Ряд Тейлора

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Ряд Те́йлора — разложение функции в бесконечную сумму степенных функций. Частный случай разложения в ряд Тейлора в нулевой точке называется рядом Маклорена.

Ряд Тейлора был известен задолго до публикаций Брука Тейлора[1] — его использовали ещё в XIV веке в Индии[2], а также в XVII веке Грегори и Ньютон.

Ряды Тейлора применяются при аппроксимации функции многочленами. В частности, линеаризация уравнений происходит путём разложения в ряд Тейлора и отсечения всех членов выше первого порядка.

Обобщением понятия ряда Тейлора в функциональном анализе является ряд Фантапье.

Определение[править | править код]

1. Многочленом Тейлора функции вещественной переменной , дифференцируемой раз в точке , называется конечная сумма

,

используемая в приближённых вычислениях, как обобщение следствия теоремы Лагранжа о среднем значении дифференцируемой функции:

при верно .

При записи суммы использованы обозначение и соглашение о произведении по пустому множеству: , .

2. Рядом Тейлора в точке функции вещественной переменной , бесконечно дифференцируемой в окрестности точки , называется формальный степенной ряд

с общим членом , зависящим от параметра .

Другими словами, рядом Тейлора функции в точке называется ряд разложения функции по положительным степеням двучлена :

.[3]

Как указано ниже в примерах, наличия бесконечной дифференцируемости функции в окрестности точки не достаточно, чтобы ряд Тейлора сходился к самой функции где-либо, кроме самой точки .

3. Рядом Тейлора в точке функции комплексной переменной , удовлетворяющей в некоторой окрестности точки условиям Коши — Римана, называется степенной ряд

.

В отличие от вещественного случая, из условий следует, что найдётся такое значение радиуса , что в ряд сходится к функции .

4. В случае ряд

называется рядом Маклорена.

Аналитическая функция[править | править код]

1. Функция вещественной переменной называется аналитической в точке , если существуют такой радиус и такие коэффициенты , , что может быть представлена в виде сходящегося на интервале степенного ряда: , то есть .

Функция называется аналитической на промежутке (на множестве), если она является аналитической в каждой точке этого промежутка (множества).

2. Степенной ряд на любом компактном подмножестве области сходимости допускает почленное дифференцирование любое количество раз.

Если в -ю производную функции подставить , то получится .

Таким образом, для аналитической в точке функции для некоторого всюду в является верным представление .

Следствие. Функция вещественной переменной является аналитической в точке тогда и только тогда, когда она равна своему ряду Тейлора с параметром на некотором открытом интервале, содержащем точку .

3. Вопрос: будет ли для произвольной бесконечно дифференцируемой в точке функции вещественного переменного её ряд Тейлора сходиться к всюду на каком-нибудь интервале , то есть представима ли этим рядом?

Ответ: нет. Существуют бесконечно дифференцируемые функции вещественной переменной, ряд Тейлора которых сходится, но при этом отличается от функции в любой окрестности .

Примеры. Функции вещественной переменной , , являются бесконечно дифференцируемыми в точке , причём все эти производные равны нулю.

Следовательно, ряды Тейлора всех этих функций с параметром тождественно равны нулю. Однако, для любого в окрестности точки найдутся точки, в которых функции отличны от . Таким образом, эти функции не являются в точке аналитическими.

Примером гладкой функции, не являющейся аналитической ни в одной точке своей области определения, служит функция Фабиуса.

Область сходимости ряда Тейлора[править | править код]

Ряд Тейлора, являясь степенным рядом, имеет в качестве области сходимости круг (с центром в точке ) для случая комплексной переменной и интервал (с центром в точке ) — для случая вещественной переменной.

1. Например, функция может быть разложена в ряд Тейлора следующим образом: (это известная формула суммы бесконечной убывающей геометрической прогрессии). Однако если функция определена для всех действительных чисел, кроме точки , то ряд сходится только при условии .

2. Радиус сходимости ряда Тейлора можно определить, например, по формуле Даламбера:

.

3. Рассмотрим для примера экспоненциальную функцию . Поскольку любая производная экспоненциальной функции равна самой функции в любой точке, то радиус сходимости экспоненциальной функции равен . Значит, ряд Тейлора экспоненциальной функции сходится на всей оси для любого параметра .


4. От параметра — точки разложения ряда Тейлора — зависит область его сходимости.

Например, разложим в общем случае (для произвольного ) в ряд Тейлора функцию : .

Можно доказать с помощью формулы суммы геометрической прогрессии, что данный ряд, как функция аргумента , при любых значениях (кроме ) имеет один и тот же вид.

Действительно,

.

Область сходимости ряда может быть задана неравенством . И теперь эта область зависит от . Например, для ряд сходится при . Для ряд сходится при .

Формула Тейлора[править | править код]

Предположим, что функция имеет все производные до -го порядка включительно в некотором промежутке, содержащем точку . Найдем многочлен степени не выше , значение которого в точке равняется значению функции в этой точке, а значения его производных до -го порядка включительно в точке равняются значениям соответствующих производных от функции в этой точке.

Достаточно легко доказать, что такой многочлен имеет вид , то есть это -я частичная сумма ряда Тейлора функции . Разница между функцией и многочленом называется остаточным членом и обозначается . Формула называется формулой Тейлора[4]. Остаточный член дифференцируем раз в рассматриваемой окрестности точки . Формула Тейлора используется при доказательстве большого числа теорем в дифференциальном исчислении. Говоря нестрого, формула Тейлора показывает поведение функции в окрестности некоторой точки.

Теорема:

Если функция имеет производную на отрезке с концами и , то для произвольного положительного числа найдётся точка , лежащая между и , такая, что

Это формула Тейлора с остаточным членом в общей форме (форма Шлёмильха — Роша).

Различные формы остаточного члена[править | править код]

В форме Лагранжа:

В форме Коши:

В интегральной форме:

Ослабим предположения:

  • Пусть функция имеет производную в некоторой окрестности точки и -ю производную в самой точке , тогда:
В асимптотической форме (форме Пеано, локальной форме):

Критерий аналитичности функции[править | править код]

Предположим, что некоторую функцию нужно разложить в ряд Тейлора в некоторой точке . Для этого предварительно нужно убедиться, что функция является аналитической (то есть буквально разложимой) в этой точке. В противном случае получится не разложение функции в ряд Тейлора, а просто ряд Тейлора, который не равен своей функции. Причем, как можно убедиться на примере функции Коши, и функция может быть сколько угодно раз дифференцируемой в точке , и её ряд Тейлора с параметром может быть сходящимся, но при этом ряд Тейлора может быть не равен своей функции.

Во-первых, необходимым условием аналитичности функции является сходимость ряда Тейлора в некоторой непрерывной области. Действительно, если ряд Тейлора сходится всего в одной точке, то это точка , потому что в ней ряд Тейлора сходится всегда. Но тогда ряд Тейлора равен функции только в этой единственной точке, а значит, данная функция не будет аналитической.

Во-вторых, по формуле Тейлора в ряд Тейлора с остаточным членом может быть разложена любая (а не только аналитическая) функция, бесконечно дифференцируемая в окрестности, содержащей точку . Пусть ряд Тейлора с параметром такой функции сходится в этой окрестности. Если существует предел каждой из двух последовательностей, то предел суммы этих последовательностей равен сумме их пределов. Тогда для всех из окрестности по формуле Тейлора можно записать , где  — ряд Тейлора.

Очевидно, что функция является аналитической в точке тогда и только тогда, если в указанной окрестности точки существует непрерывная область такая, что для всех остаточный член её разложения по формуле Тейлора стремится к нулю с ростом : .

В качестве примера рассмотрим экспоненциальную функцию . Её ряд Тейлора сходится на всей оси для любых параметров . Докажем теперь, что эта функция является аналитической во всех точках .

Остаточный член разложения этой функции в форме Лагранжа имеет вид , где  — некоторое число, заключенное между и (не произвольное, но и не известное). Тогда, очевидно,

Здесь используется, что на фиксированном промежутке экспонента ограничена некоторым числом

Причем, как видно, предел остаточного члена равен нулю для любых и .

Ряды Маклорена некоторых функций[править | править код]

  • Экспонента:
  • Натуральный логарифмряд Меркатора»): для всех
  • Биномиальное разложение: для всех и всех комплексных где — обобщённые биномиальные коэффициенты.
    • Квадратный корень[6]: для всех
    • Обратный квадратный корень[6]: для всех
    • Геометрические ряды[en]*:
      • для всех
      • для всех
      • для всех
      • Конечный геометрический ряд: для всех
  • Тригонометрические функции[6][7]:
    • Синус:
    • Косинус:
    • Тангенс: для всех где  — числа Бернулли.
    • Котангенс: для всех где  — числа Бернулли.
    • Секанс: для всех где  — числа Эйлера.
    • Косеканс: для всех где  — числа Бернулли.
  • Обратные тригонометрические функции[6][8]:
    • Арксинус: для всех [9].
    • Арккосинус: для всех
    • Арктангенс: для всех
    • Арккотангенс: для всех
  • Гиперболические функции[6][10]:
    • Гиперболический синус:
    • Гиперболический косинус:
    • Гиперболический тангенс: для всех
    • Гиперболический котангенс: для всех
    • Гиперболический секанс: для всех
    • Гиперболический косеканс: для всех
  • Обратные гиперболические функции[6][11]:
    • Гиперболический арксинус: для всех
    • Гиперболический арктангенс: для всех
  • W-функция Ламберта:

Формула Тейлора для функции двух переменных[править | править код]

Пусть функция имеет непрерывные производные до -го порядка включительно в некоторой окрестности точки . Введём дифференциальный оператор

.

Тогда разложение (формула Тейлора) функции по степеням для в окрестности точки будет иметь вид

где  — остаточный член в форме Лагранжа:

Следует иметь в виду, что операторы и в действуют только на функцию , но не на и/или .

Аналогичным образом формула строится для функций любого числа переменных, меняется только число слагаемых в операторе .

В случае функции одной переменной .

Формула Тейлора многих переменных[править | править код]

Для получения формулы Тейлора функции переменных , которая в некоторой окрестности точки имеет непрерывные производные до -го порядка включительно, введём дифференциальный оператор

Тогда разложение (формула Тейлора) функции по степеням в окрестности точки имеет вид

где  — остаточный член порядка .

Для функции переменных, бесконечно дифференцируемой в некоторой окрестности точки , ряд Тейлора имеет вид:

.

В другой форме ряд Тейлора можно записать таким образом:

.

Пример разложения в ряд Маклорена функции трёх переменных[править | править код]

Найдём выражение для разложения в ряд Тейлора функции трёх переменных , и в окрестности точки до второго порядка малости. Оператор будет иметь вид

Разложение в ряд Тейлора запишется в виде

Учитывая, что

получим

Например, при ,

Примечания[править | править код]

  1. Taylor, Brook, Methodus Incrementorum Directa et Inversa [Direct and Reverse Methods of Incrementation] (London, 1715), pages 21-23 (Proposition VII, Theorem 3, Corollary 2). Translated into English in D. J. Struik, A Source Book in Mathematics 1200—1800 (Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press, 1969), pages 329—332.
  2. Gupta R. C. The Madhava-Gregory series, Math. Education 7 (1973), B67-B70.
  3. Запорожец Г. И. «Руководство к решению задач по математическому анализу» — С. 371
  4. Н.С. Пискунов. Дифференциальное и интегральное исчисления. — Мифрил, 1996. — С. Том 1, глава 4, параграф 6.
  5. Н.С. Пискунов. Дифференциальное и интегральное исчисления для втузов. — тринадцатое. — МОСКВА "НАУКА", 1985. — С. Том 2, глава 16, параграф 16.
  6. 1 2 3 4 5 6 Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений Архивная копия от 30 декабря 2021 на Wayback Machine. — 4-е изд. — М.: Наука, 1963.
  7. Цукер Р. Тригонометрические функции // Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и таблицами / Под ред. М. Абрамовица и И. Стиган; пер. с англ. под ред. В. А. Диткина и Л. Н. Карамзиной. — М.: Наука, 1979. — С. 37—43. — 832 с. — 50 000 экз.
  8. Цукер Р. Обратные тригонометрические функции // Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и таблицами / Под ред. М. Абрамовица и И. Стиган; пер. с англ. под ред. В. А. Диткина и Л. Н. Карамзиной. — М.: Наука, 1979. — С. 44—47. — 832 с. — 50 000 экз.
  9. При значении x, близком к 1, эта расчётная формула сходится медленно, т.е. даёт большую погрешность при приближении функции суммой первых нескольких членов ряда. Поэтому можно воспользоваться формулой где
  10. Цукер Р. Гиперболические функции // Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и таблицами / Под ред. М. Абрамовица и И. Стиган; пер. с англ. под ред. В. А. Диткина и Л. Н. Карамзиной. — М.: Наука, 1979. — С. 48—49. — 832 с. — 50 000 экз.
  11. Цукер Р. Обратные гиперболические функции // Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и таблицами / Под ред. М. Абрамовица и И. Стиган; пер. с англ. под ред. В. А. Диткина и Л. Н. Карамзиной. — М.: Наука, 1979. — С. 50—53. — 832 с. — 50 000 экз.

Литература[править | править код]