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f(0) =f‘(0)=f”(0) =f”’(0) = … = e0= 1
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也就是说,ex的泰勒级数是1 +x+x2/2! +x3/3! +x4/4! + …,这与前面给出的结果一致。当x比较小时,我们只需计算为数不多的几项,就可以得出与确切答案非常接近的结果了。
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我们用泰勒级数来计算存款的复利。在上一章,如果我们在银行里存1 000美元,年利率为5%,按连续复利的方式结算利息,那么到年底时,银行账户的金额就会变成1 000e0.05= 1 051.27美元。利用泰勒多项式得到的二阶近似值是:
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1 000 [1 + 0.05 + (0.05)2/2!] = 1 051.25美元
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三阶近似值是1 051.27美元。
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下图是函数y= ex以及它的前三阶泰勒多项式的图像,以展现泰勒级数逼近函数值的效果。
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泰勒级数逼近y=ex的函数值
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随着我们增加泰勒多项式的阶数,近似值会越来越接近函数值,在x取接近于0的值时,近似效果最好。泰勒多项式为什么有这样的作用呢?一阶逼近(亦称线性逼近)的意思是,对于接近0的任意x,都有:
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f(x) ≈f(0) +f‘(0)x
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这是一条经过点 [0,f(0)]的直线,斜率为f‘(0)。同理,我们可以证明,n阶泰勒多项式在点[0,f(0)]处的一阶导数、二阶导数、三阶导数直至n阶导数都与原函数f(x)相同。
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延伸阅读
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我们还可以通过x接近除0以外的其他数字,来定义泰勒多项式和泰勒级数。具体来说,函数f(x) 在基点a处的泰勒级数为:
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它与x= 0时的情况一样,对于十分接近a的x,无论x是实数还是复数,泰勒级数都等于f(x)。
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接下来,我们来看函数f(x) = sinx的泰勒级数。再次提醒大家,f‘(x) = cosx,f”(x) = –sinx,f”’(x) = –cosx,f””(x) = sinx=f(x)。在x取0时,f(x)的n阶导数会从f(0)开始出现循环现象:0,1,0,–1,0,1,0,–1…。因此,x的所有偶数次幂都不会出现在泰勒级数中。也就是说,对于取任意值的x(单位为弧度),都有:
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sinx=x–+–+ …
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同理,当f(x) = cosx时,都有:
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cosx= 1 –+–+ …
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最后,我再举一例。在这个例子中,当x取某些值而不是所有值时,泰勒级数等于函数本身。我们来看函数f(x) == (1 –x)–1,f(0) = 1。根据链式法则,我们可以算出该函数的前几阶导数:
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