2.2 Twierdzenie Taylora

Teoria

Taylora
Jeżeli funkcja f ma ciągłe pochodne do rzędu n-1 włącznie na przedziale domkniętym o końcach x_0 i x oraz ma pochodną rzędu n wewnątrz tego przedziału, to istnieje taki punkt c pomiędzy punktami x_0 i x, że

f(x)=f(x_0)+\frac{f^\prime(x_0)}{1!}(x-x_0)+\frac{f^{\prime\prime}(x_0)}{2!}(x-x_0)^2+\ldots
\ \ \ \ \ \ \ldots +\frac{f^{(n-1)}(x_0)}{(n-1)!}(x-x_0)^{n-1}+\frac{f^{(n)}(c)}{n!}(x-x_0)^{n}.

 

Powyższy wzór nazywany jest wzorem Taylora, zaś wyrażenie R_n(x)=\frac{f^{(n)}(c)}{n!}(x-x_0)^{n} resztą Taylora w postaci Lagrange'a. Wielomian postaci

f(x_0) + \frac{f'(x_0)}{1!}(x-x_0) + \frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2 + \ldots + \frac{f^{(n-1)}(x_0)}{(n-1)!}(x-x_0)^{n-1}

nazywamy wielomianem Taylora stopnia n-1 w punkcie x_0.

 

Jeżeli x_0=0, to wzór Taylora ma postać

f(x)=f(0)+\frac{f^\prime(0)}{1!}x+\frac{f^{\prime\prime}( 0)}{2!}x^2+ \ldots +\frac{f^{(n-1)}(0)}{(n-1)!}x^{n-1}+\frac{f^{(n)}(c)}{n!}x^{n}

i nazywany jest wzorem Maclaurina (punkt c leży pomiędzy 0 i x). Pomijając w powyższym wzorze resztę Taylora R_n(x)=\frac{f^{(n)}(c)}{n!}x^{n}, otrzymujemy przybliżenie (aproksymację) funkcji f za pomocą wielomianu Maclaurina:

f(x)\approx f(0)+\frac{f'(0)}{1!}x+\frac{f''( 0)}{2!}x^2+ \ldots +\frac{f^{(n-1)}(0)}{(n-1)!}x^{n-1},

przy czym błąd bezwzględny tego przybliżenia wynosi |R_n(x)|. Jeżeli wszystkie pochodne funkcji f są wspólnie ograniczone, to \lim\limits_{n\to +\infty}R_n(x)=0. Wówczas możemy obliczyć wartość funkcji f z dowolną dokładnością.

Przybliżenie wybranych funkcji za pomocą wzoru Maclaurina:

e^x\approx 1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\ldots +\frac{x^{n}}{n!} ,

\sin x\approx x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-\ldots +(-1)^n\cdot\frac{x^{2n-1}}{(2n-1)!} ,

\cos x\approx 1-\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}-\frac{x^6}{6!}-\ldots +(-1)^n\cdot\frac{x^{2n}}{(2n)!} ,

\frac{1}{1-x}\approx 1+x+x^2+x^3+x^4+\ldots +x^n ,

\ln (1+x)\approx x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}-\frac{x^4}{4}+\ldots + (-1)^{n+1}\cdot \frac{x^n}{n} .