Остаток в формуле Тейлора и его оценка

Разность между функцией $ f(x)$ и её многочленом Тейлора называется $ n$-м остатком, или $ n$-м остаточным членом; обозначим этот остаток через $ R_n(x)$:

$\displaystyle R_n(x)=f(x)-P(x).$

Формула $ f(x)=P(x)+R_n(x)$, в более развёрнутой форме имеющая вид

$\displaystyle f(x)=f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0)+\frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2+\ldots+ \frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n+R_n(x),$

называется формулой Тейлора для функции $ f(x)$ в точке $ x_0$, а представление функции $ f(x)$ в таком виде -- её разложением по формуле Тейлора.

Если считать, что остаток $ R_n(x)$ мал, то его можно отбросить без большой погрешности; при этом получается приближённая формула

Признак сравнения в предельной форме

$\displaystyle f(x)\approx f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0)+\frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2+\ldots+ \frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n,$

дающая возможность для приближённого нахождения значений функции $ f(x)$.

Выясним, в каком смысле можно понимать "малость" остатка $ R_n(x)$ в формуле Тейлора, чтобы этой приближённой формулой мы могли пользоваться осмысленно.

        Теорема 6.1 (формула Тейлора с остаточным членом в форме Пеано)   Пусть $ R_n(x)$ -- остаток в формуле Тейлора для функции $ f(x)$ в точке $ x_0$, и функция $ f(x)$ имеет непрерывную $ (n+1)$-ю производную. Тогда $ R_n(x)$ -- бесконечно малая величина того же или большего порядка малости, как $ (x-x_0)^{n+1}$, при $ x\to x_0$. (Остаточный член $ R_n(x)$, о котором известны эти сведения о порядке малости, называется остаточным членом в форме Пеано.)

        Доказательство.     Утверждение теоремы означает, что существует

$\displaystyle \lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{R_n(x)}{(x-x_0)^{n+1}}=L.$

При $ L\ne0$ остаток $ R_n(x)$ будет иметь тот же порядок малости, что $ (x-x_0)^{n+1}$, а при $ L=0$ -- больший порядок малости. Итак, вычислим предел:

$\displaystyle \lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{R_n(x)}{(x-x_0)^{n+1}}= \lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{f(x)-P(x)}{(x-x_0)^{n+1}}=$   
$\displaystyle =\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{ f(x)-f(x_0)-f'(x_0)(x-x_0)-\frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2-\ldots- \frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n}{(x-x_0)^{n+1}}.$   
 


Применим к этому пределу правило Лопиталя, повторив этот приём $ n$ раз:

$\displaystyle \lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{ f(x)-f(x_0)-f'(x_0)(x-x_0)-\frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2-\ldots- \frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n}{(x-x_0)^{n+1}}=$   
$\displaystyle =\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{ f'(x)-f'(x_0)-f''(x_0)(x-x_0)-\ldots- \frac{f^{(n)}(x_0)}{(n-1)!}(x-x_0)^{n-1}}{(n+1)(x-x_0)^n}=$   
$\displaystyle =\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{ f''(x)-f''(x_0)-f'''(x_0)(x-x_0)-\ldots- \frac{f^{(n)}(x_0)}{(n-2)!}(x-x_0)^{n-2}}{(n+1)n(x-x_0)^{n-1}}=$   
$\displaystyle =\ldots=\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{ f^{(n)}(x)-f^{(n)}(x_0)}{(n+1)n(n-1)\ldots2(x-x_0)}=$   
$\displaystyle =\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{ f^{(n+1)}(x)}{(n+1)n(n-1)\ldots2\cdot1}= \dfrac{f^{(n+1)}(x_0)}{(n+1)n(n-1)\ldots2\cdot1}=L.$   
 


Последний предел мы вычислили прямой подстановкой, поскольку по предположению $ f^{(n+1)}(x)$ -- непрерывная функция. Существование предела доказывает утверждение теоремы.     

Доказанная теорема утверждает, что при малых отклонениях от $ x_0$ значения $ P(x)$ будут отклоняться от $ f(x)$ не более чем на величину $ (n+1)$-го порядка малости относительно разности $ x-x_0$, что даёт нам уверенность в том, что замена $ f(x)$ на многочлен Тейлора $ P(x)$ будет давать очень хорошее приближение, и это приближение будет улучшаться, если мы будем увеличивать значения $ n$. Однако доказанная теорема не даёт нам оценки остатка $ R_n(x)$. Этот пробел устраняет следующая теорема.

Пределы Первый и второй замечательные пределы

 
        Упражнение 2.6   Покажите, что имеют место также равенства
$\displaystyle \lim_{x\to-\infty}\left(1+\frac{1}{x}\right)^x=e$
и
$\displaystyle \lim_{{\alpha}\to0-}(1+{\alpha})^{\frac{1}{{\alpha}}}=e.$
На этой основе, применяя теоремы о связи двусторонних пределов с односторонними, покажите, что. Пример. Вычислить длину дуги кривой: , между точками пересечения с осями координат. Решение. Данная кривая задана в параметрическом виде, то есть x и y зависят от параметра t. Поэтому, чтобы построить точку с координатами (x,y) нужно задать некоторое значение параметра и потом посчитать x и y . Примеры решения и офомления задач контрольной работы по высшей математике
$\displaystyle \lim_{x\to\pm\infty}\left(1+\frac{1}{x}\right)^x=e$
    
Формулы в этих замечании и упражнении представляют собою другую форму записи второго замечательного предела. Мы сохраним название второй замечательный предел за всеми этими формулами.

Классификация операционных систем Виртуальная память Реализация многозадачности
Системы безопасности Операционная система Linux Введение в компьютерные сети Принципы построения вычислительных систем Базовые технологии локальной сетиСредства анализа Процедуры и функции Pascal Язык запросов SQL Программирование на СИ Брандмауэры Протоколы TCP/IP Файловые системы Драйверы устройств