泰勒级数详解

本文主要是介绍泰勒级数详解，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

泰勒公式一句话描述：就是用多项式函数去逼近光滑函数。
先来感受一下：

定理：
设 n 是一个正整数。如果定义在一个包含 a 的区间上的函数 f 在 a 点处 n+1 次可导，那么对于这个区间上的任意 x，都有

$$f(x)=f(a)+\frac{f’}{1!}(x-a)+\frac{f^{(2)}(a)}{2!}(x-a)^2+...+\frac{f^{n}(a)}{n!}(x-a)^n+R_n(x)$$
其中的多项式称为函数在a 处的泰勒展开式，剩余的 ${\displaystyle R_{n}(x)}$是泰勒公式的余项，是 ${\displaystyle (x-a)^{n}}$ 的高阶无穷小。
泰勒公式的定义看起来气势磅礴，高端大气。如果 a=0 的话，就是麦克劳伦公式，即 $f(x)=\sum_{n=0}^N\frac{f^{n}(0)}{n!}x^n+R_n(x)$,这个看起来简单一点，我们下面只讨论麦克劳伦公式，可以认为和泰勒公式等价。

1.多项式的函数图像特点

$f(x)=\sum_{n=0}^N\frac{f^{n}(0)}{n!}x^n$展开来就是$f(0)+f'(0)x+\frac{f''(0)}{2!}x^2+...+\frac{f^{n}(0)}{n!}x^n,f(0),\frac{f''(0)}{2!}$,这些都是常数，我们暂时不管，先看看其中最基础的组成部分，幂函数有什么特点。


可以看到，幂函数其实只有两种形态，一种是关于 Y 轴对称，一种是关于原点对称，并且指数越大，增长速度越大。
那幂函数组成的多项式函数有什么特点呢？

怎么才能让 x^2 和 x^9 的图像特性能结合起来呢？

我们来动手试试看看系数之间如何压制的：

2.用多项式对 $e^ x$ 进行逼近

$e^ x$ 是麦克劳伦展开形式上最简单的函数，有 e 就是这么任性。
$e^x=1+x+\frac{1}{2!}x^2+...+\frac{1}{n!}x^n+R_n(x)$

增加一个 $\frac{1}{4!}x^4$ 看看

可以看出， $\frac{1}{n!}x^ n$ 不断的弯曲着那根多项式形成的铁丝去逼近 $e^ x$ 。并且 n 越大，起作用的区域距离0越远。

3.用多项式对 sin(x) 进行逼近

sin(x) 是周期函数，有非常多的弯曲，难以想象可以用多项式进行逼近。
$sin(x)=x-\frac{1}{3!}x^3+\cdots +\frac{(-1)^ n}{(2n+1)!}x^{(2n+1)}+ R_ n(x)$。

同样的，我们再增加一个 $\frac{1}{7!}x^7$ 试试。

可以看到 $\frac{1}{7!}x^7$ 在适当的位置，改变了 $x-\frac{1}{3!}x^3+\frac{1}{5!}x^5$ 的弯曲方向，最终让$x-\frac{1}{3!}x^3+\frac{1}{5!}x^5-\frac{1}{7!}x^7$ 更好的逼近了 $sin(x)$。

4.泰勒公式与拉格朗日中值定理的关系

拉格朗日中值定理：如果函数 f(x) 满足，在 [a,b] 上连续，在 (a,b) 上可导，那么至少有一点 $\theta ( a<\theta <b )$使等式 $f'(\theta )=\frac{f(a)-f(b)}{a-b}$成立。—-维基百科
数学定义的文字描述总是非常严格、拗口，我们来看下拉格朗日中值定理的几何意义：

这个和泰勒公式有什么关系？泰勒公式有个余项 $R_ n(x)$ 我们一直没有提。
余项即使用泰勒公式估算的误差，即 $\displaystyle f(x)-\sum _{n=0}^{N}\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^ n=R_ n(x)$
余项的代数式是， $R_ n(x)=\frac{f^{(n+1)}(\theta )}{(n+1)!}(x-a)^{(n+1)}$，其中$a<\theta <x$ 。是不是看着有点像了？
当 N=0 的时候，根据泰勒公式有， $f(x)=f(a)+f'(\theta )(x-a)$，把拉格朗日中值定理中的 b 换成 x ，那么拉格朗日中值定理根本就是 N=0 时的泰勒公式。
结合拉格朗日中值定理，我们来看看 N=0 的时候，泰勒公式的几何意义：

当 N=0 的时候，泰勒公式几何意义很好理解，那么 $N=1,2,\cdots$ 呢？
这个问题我是这么理解的：首先让我们去想象高阶导数的几何意义，一阶是斜率，二阶是曲率，三阶四阶已经没有明显的几何意义了，或许，高阶导数的几何意义不是在三维空间里面呈现的，穿过更高维的时空才能俯视它的含义。现在的我们只是通过代数证明，发现了高维投射到我们平面上的秘密。
还可以这么来思考泰勒公式，泰勒公式让我们可以通过一个点来窥视整个函数的发展，为什么呢？
因为点的发展趋势蕴含在导数之中，而导数的发展趋势蕴含在二阶导数之中……四不四很有道理啊？

5.泰勒公式是怎么推导的？

很多同学看到这段时，可能有点看不懂，我在牛顿插值的几何解释是怎么样的？ - 知乎，这个回答里尝试重新作答了。
根据“以直代曲、化整为零”的数学思想，产生了泰勒公式。

如上图，把曲线等分为 n 份，分别为 $a_1 ， a_2 ， \cdots ， a_ n ，$令 $a_1=a ， a_2=a+\Delta x， \cdots ， a_ n=a+(n-1)\Delta x$ 。我们可以推出（ $\Delta ^2 ， \Delta ^3$可以认为是二阶、三阶微分，其准确的数学用语是差分，和微分相比，一个是有限量，一个是极限量）：
$f(a_2)=f(a+\Delta x)=f(a)+\Delta f(x)$
$f(a_3)=f(a+2\Delta x)=f(a+\Delta x)+\Delta f(a+\Delta x)=f(a)+2\Delta f(x)+\Delta ^2f(x)$
$f(a_4)=f(a+3\Delta x)=f(a)+4\Delta f(x)+6\Delta ^2f(x)+4\Delta ^3f(x)+\Delta ^4f(x)$
也就是说，f(x)全部可以由 a 和 \Delta x 决定，这个就是泰勒公式提出的基本思想。据此的思想，加上极限 \Delta x \to 0 ，就可以推出泰勒公式。

6.泰勒公式的用处

多项式这种函数是我们可以亲近的函数，它们很开放、很坦白，心里想什么就说什么，比如 $f(x)=2-3x$，这个多项式会告诉我们想问的任何消息，甚至更多，譬如，我们问：“嘿，老兄，你在4那点的值是多少？”这时 f(x) 会毫不犹豫的回答：“你把4代进来，就会得到 $2-3\times 4=-10$ ，顺便告诉你，我最近长了奇怪的疹子，痒的要命，还好这两天症状减轻了…”。但是 ln(x) 阴暗、多疑，要是问它：“嗨，你在3的值是多少啊？”你得到的答案可能是：“你要干什么？为什么打听别人的私事？你以为凭着你那点加减乘除的三脚猫功夫就可以查出我的底细？况且我在3的值是多少，干你什么事！”—-《微积分之倚天宝剑》
泰勒公式最直接的一个应用就是用于计算，计算机一般都是把 sin(x) 进行泰勒展开进行计算的。
泰勒公式还可以把问题简化，比如计算， $\displaystyle \lim _{x \to 0}\frac{sin(x)}{x}$，代入 sin(x) 的泰勒展开有：$\displaystyle \lim _{x \to 0}\frac{sin(x)}{x}=\lim _{x \to 0}\frac{x+o(x^3)}{x}=1$ ，其中其中 $o(x^3)$ 是泰勒公式里面的余项，是高阶无穷小，$\displaystyle \lim _{x \to 0}o(x^3)=0$ 。
泰勒公式求高：

以上内容转自：
https://www.zhihu.com/question/21149770/answer/111173412

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