如何通俗地解释泰勒公式?

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:

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设  是一个正整数。如果定义在一个包含

的区间上的函数  在  点处  次可导,那么对于这个区间上的任意  都有:

其中的多项式称为函数在  处的泰勒展开式,  是泰勒公式的余项且是   的高阶无穷小。
----维基百科

泰勒公式的定义看起来气势磅礴,高端大气。如果  的话,就是麦克劳伦公式,即

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

展开来就是

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  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  和  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:

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通过改变系数,多项式可以像铁丝一样弯成任意的函数曲线。送你一颗心(虽然是隐函数,意思一下):

2 用多项式对  进行逼近

是麦克劳伦展开形式上最简单的函数,有  就是这么任性。

增加一个  看看。

增加一个  看看。

可以看出,  不断的弯曲着那根多项式形成的铁丝去逼近  。并且  越大,起作用的区域距离0越远。

3 用多项式对  进行逼近

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。

同样的,我们再增加一个  试试。

可以看到  在适当的位置,改变了  的弯曲方向,最终让  更好的逼近了  。

一图胜前言,动手看看  的展开吧:

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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  满足,在  上连续,在  上可导,那么至少有一点  使等式  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  我们一直没有提。余项即使用泰勒公式估算的误差,即

余项的代数式是

其中  。是不是看着有点像了?

当  的时候,根据泰勒公式有,  ,把拉格朗日中值定理中的  换成  ,那么拉格朗日中值定理根本就是  时的泰勒公式。结合拉格朗日中值定理,我们来看看  的时候,泰勒公式的几何意义:

当  的时候,泰勒公式几何意义很好理解,那么  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?

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  份,分别为  ,令  ,...,   。我们可以推出(   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):

也就是说,  全部可以由  和   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  ,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  ,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  会毫不犹豫的回答:“你把4代进来,就会得到   ,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  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  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  ,代入  的泰勒展开有:

其中  是泰勒公式里面的余项,是高阶无穷小,  。解题神器有没有?

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