁿ⁾(a)表示函数f(x)在点x=a处的n阶导数，R⁽ⁿ⁺¹⁾(x)为拉格朗日余项，其表达式为：R⁽ⁿ⁺¹⁾(x)=(x-a)⁽ⁿ⁺¹⁾f⁽ⁿ⁺¹⁾(c)/(n+1)!二、泰勒公式的应用1. 函数近似计算：通过泰勒公式，我们可以将复杂的函数近似为简单的多项式表达式，从而方便进行数值计算。
例如，对于三角函数sin(x)，我们可以使用泰勒公式展开为：sin(x)=x-x³/3!+x⁵/5!-x⁷/7!+...通过截断求和，我们可以得到sin(x)的近似值，进一步计算复杂的数学问题。
2. 辅助求解极限：泰勒公式可以帮助我们求解一些极限问题。
例如，当x趋于0时，我们可以使用泰勒公式将一个函数在点x=a周围进行展开，这样可以直接求出极限值。
例如，对于常见的极限lim(x→0)sin(x)/x，我们可以使用泰勒公式展开sin(x)，并且注意到lim(x→0)sin(x)/x=1，从而得到该极限的值。
3.求解微分方程：泰勒公式可以用于求解一些特定的微分方程。
例如，对于常微分方程f'(x)=g(x)，我们可以使用泰勒公式将f(x)在点x=a周围进行展开，并代入微分方程进行求解。
这样可以得到微分方程的一个近似解。
这种方法在计算机模拟和数值计算中也得到广泛应用。
4.函数性质分析：泰勒公式可以帮助我们分析函数的性质。
通过计算泰勒级数，我们可以得到一个函数在点x=a处的局部变化情况，如函数的最大值、最小值、拐点等。
泰勒公式及其应用
第一章 绪论近代微积分的蓬勃发展，促使几乎所有的数学大师都致力于相关问题的研究，特别是泰勒，笛卡尔，费马，巴罗，沃利斯等人作出了具有代表性的工作.泰勒公式是18世纪早期英国牛顿学派最优秀代表人物之一的英国数学家泰勒，在微积分学中将函数展开成无穷级数而定义出来的.泰勒将函数展开成级数从而得到泰勒公式，对于一般函数f ，设它在点0x 存在直到n 阶的导数，由这些导数构成一个n 次多项式()20000000()()()()()()()(),1!2!!n n n f x f x f x T x f x x x x x x x n '''=+-+-++-称为函数f 在点0x 处的泰勒多项式，若函数f 在点0x 存在直至n 阶导数，则有0()()(()),n n f x T x x x ο=+-即()200000000()()()()()()()()(()).2!!n n f x f x f x f x f x x x x x x x x x n ο'''=+-+-++-+-称为泰勒公式.众所周知，泰勒公式是数学分析中非常重要的内容，它的理论方法已经成为研究函数极限和估计误差等方面不可或缺的数学工具，集中体现了微积分“逼近法”的精髓，在近似计算上有着独特的优势，利用它可以将非线性问题化为线性问题，并能满足很高的精确度要求，在微积分的各个方面都有重要的应用. 泰勒公式在分析和研究数学问题中有着重要作用,它可以应用于求极限、判断函数极值、求高阶导数在某些点的数值、判断广义积分收敛性、近似计算、不等式证明等方面.关于泰勒公式的应用，已有许多专家学者对它产生了浓厚的兴趣，它们对某些具体的题目作出了具体的解法，如求极限，判断函数凹凸性和收敛性，求渐近线，界的估计和近似值的计算等等.虽然泰勒公式应用到各个数学领域很多，但也还有很多方面学者还很少提及，因此在这泰勒公式及其应用方面我们有研究的必要，并且有很大的空间.泰勒公式不仅在极限和不等式证明中能解决许多问题，同时也是研究分析数学的重要工具.其原理是很多函数都能用泰勒公式表示，又能借助于泰勒公式来研究函数近似值式和判断级数收敛性的问题.因此泰勒公式在数学实际应用中是一种重要的应用工具，我们必须掌握它，用泰勒公式这一知识解决更多的数学实际问题.第二章 泰勒公式1.1泰勒公式的意义泰勒公式的意义是，用一个n 次多项式来逼近函数f .而多项式具有形式简单，易于计算等优点.泰勒公式由()f x 的n 次泰勒多项式()n P x 和余项0()[()]n n R x o x x =-组成，我们来详细讨论它们. 当n =1时，有1000()()()()P x f x f x x x '=+-，是()y f x =的曲线在点00(,())x f x 处的切线（方程），称为曲线()y f x =在点00(,())x f x 的一次密切，显然，切线与曲线的差异是较大的，只是曲线的近似. 当n =2时，有2020000()()()()()()2!f x P x f x f x x x x x '''=+-+-， 是曲线()y f x =在点00(,())x f x 的“二次切线”，也称曲线()y f x =在点00(,())x f x 的二次密切.可以看出，二次切线与曲线的接近程度比切线要好.当次数越来越高时，接近程度越来越密切，近似程度也越来越高.1.2泰勒公式余项的类型泰勒公式的余项分为两类，一类是定性的，一类是定量的，它们的本质相同，但性质各异.定性的余项如佩亚诺型余项0(())n o x x -，仅表示余项是比0()n x x -（当0x x →时）高阶的无穷小.如33sin ()6x x x o x =-+，表示当0x →时，sin x 用36x x -近似，误差（余项）是比3x 高阶的无穷小.定量的余项如拉格朗日型余项(1)101()()(1)!n n f x x n ξ++-+（ξ也可以写成00()x x x θ+-）、柯西余项（如在某些函数的幂级数展开时用）.定量的余项一般用于函数值的计算与函数形态的研究. 1.3泰勒公式的定义（1）带有佩亚诺(Peano )型余项的泰勒公式如果函数()f x 在点0x 的某邻域内具有n 阶导数, 则对此邻域内的点x ,有()200000000()()()()()()()()(()).2!!n n f x f x f x f x f x x x x x x x x x n ο'''=+-+-++-+-当00x =时, 上式称为麦克劳林(Maclaurin )公式.即()(1)21(0)(0)(0)()(0)(0)(01)2!!(1)!n n n n f f f f x f f x x x x n n θθ++'''=+++++<<+（2）带有拉格朗日(Lagrange )型余项的泰勒公式如果函数()f x 在点0x 的某邻域内具有1n +阶导数, 则对此邻域内的点x , 有()(1)2100000000()()()()()()()()()()2!!(1)!n n n n f x f x f f x f x f x x x x x x x x x n n ξ++'''=+-+-++-+-+(ξ介于0x 与x 之间）第三章 泰勒公式的实际应用2.1利用泰勒公式求极限对于待定型的极限问题，一般可以采用洛比达法则来求，但是，对于一些求导比较繁琐，特别是要多次使用洛比达法则的情况，泰勒公式往往是比洛比达法则更为有效的求极限工具.利用泰勒公式求极限，一般用麦克劳林公式形式，并采用佩亚诺型余项.当极限式为分式时，一般要求分子分母展成同一阶的麦克劳林公式，通过比较求出极限. 例1 求224cos limx x x ex -→-分析：此题分母为4x ，如果用洛比达法则，需连用4次，比较麻烦.而用带佩亚诺余项的泰勒公式解求较简单. 解： 因为2211()2!x e x x o x =+++ 将x 换成22x -有222222211()()(())22!22x x x x eo -=+-+-+-又244cos 1()2!4!x x x o x =-++所以 24442111cos ()()()2484x x ex o x o x --=-+- 441()12x o x =-+ 故2442441()cos 112lim lim 12x x x x o x x e x x -→∞→∞-+-==- 例2 求极限2240cos limsin x x x e x-→-.解： 因为分母的次数为4，所以只要把cos x ，22x e -展开到x 的4次幂即可.24411cos 1()2!4!x x x o x =-++ 22224211()()22!2x x x eo x -=-+-+故 2240cos limsin x x x e x-→-444011()()4!8lim x x o x x→-+= 112=- 带有佩亚诺型余项的泰勒公式是求函数极限的一个非常有力的工具 ,运用得当会使求函数的极限变得十分简单. 2.2利用泰勒公式进行近似计算例1 用x e 的10次泰勒多项式求e 的近似值i ，并估计误差. 解：在x e 的泰勒公式中取1,10x n ==,则有111112!3!10!e ≈+++++2.718281801=由于e 的精确度值e 2.718281801=，可以看出这么算得的结果是比较准确的.关于计算的误差，则有如下的估计11813()6.81011!11!x e d x ξ==<≈⨯. 必须注意，泰勒公式只是一种局部性质，因此在用它进行近似计算时，x 不能远离0x ，否则效果会比较差，甚至产生完全错误的结果.如在ln(1)x +的泰勒多项式中令x =1，取它的前10项计算ln 2的近似值，得到111111111ln 212345678910≈-+-+-+-+-=0.645 634 92…而ln 2=0.693 147 28…，误差相当大，但如改用其他泰勒多项式，如1lnln(1)ln(1)1xx x x+=+--- 23223221()232232n n nx x x x x x x x o x n n ⎡⎤⎡⎤=-+--------+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦352122()3521n nx x x x o x n -⎡⎤=+++++⎢⎥-⎣⎦， 令1,3x =只取前两项便有3111ln 22()333⎡⎤≈+=⎢⎥⎣⎦0.69135…,取前四项则可达到3571111111ln 22()()()3335373⎡⎤≈+++⎢⎥⎣⎦=0.693 124 75…,效果比前面好得多.例2 当x 很小时，推出331111x x x x +-⎛⎫⎛⎫-- ⎪ ⎪-+⎝⎭⎝⎭的简单的近似公式. 解： 当x 很小时，111133331122111111x x x x x x x x +-⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫-=+-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪-+-+⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭2224[1][1]3(1)3(1)3(1)x x xx x x ≈+--=--- 43x≈2.3在不等式证明中的应用关于不等式的证明，我们已经在前面介绍了多种方法，如利用拉格朗日中值定理来证明不等式，利用函数的凸性来证明不等式，以及通过讨论导数的符号来得到函数的单调性，从而证明不等式的方法.下面我们举例说明，泰勒公式也是证明不等式的一个重要方法.例1 设()f x 在[0,1]二次可导，而且(0)(1)0f f ==，01lim ()1x f x ≤≤=-，试求存在(0,1)ξ∈，使()8f ξ''≥.证： 由于()f x 在[0,1]的最小值不等于在区间端点的值，故在[0,1]内存在1x ，使1()1f x =-，由费马定理知，1()0f x '=. 又21111()()()()()()2!f f x f x f x x x x x η'''=+-+- 21()1()2!f x x η''=-+-（η介于x 与1x 之间） 由于(0)(1)0f f ==，不令0x =和1x =，有211()0(0)1(0)2f f x ξ''==-+- 所以21112()2(1)(1)f x x ξξ-''=-<<当1112x <≤时，2128x -≥，而当1112x <<时，212(1)8x --≥，可见1()f ξ''与2()f ξ''中必有一个大于或等于8.2.4泰勒公式在外推上的应用外推是一种通过将精度较低的近似值进行适当组合，产生精度较高的近似值的方法，它的基础是泰勒公式，其原理可以简述如下. 若对于某个值a ，按参数h 算出的近似值1()a h 可以展开成231123()a h a c h c h c h =++++（*）（这里先不管i c 的具体形式），那么按参数2h 算出的近似值1()2h a 就是231123111()2248h a a c h c h c h =++++ (**)1()a h 和1()2ha 与准确值a 的误差都是()o h 阶的.现在，将后(**)式乘2减去（*）式，便得到11232232()()2()21ha a h a h a d h d h -==+++-也就是说，对两个()o h 阶的近似值化了少量几步四则运算进行组合之后，却得到了具有2()o h 阶的近似值2()a h .这样的过程就称为外推.若进行了一次外推之后精度仍未达到要求，则可以从2()a h 出发再次外推，22343344()()2()41ha a h a h a e h e h -==+++-，得到3()o h 阶的近似值3()a h .这样的过程可以进行1k -步，直到11112()()2()()21k k k k k k ha a h a h a o h -----==+-， 满足预先给定的精度.外推方法能以较小的待解获得高精度的结果，因此是一种非常重要的近似计算技术.例 1 单位圆的内接正n 边形的面积可以表示为1()sin(2)2S h h hπ=， 这里1h n=,按照泰勒公式351(2)(2)()223!5!h h S h h h πππ⎡⎤=-+-⎢⎥⎣⎦246123c h c h c h π=++++因此，其内接正2n 边形的面积可以表示为351()()()23!5!h h h S h h πππ⎡⎤=-+-⎢⎥⎣⎦24612314c h c h c h π=++++，用它们作为π的近似值，误差都是()o h 量级的.现在将这两个近似的程度不够理想的值按以下方式组合：4()()()()22()()4123h hS S h S S h h S h S --==+- 那么通过简单的计算就可以知道4623()S h d h d h π=+++2h 项被消掉了！也就是说，用()S h 近似表示π，其精度可以大大提高.2.5求曲线的渐近线方程若曲线()y f x =上的点(,())x f x 到直线y ax b =+的距离在x →+∞或x →-∞时趋于零，则称直线y ax b =+是曲线()y f x =的一条渐近线.当0a =时称为水平渐近线，否则称为斜渐近线.显然，直线y ax b =+是曲线()y f x =的渐近线的充分必要条件为lim [()()]0x f x ax b →+∞-+=或lim [()()]0x f x ax b →-∞-+=如果y ax b =+是曲线()y f x =的渐近线，则()()lim 0x f x ax b x →+∞-+=（或()()lim 0x f x ax b x→-∞-+=）. 因此首先有()lim x f x a x →+∞=（或()lim x f x a x→-∞=）. 其次，再由lim [()()]0x f x ax b →+∞-+=（或lim [()()]0x f x ax b →-∞-+=）可得 lim [()]x b f x ax →+∞=-（或lim [()]x b f x ax →-∞=-） 反之，如果由以上两式确定了a 和b ，那么y ax b =+是曲线()y f x =的一条渐近线.中至少有一个成立，则称直线y ax b =+是曲线()y f x =的一条渐近线，当0a =时，称为水平渐近线，否则称为斜渐近线.而如果()f x 在x 趋于某个定值a 时趋于+∞或-∞，即成立lim ()x f x →∞=±∞则称直线x a =是()f x 的一条垂直渐近线.注意，如果上面的极限对于x →∞成立，则说明直线y ax b =+关于曲线()y f x =在x →+∞和x →-∞两个方向上都是渐近线.除上述情况外，如果当x a +→或a -时，()f x 趋于+∞或-∞，即lim ()x a f x +→=±∞或lim ()x a f x -→=±∞，则称直线x a =是曲线()y f x =的一条垂直渐近线.例1 求 2(1)3(1)x y x -=+的渐近线方程. 解： 设 2(1)3(1)x y x -=+的渐近线方程为y ax b =+，则由定义 2(1)1lim lim 3(1)3x x y x a x x x →∞→∞-===+ 2(1)lim[]3(1)x x b ax x →∞-=-+ 2(1)1l i m []3(1)3x x x x →∞-=-+ =131lim 131x x x →∞-+=-+ 由此13x y =-为曲线y =2(1)3(1)x x -+的渐近线方程。
高考数学冲刺泰勒公式考点精讲
高考数学冲刺泰勒公式考点精讲在高考数学的冲刺阶段，泰勒公式作为一个重要的考点，常常让许多同学感到困惑和棘手。
但其实，只要我们掌握了它的本质和应用方法，泰勒公式就能成为我们在考场上的得力工具。
一、什么是泰勒公式泰勒公式是用一个多项式来近似表示一个函数。
简单来说，就是把一个复杂的函数在某个点附近展开成一系列幂函数的和。
假设函数 f(x) 在点 x ＝ a 处具有 n 阶导数，那么就有泰勒公式：f(x) ＝ f(a) ＋ f'（a)（x a) ＋ f'＇（a)／2!（x a)＾2 ＋ f'＇＇（a)／3!（x a)＾3 ＋＋ f^（n)（a)／n!（x a)＾n ＋ Rn(x)其中，Rn(x) 被称为余项。
二、泰勒公式的重要性1、简化计算在某些复杂的函数计算中，直接计算可能非常困难，但通过泰勒公式将其展开成多项式后，计算就会变得简单许多。
2、近似求解可以用泰勒公式的多项式来近似地表示原函数，在一定精度要求下进行求解。
3、分析函数性质通过研究泰勒公式的展开式，我们能更深入地了解函数的性质，比如单调性、凹凸性等。
三、常见函数的泰勒展开式1、 e^x 的泰勒展开式e^x ＝ 1 ＋ x ＋ x^2/2! ＋ x^3/3! ＋＋ x^n/n! ＋2、 sin x 的泰勒展开式sin x ＝ x x^3/3! ＋ x^5/5! x^7/7! ＋3、 cos x 的泰勒展开式cos x ＝ 1 x^2/2! ＋ x^4/4! x^6/6! ＋4、 ln(1 ＋ x) 的泰勒展开式ln(1 ＋ x) ＝ x x^2/2 ＋ x^3/3 x^4/4 ＋这些常见函数的泰勒展开式在解题中经常会用到，同学们一定要牢记。
四、泰勒公式在高考中的应用1、求函数的近似值例如，给定一个函数 f(x)，要求在某点附近的近似值。
我们可以先将其展开成泰勒公式，然后根据精度要求截取前面的几项进行计算。
2、证明不等式通过将函数展开成泰勒公式，结合不等式的性质进行证明。
8个泰勒公式常用公式
8个泰勒公式常用公式泰勒公式是一种在微积分中非常重要的工具，它可以利用函数在其中一点的导数来近似地表示函数在该点附近的取值。
在数学和物理等领域，泰勒公式广泛应用于函数的近似计算和数值求解等问题。
下面我们介绍一些常用的泰勒公式及其应用。
1.一阶泰勒公式一阶泰勒公式也称为泰勒展开式，用于近似地表示函数在其中一点附近的取值。
设函数$f(x)$在$x=a$处可导，则函数$f(x)$在$x=a$处的一阶泰勒公式为$$f(x)\approx f(a)+f'(a)(x-a)$$其中$f'(a)$表示函数$f(x)$在$x=a$处的导数。
一阶泰勒公式常用于近似计算和数值求解等问题中。
2.二阶泰勒公式二阶泰勒公式是泰勒展开式的推广，用于更精确地近似表示函数在其中一点附近的取值。
设函数$f(x)$在$x=a$处二阶可导，则函数$f(x)$在$x=a$处的二阶泰勒公式为$$f(x)\approx f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{f''(a)}{2!}(x-a)^2$$其中$f''(a)$表示函数$f(x)$在$x=a$处的二阶导数。
二阶泰勒公式在高精度数值求解和近似计算等问题中广泛应用。
3.泰勒级数泰勒级数是将一个函数在其中一点处展开成无穷级数的形式，用于表示函数在该点附近的取值。
设函数$f(x)$在$x=a$处具有无限阶导数，则函数$f(x)$在$x=a$处的泰勒级数为$$f(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{f''(a)}{2!}(x-a)^2+\frac{f'''(a)}{3!}(x-a)^3+...$$泰勒级数是一种非常重要的数学工具，能够用无穷阶导数展开的形式表示函数，具有广泛的应用价值。
4.泰勒多项式泰勒多项式是将函数在其中一点处展开成有限项多项式的形式，用于近似地表示函数在该点附近的取值。
泰勒公式和运用范文
泰勒公式和运用范文泰勒公式（Taylor series）是数学中一个非常重要的工具，它被用于在给定函数的其中一点附近近似展开这个函数。
泰勒公式的运用广泛，既用于数学推导，还用于物理、工程等领域中的问题求解。
本文将介绍泰勒公式的原理，并给出一些常见的应用例子。
一、泰勒公式的原理泰勒公式可以用来近似表示一些函数在其中一点附近的值。
公式的具体形式如下所示：f(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+f''(a)(x-a)²/2!+f'''(a)(x-a)³/3!+...其中，f(x)代表原函数在点x处的值，f(a)代表原函数在点a处的值，f'(a)、f''(a)、f'''(a)分别代表原函数在点a处的一阶、二阶、三阶导数的值。
x-a表示x相对于点a的偏移量。
泰勒公式可以通过不断添加高阶导数项来提高近似的精度。
当阶数无限逼近时，就得到了原函数的精确表达。
大多数情况下，我们只需要保留前几项就能够得到足够精确的近似结果。
二、泰勒公式的应用举例1.正弦函数的泰勒展开正弦函数是一个周期为2π的函数，我们可以将其在其中一点进行泰勒展开。
假设我们要在点a附近展开正弦函数，那么泰勒公式的表达式为：sin(x) = sin(a) + cos(a)(x-a) - sin(a)(x-a)²/2! - cos(a)(x-a)³/3! + ...当a=0时，泰勒展开简化为：sin(x) = x - x³/3! + x⁵/5! - x⁷/7! + ...这个公式可以用来计算比较小角度范围内的正弦值，由于幂函数和阶乘函数的增长速度很快，展开后的结果准确度相对较高。
2.自然指数函数的泰勒展开自然指数函数e^x是一个在整个实数域上定义的函数，我们可以将其在点0附近进行泰勒展开。
泰勒公式的表达式为：e^x=1+x+x²/2!+x³/3!+...这个公式可以用来计算自然指数函数的近似值，只需要保留前几项即可得到足够精确的结果。
泰勒公式及其应用
泰勒公式及其应用本文将介绍泰勒公式在数学分析中的应用。
泰勒公式是一种重要的工具，可以用于近似计算、函数凹凸性判断、敛散性的判断、等式与不等式的证明、中值问题以及行列式的计算等方面。
本文将重点讨论泰勒公式在极限计算、敛散性的判断、中值问题以及等式与不等式的证明方面的应用。
2.泰勒公式泰勒公式是一种将函数展开为幂级数的方法。
它可以分为带有拉格朗日余项、皮亚诺型余项、积分型余项和柯西型余项的泰勒公式。
这些不同类型的泰勒公式可以用于不同的问题求解。
2.1具有拉格朗日余项的泰勒公式具有拉格朗日余项的泰勒公式是最常用的一种泰勒公式。
它可以将一个函数展开为一个幂级数，其中每一项的系数都与函数的导数有关。
这个公式的余项是一个拉格朗日型余项，可以用来估计函数在某个点的误差。
2.2带有皮亚诺型余项的泰勒公式带有皮亚诺型余项的泰勒公式是一种更精确的泰勒公式。
它可以用来估计函数在某个点的误差，并且比具有拉格朗日余项的泰勒公式更加精确。
2.3带有积分型余项的泰勒公式带有积分型余项的泰勒公式是一种将函数展开为幂级数的方法。
它可以用来估计函数在某个点的误差，并且比具有拉格朗日余项的泰勒公式更加精确。
2.4带有柯西型余项的泰勒公式带有柯西型余项的泰勒公式是一种将函数展开为幂级数的方法。
它可以用来估计函数在某个点的误差，并且比具有拉格朗日余项的泰勒公式更加精确。
3.泰勒公式的应用泰勒公式在数学分析中有广泛的应用。
本文将介绍泰勒公式在极限计算、敛散性的判断、中值问题以及等式与不等式的证明方面的应用。
3.1利用泰勒公式求未定式的极限利用泰勒公式可以求解一些未定式的极限。
例如，可以用泰勒公式将一个函数展开为幂级数，并利用级数的性质求解未定式的极限。
3.2利用泰勒公式判断敛散性泰勒公式可以用来判断一些级数的敛散性。
例如，可以用泰勒公式将一个函数展开为幂级数，并利用级数的性质判断级数是否收敛。
3.3利用泰勒公式证明中值问题泰勒公式可以用来证明一些中值问题。
泰勒公式及其应用实践
泰勒公式及其应用实践第一部分：泰勒公式的基本原理泰勒公式是数学中的一种重要工具，用于表示一个函数在某点附近的近似表达式。
其基本原理可以简单描述为利用函数在某点处的导数来近似表示这个函数的值。
泰勒公式的一般形式可表示为：$$ f(x) = f(a) + f'(a)(x-a) + \\frac{f''(a)}{2!}(x-a)^2 + \\cdots $$其中，f(a)代表函数在点a处的函数值，f′(a)代表函数在点a处的一阶导数，f″(a)代表函数在点a处的二阶导数，依次类推。
第二部分：泰勒公式的应用实践实例一：求函数在某点处的近似值假设有一个函数$f(x) = \\sin(x)$，要求在x=0处的函数值。
首先，我们可以计算出$f(0) = \\sin(0) = 0$，然后我们可以利用泰勒公式来近似表示$\\sin(x)$在x=0处的值。
根据泰勒公式的展开形式，我们可以得到：$$ \\sin(x) = x - \\frac{x^3}{3!} + \\frac{x^5}{5!} - \\cdots $$将x=0带入上式，可以得到$\\sin(0) = 0$，这与实际情况吻合。
实例二：解析求导问题泰勒公式还可以应用于解析求导的问题。
通过泰勒公式的展开，我们可以得到函数在某点处的导数表达式，从而可以简化导数的计算过程。
以函数f(x)=e x为例，我们可以通过泰勒公式展开来求f′(x)的表达式。
首先，我们知道e x在x=0处的求解，可以得到e0=1，然后根据泰勒公式展开：$$ e^x = 1 + x + \\frac{x^2}{2!} + \\frac{x^3}{3!} + \\cdots $$对上式求导，可以得到：$$ \\frac{d}{dx}e^x = 1 + x + \\frac{x^2}{2!} + \\frac{x^3}{3!} + \\cdots = e^x $$这样，我们就成功地求出了e x的导数表达式，从而简化了导数的计算过程。
泰勒公式的应用
泰勒公式和其应用摘要文章简要介绍了泰勒公式的证明和其推导过程，详细讨论了泰勒公式在最优化理论领域的应用，分别讨论了泰勒公式在理论证明和算法设计上面的应用，并用简单的算例加以说明。
关键词：泰勒公式，最优化理论，应用一、泰勒公式1.1 一元泰勒公式若函数)(x f 在含有的开区间),(b a 内有直到1+n 阶的导数，则当函数在此区间内时，可展开为一个关于)(0x x -的多项式和一个余项的和：10)1(00)(200000)()!1()()(!)()(!2)())(()()(++-++-++-''+-'+=n n n n x x n f x x n x f x x x f x x x f x f x f ξ 其中=)(x R n 10)1()()!1()(++-+n n x x n f ξ在和之间的一个数，该余项)(x R n 为拉格朗日余项。
1.1.1 泰勒公式的推导过程我们知道α+-'+=))(()()(000x x x f x f x f ，其在近似计算中往往不够精确，于是我们需要一个能够精确计算的而且能估计出误差的多项式：n n x x a x x a x x a a x p )()()()(0202010-++-+-+=来近似表达函数)(x f ；设多项式)(x p 满足)()()()(),()(0)(0)(0000x f x p x f x p x f x p n n ='='= 因此可以得出n a a a 10,.显然，00)(a x p =，所以)(00x f a =；10)(a x p ='，所以)(01x f a '=；20!2)(a x p =''，所以 !2)(02x f a ''=n n a n x p !)(0)(=，所以有!)(0)(n x f a n n = 所以，n n x x n x f x x x f x x x f x f x p )(!)()(!2)())(()()(00)(200000-++-''+-'+= 1.1.2 泰勒公式余项的证明我们利用柯西中值定理来推出泰勒公式的余项（拉格朗日余项）：设)()()(x p x f x R n -=于是有0)()()(000=-=x p x f x R n所以有0)()()()(0)(000===''='=x R x R x R x R n n n n n根据柯西中值定理可得：n n n n n n n x n R x x x R x R x x x R ))(1()(0)()()()()(011)1(00)1(0-+'=---=-++ξξ是在和之间的一个数； 对上式再次使用柯西中值定理，可得：)1(022*******))(1()()0))(1(()()())(1()(--+''=--+'-'=-+'n n n n n n n x n n R x n x R R x n R ξξξξξξ是在和之间的一个数； 连续使用柯西中值定理1+n 次后得到：)!1()()()()1()1(0+=-++n R x x x R n n n n ξ 这里是介于和之间的一个数。
泰勒公式及其应用
泰勒公式及其应用泰勒公式是数学中一种用于近似函数值的方法，它可用来在其中一个点附近的小区间内用多项式来表示一个函数。
泰勒公式可以用于求解函数的近似值、研究函数的性质以及优化算法等方面的应用。
泰勒公式的一般形式如下：设函数f(x)处处可导，且规定x为实数。
若在开区间(a,b)内有无限次可导的函数f(x)则对于(a,b)内的任意实数x及正整数n，有：f(x)=f(x0)+f'(x0)(x-x0)+f''(x0)(x-x0)^2/2!+...+f^n(x0)(x-x0)^n/n!+Rn(x)其中，x0为(a,b)内的任意固定点，Rn(x)为用(x-x0)^n的余项，且满足lim Rn(x)=0。
泰勒公式的应用广泛，以下介绍几个常见的应用：1.近似计算：泰勒公式可以用于计算函数在其中一点附近的近似值。
通过截取泰勒级数的前几项，可以用一个简单的多项式代替原函数，从而简化计算。
例如，可以用泰勒公式来近似计算指数函数、三角函数等复杂函数在其中一点附近的函数值，从而简化计算过程。
2.函数展开：泰勒公式可以将一个任意函数在其中一点附近展开成多项式的形式，从而研究函数的性质。
通过观察和分析泰勒展开式的形式，可以推导出函数的导数、极值、拐点等重要性质，进一步理解函数的行为特征。
3.数值优化：泰勒公式可以用于求解优化问题中的极值。
通过将目标函数在极值点展开为泰勒级数，可以通过近似的方式来确定极值点的位置。
这种方法常用于计算机算法中的数值优化问题，例如梯度下降法等。
4.工程应用：泰勒公式在工程中有广泛的应用。
例如，在电子电路设计中，可以使用泰勒公式来近似计算非线性元件的响应特性，从而简化电路的分析和设计。
在物理学中，泰勒公式可以用于解析力学、电磁学等领域的问题，通过近似计算来简化复杂的数学模型。
总结起来，泰勒公式是数学中一个重要的工具，它可以用于近似计算、函数展开、数值优化和工程应用等多个方面。
在实际问题中，泰勒公式的应用可以帮助我们理解和求解复杂的函数及其性质，进而提供了有效的计算和分析方法。
专题7 泰勒公式及其应用
x→0
x4
[− 1 ] 12
【例 2】设
f
(x)
在
x
=
0
的某邻域内二阶可导，且
lim⎜⎛ x→0⎝
sin 3x x3
+
f (x) x2
⎟⎞ ⎠
=
0
（1）求 f (0), f ′(0), f ′′(0);
[ f (0) = −3, f ′(0) = 0, f ′′(0) = 9]
3
（2）求
lim⎜⎛ x→0 ⎝
（2） limθ (x) = 1 .
x→0
2
【证】（1）任给非零 x ∈ (−1,1) ，由拉格朗日中值定理得
f (x) = f (0) + xf ′(θ (x)x) (0 < θ (x) < 1).
因为 f ′′(x) 在 (−1,1) 内连续且 f ′′(x) ≠ 0 ，所以 f ′′(x) 在 (−1,1) 内不变号，不妨设
常称 Rn ( x) = o(( x − x0 )n ) 为皮亚诺型余项.
若 x0 = 0 ，则得麦克劳林公式：
f ( x) = f (0) + f ′(0)x + f ′′(0) x2 + L + f (n) (0) xn + o( xn ).
2!
n!
定理 2（拉格朗日型余项泰勒公式）
设函数 f (x) 在含有 x0 的开区间 (a,b) 内有 n + 1阶的导数，则当 x ∈ (a,b) 时有
f (x) =
f ( x0 ) +
f ′( x0 )( x − x0 ) +
f
′′( x0 2!
)
泰勒公式的几种证明及应用
泰勒公式的几种证明及应用泰勒公式是微积分中一个重要的定理，它允许我们通过多项式的Taylor级数来近似复杂函数的值。
本文将介绍泰勒公式的几种证明及应用。
1.麦克劳林级数证明：泰勒公式的一种常见证明方法是通过麦克劳林级数展开。
麦克劳林级数是泰勒级数的一种特殊形式，即当参数a=0时的泰勒级数展开。
假设函数f(x)存在无限阶的导数，将f(x)在x=a处展开为幂级数，则有：f(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+f''(a)(x-a)^2/2!+f'''(a)(x-a)^3/3!+...通过截取级数的前几项，我们就可以用一个多项式来近似原函数的值。
2.极限证明：另一种证明泰勒公式的方法是使用极限。
考虑函数f(x)在x=a处的n阶导数f^(n)(a)，则可以证明当x趋向于a时：f(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+f''(a)(x-a)^2/2!+...+f^(n)(a)(x-a)^n/n!+o((x-a)^n)其中o((x-a)^n)表示当x趋向于a时，高于(x-a)^n的项的阶数。
这个证明方法其实是利用了极限的定义，将函数值的误差与展开式中的余项进行比较。
3.应用：泰勒公式是微积分中非常重要的一个工具，它可以应用于众多的数学和物理问题中。
以下是几个泰勒公式的应用案例：-函数近似：通过泰勒公式，我们可以将复杂的非线性函数近似为多项式的形式，从而简化计算。
这在数值计算、数据分析以及物理模型的建立中非常常见。
-数值积分：泰勒公式可以用于数值积分的方法之一，即将被积函数在其中一点处展开成泰勒级数，并对多项式项进行数值积分。
这种方法可以提高计算的精度和效率。
-数值解微分方程：在数值解微分方程的过程中，泰勒公式可以用于将微分方程转化为一组代数方程，从而实现数值迭代解法。
-物理模型建立：在物理学中，泰勒公式可以用于建立物理模型，例如近似计算质点的运动轨迹、估算电路中的电流大小等。
泰勒公式及泰勒级数的应用
泰勒公式及泰勒级数的应用泰勒公式和泰勒级数是数学中非常重要的概念，它们在各个领域的应用非常广泛。
本文将详细介绍泰勒公式及其应用，以及泰勒级数的定义和相关应用。
一、泰勒公式泰勒公式是一个关于函数在一些点附近的展开式。
给定一个函数$f(x)$和一个点$a$，泰勒公式可以表示为：$$f(x) = f(a) + f'(a)(x-a) + \frac{f''(a)}{2!}(x-a)^2 +\frac{f'''(a)}{3!}(x-a)^3 + \cdots$$其中，$f'(a)$表示函数$f(x)$在点$a$处的导数，$f''(a)$表示二阶导数，$f'''(a)$表示三阶导数，依次类推。
这个展开式可以一直延伸下去，是一个无穷级数。
泰勒公式是在一个点的附近进行的展开，因此只在局部范围内有效。
当取$a=0$时，泰勒公式变成了麦克劳林级数。
泰勒公式的应用非常广泛，特别是在近似计算和数值分析中。
通过泰勒公式，我们可以用低阶导数来近似计算高阶导数的值，从而简化复杂的计算过程。
二、泰勒级数泰勒级数是指将函数在其中一点进行泰勒展开后的无穷级数表示。
具体而言，给定一个函数$f(x)$和一个点$a$，泰勒级数可以表示为：$$f(x) = f(a) + f'(a)(x-a) + \frac{f''(a)}{2!}(x-a)^2 +\frac{f'''(a)}{3!}(x-a)^3 + \cdots$$不同于泰勒公式，在泰勒级数中，展开点$a$可以是任意点。
泰勒级数包含了函数在该点附近的无穷阶导数信息，在一些条件下，可以用级数的有限项来逼近原函数的值。
泰勒级数的应用涵盖了许多领域，下面我们分别介绍一些常见的应用。
1.函数逼近泰勒级数可以用来逼近一个函数在其中一点的值。
通过截取级数的有限项，就可以得到原函数在该点的一个近似值。
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专题7 泰勒公式及其应用(一) 泰勒公式定理1（皮亚诺型余项泰勒公式） 如果)(x f 在点0x 有直至n 阶的导数，则有],)[())((!1))((!21))(()()(000)(200000n n n x x o x x x f n x x x f x x x f x f x f −+−++−′′+−′+=L 常称nn x x o x R )()(0−=为皮亚诺型余项.若00=x ，则得麦克劳林公式：).()0(!1)0(!21)0()0()()(2n n n x o x f n x f x f f x f +++′′+′+=L 定理2（拉格朗日型余项泰勒公式）设函数)(x f 在含有0x 的开区间),(b a 内有1+n 阶的导数，则当),(b a x ∈时有200000))((!21))(()()(x x x f x x x f x f x f −′′+−′+= ),())((!100)(x R x x x f n n n n +−++L 其中10)1()(1)()(++−)!+(=n n n x x n f x R ξ，这里ξ介于0x 与x 之间，称为拉格朗日型余项. 几个常用的泰勒公式)(!!21)1(2n nxx o n xx x e +++++=L)()!12()1(!3sin )2(121213−−−+−−++−=n n n x o n x x x x L)()!2()1(!21cos )3(222n n n x o n x x x +−++−=L )()1(2)1ln()4(12n nn x o nx x x x +−++−=+−L )(!)1()1(!2)1(1)1()5(2n n x x n n x x x οααααααα++−−++−++=+L L(二) 泰勒公式本质及两个泰勒公式的异同点1. 本质（相同点）1）用多项式逼近函数 2) 用已知点信息表示未知点 3) 建立函数与高阶导数的关系2. 不同点1）条件不同皮亚诺型余项： )(x f 在点0x 有直至n 阶的导数拉格朗日型余项：)(x f 在含有0x 的开区间),(b a 内有1+n 阶的导数2）余项不同皮亚诺型余项： nn x x o x R )()(0−=；定性；局部.拉格朗日型余项：10)1()(1)()(++−)!+(=n n n x x n f x R ξ；定量；整体. (三) 泰勒公式的应用1.利用高阶导数研究函数性态【例1】若,0)()()(0)1(00===′′=′−x f x f x f n L )2(0)(0)(≥≠n x f n ，则当n 为偶数时)(x f 在0x 处有极值.其中0)(0)(>x fn 时极小，0)(0)(<x f n 时极大；当n 为奇数时)(x f 在0x 处无极值.【例2】设函数)(x f 在]1,0[上二阶可导，且,1)(,0)0(,1)0(≤′′=′=x f f f 试证：)(x f 在]1,0[上的最大值不超过.232.计算函数近似值【例1】计算e 的近似值，使误差不超过.106−【解】 )(!!212x R n xx x e n nx+++++=L11)!1()!1()(+++<+=n xn n x n e x n e x R ξ取1=x ，得 !1!2111n e ++++≈L 其误差 )!1(3)!1(+<+=n n e R n当10=n 时，误差不超过.106−得.718282.2≈e3.求极限【例1】 ;cos lim 4202x e x x x −→− 121(−【例2】设)(x f 在0=x 的某邻域内二阶可导，且0)(3sin lim 230=⎟⎠⎞⎜⎝⎛+→x x f xx x （1）求);0(),0(),0(f f f ′′′ ]9)0(,0)0(,3)0([=′′=′−=f f f（2）求.)(3lim 220⎟⎠⎞⎜⎝⎛+→x x f x x]29[4.求高阶导数【例1】(2015年2) 函数xx x f 2)(2=在0=x 处的n 阶导数.________)0()(=n f])2)(ln 1([2−−n n n5.证明不等式【例1】设1)(lim,0)(30)4(=>→xx f x f x ，试证：)0()(3≠>x x x f .【例2】（1996年1,2）设)(x f 在[0,1]上具有二阶导数,且满足条件a x f ≤|)(|,b x f ≤′′|)(|,其中b a ,都是非负常数,c 是(0,1)内任一点.（1）写出)(x f 在点c 处带拉格朗日型余项的一阶泰勒公式； （2）证明 .22|)(|b a c f +≤′ 【证】（1） 2)(!2)())(()()(c x f c x c f c f x f −′′+−′+=ξ （2）在以上泰勒公式中，分别令0=x 和1=x 则有21)0(!2)()0)(()()0(c f c c f c f f −′′+−′+=ξ （1） 22)1(!2)()1)(()()1(c f c c f c f f −′′+−′+=ξ （2）（2）式减（1）式得])()1)(([21)()0()1(2122c f c f c f f f ξξ′′−−′′+′=−]|)(|)1(|)([|21)1()0(|)(|2122c f c f f f c f ξξ′′+−′′++≤′])1[(2222c c b a +−+≤又因为当)1,0(∈c 时，,1)1(22≤+−c c 故.22|)(|b a c f +≤′ 【例3】（1999年2）设函数)(x f 在闭区间]1,1[−上具有三阶连续导数，且0)1(=−f ，1)1(=f ，0)0(=′f ，证明：在开区间)1,1(−内至少存在一点ξ，使3)(=′′′ξf .【证】 由麦克劳林公式得32)(!31)0(!21)0()0()(x f x f x f f x f η′′′+′′+′+=， 其中η介于0与x 之间，]1,1[−∈x . 分别令1−=x 和1=x ，并结合已知条件，得01),(61)0(21)0()1(011<<−′′′−′′+=−=ηηf f f f .10),(61)0(21)0()1(122<<′′′+′′+==ηηf f f f两式相减，可得.6)()(21=′′′+′′′ηηf f因)(x f ′′′连续，)(x f ′′′在闭区间],[21ηη上有最大值和最小值，设其分别为M 和m ，则有.)]()([2121M f f m ≤′′′+′′′≤ηη再由连续函数的介值定理知，至少存在一点)1,1(],[21−⊂∈ηηξ，使.3)]()([21)(21=′′′+′′′=′′′ηηξf f f【例4】（2001年2）设)(x f 的区间],[a a − )0(>a 上具有二阶连续导数，0)0(=f ， （1）写出)(x f 的带拉格朗日余项的一阶麦克劳林公式； （2）证明在],[a a −上至少存在一点η，使.d )(3)(3∫−=′′a ax x f f a η【解】 （1）对任意],[a a x −∈，22!2)()0(!2)()0()0()(x f x f x f x f f x f ξξ′′+′=′′+′+=，其中ξ在0与x 之间. （2）.d )(21d )(!2d )0(d )(22∫∫∫∫−−−−′′=′′+=a aaa aaaax f x x f x x x f x x f ξξ因为)(x f ′′在],[a a −上连续，故对任意的],[a a x −∈，有M x f m ≤′′≤)(，其中M ，m 分别为)(x f ′′在],[a a −上的最大、最小值，所以有dx x Mx f x x x f x x m aaa a a aa a ∫∫∫∫−−−−≤′′=≤2222d )(21d )(d 2ξ，即 .d )(33∫−≤≤aaM x x f a m因而由)(x f ′′的连续性知，至少存在一点],[a a −∈η，使,d )(3)(3∫−=′′aax x f af η 即 .d )(3)(3∫−=′′aax x f f a η【例5】设)(x f 在[0,1]上二阶可导,2)(max ,0)1()0(10===≤≤x f f f x .试证存在点)1,0(∈ξ使16)(−≤′′ξf .思考题： 1.试证 ).0(1812112>+<−+x x x x2.设)(x f 在],[b a 上连续，在),(b a 内二阶可导，试证存在),(b a ∈ξ，使)(4)()()2(2)(2ξf a b a f b a f b f ′′−=++−.3.设)(x f 三阶可导,且0)(lim,1)1(,0)1(0===−→xx f f f x ,试证存在)1,1(−∈η,使3)(≥′′′ηf .4. 若)(x f 在]1,0[上二阶可导,且0)1()0(,1)1(,0)0(=′=′==f f f f ,试证: ]1,0[∈ξ,使2)(≥′′ξf .。