C語言中利用泰勒級數算 從泰勒級數到尤拉公式

2021-10-19 05:46:17 字數 1409 閱讀 6871

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大家一定聽過麥克勞林級數吧,其實就是x=0處的泰勒展開式,我們知道,要想兩隻曲線重合得越多,就要使它們的n階導數越接近,於是我們就可以利用這乙個點,近似求這點附近的所有點了,那麼泰勒展開式怎麼求呢?

我們以sinx為例,令它的麥克勞林級數是f(x),則它的麥克勞林級數f(x)=x-(x^3)/6+(x^5)/120+……+[(-1)^(n+1)]*[x^(2n-1)]/(2n-1)!

接下來我們要驗證這兩個函式圖象在x=0附近近似重合,只需驗證這兩條曲線的導數在x=0處的極限,也就是任意階導數在x=0處的極限相等,

lim sinx=limf(x)=0,

lim cosx=limf'(x)=1

lim (-sinx)=limf''(x)=0

lim(-cosx)=limf'''(x)=-1

這樣,在x=0附近的所有點,都能用麥克勞林級數表示

接下來看看cosx在x=π處的泰勒級數f(x),我們知道cosπ=-1,於是我們要使

我們要將其表示成-1+ax+bx^2+cx^3+…的形式,但是當x→π的時候其值為-1+aπ^2+cπ^3+…極限並不是-1,於是,為了讓其等於-1,我們只能將其表示成(x-π)的形式,這樣x=π時不就約去了嗎,這樣使各導數在x→π的極限相等,就可以等於導數在x=π時的值相等,這樣就可以利用這個相等的值,求它的原函式(一導對一項原則,例如二階導數是2,則它的二次原函式也應選只有一項的那個原函式,即2對應(x-x₀)^2而不是(x-x₀)^2+c,否則就多了一項了),再將這些函式相加,不就是泰勤展開式嗎,例如二階導數-cosπ=1,即f''(π)=1,即f''(π)一項為1,其餘各項(x-π)項是0,將這個函式求兩次原函式,不就是這一項的值嗎?令z=(x-π),則這一項就是(z^2)/2,再用x-π表示,這一項不就出來了嗎?

其餘各項都是這樣算的。

泰勒級數適用條件:該函式是解析函式且可無限求導。

接下來就是等價無窮小,它其實就是泰勒展開式中最小的一項,我們在求x=0處的等價無窮小時,有個前提就是必須能過點(0,0),不過點(0,0)怎麼辦呢,就是想辦法讓它過(0,0),例如sin(1/x)我們可以令z=1/x,令其等於sinz,而sin0=0,它不就過(0,0)了嗎。像sin(1/x)無泰勒級數(在x=0不解析)但它卻有等價無窮小,類似的還有很多,我們不能求它們的泰勒級數,只能求它們的洛朗級數。

泰勒級數還有乙個重要意義,它聯絡了指數函式與三角函式,得出了著名的尤拉公式,有興趣的同學可以試試推導一下噢,切記用上i^2=-1,可以用它替換i^2項噢,公式如下:

上式中令x=π,得到如下公式

即e^(iπ)+1=0,這個公式也稱尤拉公式,它聯絡了數學中的「五朵金花」,即0,1,i,π,e這五朵金花,這個公式在數學界是個十分重要的公式,它將複數擴充到了指數函式的領域

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