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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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:
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。
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。


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):

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。
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
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?
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。
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?
