泰勒级数展开公式是一种将函数表示为 无限项级数的方法,用于近似计算函数在特定点附近的值。其一般形式如下:
\[ f(x) = f(a) + f'(a)(x-a)/1! + f''(a)(x-a)^2/2! + f'''(a)(x-a)^3/3! + \cdots \]
其中:
\( f(a) \) 表示函数 \( f \) 在点 \( a \) 处的函数值,
\( f'(a) \) 表示函数 \( f \) 在点 \( a \) 处的一阶导数,
\( f''(a) \) 表示函数 \( f \) 在点 \( a \) 处的二阶导数,
\( f'''(a) \) 表示函数 \( f \) 在点 \( a \) 处的三阶导数,
\( n! \) 表示 \( n \) 的阶乘,即 \( n! = n \times (n-1) \times (n-2) \times \cdots \times 1 \)。
展开式中的每一项都是函数 \( f \) 在点 \( a \) 处的导数与 \( (x-a) \) 的幂次的乘积,系数是 \( \frac{1}{n!} \)。
例如,如果要将函数 \( f(x) = \sin(x) \) 在点 \( a=0 \) 处展开成泰勒级数,那么可以先求出 \( f \) 在点 \( a=0 \) 处的导数,然后代入泰勒公式,得到:
\[ \sin(x) = \sin(0) + \cos(0)x/1! - \sin(0)x^2/2! - \cos(0)x^3/3! + \sin(0)x^4/4! + \cdots \]
化简后,可以得到:
\[ \sin(x) = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \frac{x^7}{7!} + \cdots \]
这就是 \( \sin(x) \) 在点 \( a=0 \) 处的泰勒级数展开式。
对于其他常见的函数,泰勒级数展开式也可以写成非常具体的形式。例如:
指数函数\( e^x \):
\[ e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \cdots + \frac{x^n}{n!} + \cdots \]
自然对数函数\( \ln(1+x) \):
\[ \ln(1+x) = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \cdots + (-1)^{k-1} \frac{x^k}{k} \quad (|x| < 1) \]
正弦函数\( \sin(x) \):
\[ \sin(x) = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \cdots + (-1)^{k-1} \frac{x^{2k-1}}{(2k-1)!} + \cdots \]
余弦函数\( \cos(x) \):
\[ \cos(x) = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \cdots + (-1)^k \frac{x^{2k}}{(2k)!} + \cdots \]
这些展开式在数学分析、工程、物理等领域有广泛的应用,特别是在需要高精度计算的场合。