利用泰勒公式求极限 (1)
泰勒公式的证明及应用(1)
一．摘要 (3)前言 (3)二、泰勒公式极其极其证明........................ (3)（一）带有皮亚诺型余项的泰勒公式 (3)（二）带有拉格朗日型余项的泰勒公式 (4)（三）带有柯西型余项的泰勒公式 (5)（四）积分型泰勒公式 (6)（五）二元函数的泰勒公式 (7)三、泰勒公式的若干应用 (8)（一）利用泰勒公式求极限 (8)（二）利用泰勒公式求高阶导数 (9)（三）利用泰勒公式判断敛散性 (10)（四）利用泰勒公式证明中值定理 (12)（五）利用泰勒公式证明不等式 (13)（六）利用泰勒公式求近似和值误差估计 (15)（七）利用泰勒公式研究函数的极值 (16)四、我对泰勒公式的认识 (16)参考文献 (17)英文翻译 (17)Taylor 公式的证明及应用【摘要】数学中的著名的公式都是一古典的数学问题，它们在数学，化学与物理领域都有很广泛的运用。
在现代数学中Taylor 公式有着重要地位，它对计算极限，敛散性的判断，不等式的证明、中值问题及高阶导的计算以及近似值的计算等方面都有很大的作用。
在本文中，我将谈到关于公式的几种形式及其证明方法并对以上几个方面进一步的运用，和我对几者之间的一些联系和差异的看法。
并通过具体事例进行具体的说明相关运用方法 【关键词】泰勒公式 佩亚诺余项 拉格朗日余项 极限 级数1、常见Taylor 公式定义及其证明我们通常所见的Taylor 公式有皮亚诺型、拉格朗日型、柯西型与积分型，还有常用的二元函数的Taylor 公式和高阶函数的Taylor 公式。
定义：设函数存在n 阶导数，由这些导数构成n 次多项式，称为函数在该点处的泰勒多项式各项系数称为泰勒系数。
1.1首先是带皮亚诺型余项的Taylor 公式：若函数f 在点0x 存在且有n 阶导数，则有0()()(())n n f x T x x x =+ο-即"'200000()()()()()()2!f x f x f x f x x x x x =+-+-+⋯()00()()!n n f x x x n +-0(())n x x +ο-. (2) 其中()n T x 是由这些导数构造的一个n 次多项式，"()'20000000()()()()()()()()2!!n n n f x f x T x f x f x x x x x x x n =+-+-+⋯+- （3）称为函数f 在点0x 处的Taylor 多项式，()n T x 的各项系数()0()!k f x k (1,2,,)k n =⋯称为Taylor 系数。
泰勒公式其应用
泰勒公式其应用一、一阶泰勒公式１.带有Lagrange 型余项的Taylor 公式定理1（泰勒） 若函数f 在(a,b)上存在直到n 阶的连续导函数,在(a,b)内存在n ＋1阶导函数,则对任意给定的),(,0b a x x ∈,至少存在一点ξ使得：()(1)1000000()()()()()()()()1!!(1)!n n nn f x f x f f x f x x x x x x x n n ξ++'=+-++-+-+ξ在0,x x 之间。
2.带有皮亚诺余项的泰勒公式定理2若函数f 在(a,b)上存在直到n 阶的连续导函数,则对任意给定的),(,0b a x x ∈()000000()()()()()()0(())1!!n n n f x f x f x f x x x x x x x n '=+-++-+- （1）称为泰勒公式的余项.3、 函数的Maclaurin 公式210()2!!nxn x x e x x n =+++++352112sin (1)0()3!5!(21)!m m m x x x x x x m --=-+++-+-24221cos 1(1)0()2!4!(2)!m m m x x x x x m +=-+++-+ 231ln(1)(1)0()23nn n x x x x x x n -+=-+++-+ 2(1)(1)(1)(1)10()2!!n n x x x x n ααααααα---++=+++++2110()1n n x x x x x=+++++- 二、应用1.把函数)(x f 展开成n 阶Maclaurin 公式例１： 把函数22sin )(x x x f =展开成含16x 项的具Peano 型余项的Maclaurin 公式 .【解】 ) (!7!5!3sin 7753x x x x x x +-+-=,) (!7!5!3sin 141410622x x x x x x +-+-=. ) (!7!5!3sin 1616128422x x x x x x x +-+-=例２： 把函数x x f 2cos )(=展开成含6x 项的具Peano 型余项的Maclaurin 公式 .【解】 ) (!6!4!21cos 6642x x x x x +-+-=, ), (!62!34212cos 66642x x x x x +-+-= ∴ ) (!62!321)2cos 1(21cos 665422x x x x x x +-+-=+=. 2.求)(x f 的n 阶导数例３： )1ln()(2x x x f +=，求)3)(0()(≥n fn .【解】))(022()1ln()(22222--+-++-=+=n n x n x x x x x x x f 又)(0!)0(!1)0()0()()(n nn x x n f x f f x f +++'+= )(02243n n x n x x x +-++-=所以，21!)0()(-=n n f n ，2!)0()(-=n n f n3.利用Taylor 公式求极限 例4 求极限(1) )]1ln([cos lim2202x x x e x x x -+--→ (2)011lim (cot )x x x x →-. 【分析】用泰勒公式求极限把函数展开到x 多少次方呢？对于分子和分母有一个能确定次数的，把另一个展开到相同次数即可，例如：3sin limxx x x -→333))(61(limx x o x x x x +--=→=6161lim 330=→xx x但是对于分子和分母都不能确定次数的，要以具体情况而定。
利用泰勒公式求极限分母的余项证明处理
泰勒公式是一种用于近似复杂函数的方法，它基于函数的导数信息在某一点附近展开函数。
泰勒公式的一般形式为：
f(x) = f(a) + f'(a)(x-a) + f''(a)/2!(x-a)^2 + ... + f^n(a)/n!(x-a)^n + R_n(x)
其中，f^n(a) 表示函数 f 在点a的n阶导数，R_n(x) 是泰勒公式的余项，它表示了泰勒展开式与实际函数值之间的误差。
在求极限的过程中，我们有时需要处理分母含有泰勒公式的余项的情况。
为了处理这种情况，我们通常会使用洛必达法则（L'Hôpital's Rule）或者泰勒公式的余项性质。
洛必达法则允许我们在极限表达式中分子和分母同时求导，从而简化表达式。
如果分子和分母在某一点的导数都存在，并且分母在该点的导数不为零，那么极限值就等于分子和分母在该点的导数的商的极限值。
对于泰勒公式的余项，如果我们知道它的阶数（即n的值），我们可以利用这个信息来估计余项的大小。
例如，如果余项是O((x-a)^(n+1))，那么当x趋近于a时，余项将趋近于零，因为任何正数的(n+1)次方在x趋近于a时都会趋近于零。
在处理含有泰勒公式余项的极限时，我们通常会结合使用洛必达法则和泰勒公式的余项性质。
首先，我们尝试使用洛必达法则简化表达式。
然后，我们利用泰勒公式的余项性质来估计余项的大小，从而确定极限的值。
请注意，这里提供的是一种一般性的方法，具体的处理步骤可能会因具体的函数和极限表达式而有所不同。
在实际应用中，我们需要根据具体情况灵活应用这些方法。
泰勒公式推断
泰勒公式推断泰勒(Tayloy)公式是微积分中的一个重要公式，也是进行数学理论研究与计算的重要的工具，但大多数的高等数学教材中，对泰勒公式应用的介绍都较少，导致学生难以掌握泰勒公式及其应用技巧。
因为低次多项式不能很精确的表达函数，和作近似计算，所以遇到一些要求精确度高而且需要估算误差的情况时，就必须使用高次多项式来近似表达函数，同时给出相应的误差公式。
泰勒公式是数学分析里面一个重要的部分方程，因此在数学里面有很高的地位。
泰勒公式教学方法泰勒公式作为高等数学微分学的教学重点和难点，其教学方法一直吸引着广大数学教学工进行研究。
而泰勒中值定理及泰勒公式的抽象深奥，确会让大多数学生不知所云、莫名其妙，虽经充分预习、认真听课，仍会感觉一头雾水、疑问重重。
难、不懂、不理解是学生学完泰勒公式的主要感觉，而作为传道授业解惑的老师，总希望能改变这一现象，希望泰勒公式给学生留下最深刻的印象是好、有用、会用。
因此，这节课的讲授需要老师投入更多的精力去设计其教学方法和教学思路。
例：设函数f（x）在x=x0处存在二阶导数，试证：等式右端是一个二次多项式加一个高阶无穷小项。
我们回顾一下它的证明。
通过上节课的知识，我们只需要用一次洛必达法则和导数的定义就证明了这个结论。
但是，我们并不是第一次用多项式来表示一般的函数了，在第二章学习微分的时候，我们知道，如果函数f（x）在x=x0处可微，则f（x）=f（x0）+f忆（x0）（x-x0）+o（x-x0）。
这说明如果函数f（x）在x0处有一阶导数，则f（x）等于一个一次的多项式加x-x0的高阶无穷小；如果函数f（x）在x0处有二阶导数，则f（x）等于一个二次的多项式加（x-x0）2的高阶无穷小；如果函数f（x）在x0处有三阶导数呢，大家猜想，我们会得到什么结论？到了这里，学生会自然而然地想到：如果函数f（x）在x0处有三阶导数，那么f（x）就等于一个三次的多项式加（x-x0）3的高阶无穷小。
微积分第三章答案
习题 3-11. 验证函数()f x =[0,4]上满足罗尔定理的条件，并求出使得结论成立的点ξ。
解：显然函数()f x =[0,4]上连续，在(0,4)上可导，且有(0)(4)0f f ==所以函数在区间[0,4]上满足罗尔定理，那么有()0f ξ'==，83ξ=。
2. 验证函数3()1f x x =-在区间[1,2]上满足拉格朗日中值定理的条件，并求出使得结论成立的ξ。
解：函数3()1f x x =-在区间[1,2]上连续，在(1,2)上可导，那么满足拉格朗日中值定理，那么有2(2)(1)321f f ξ-=-，即ξ=3. 函数4()1f x x =-与2()g x x =在区间[1,2]上是否满足柯西中值定理的所有条件，如满足，求出满足定理的数值ξ。
解：函数4()1f x x =-与2()g x x =在区间上连续，在区间(1,2)上可导，那么满足柯西中值定理，那么有3(2)(1)4(2)(1)2f f g g ξξ-=-，即ξ= 4. 假设4次方程432012340a x a x a x a x a ++++=有4个不同的实根，证明3201234320a x a x a x a +++=的所有根皆为实根。
证明：设43201234()f x a x a x a x a x a =++++，()0f x =的四个实根分别为1234,,,x x x x ，且1234x x x x <<<，那么函数()f x 在1[,](1,2,3)i i x x i +=上满足罗尔定理的条件，那么在1(,)i i x x +内至少存在一点i ξ，使得()0i f ξ'=。
这说明方程3201234320a x a x a x a +++=至少有3个实根，而方程为3次方，那么最多也只有3个实根，所以结论得到证明。
5. 设()f x 在[0,1]上连续，在(0,1)内可导，且(1)0f =，证明：存在(0,1)ξ∈，使得()()f f ξξξ'=-。
利用泰勒公式求极限
题 目决 定 ．一 般 来 说 。先 用 低 阶 麦 克 劳 林 公 式 表 示 ，如 果 计 算
不 了 ，再 增加 阶数 ，总 是 可 以算 出来 的．
下 面 我 们 举 两 个 例 子 说 明 如 何 应 用 麦 克 劳 林 公 式 求
极 限．
例 １：求 极 限 ｌｉｍ．Ｓｌｎｘ－ｘｃｏｓｘ
劳林 公 式是 泰勒 公式 的 一 个 特 例 ．我 们 可 应 用 麦 克 劳 林 公 式
求 极 限． 利 用 麦 克 劳 林 公 式 求 极 限 的思 路 是 将 其 他 函数 表 示 为 的
幂 函 数 再 进 行 计 算 ．至 于 用 几 阶麦 克 劳 林 公 式 表 示 ，根 据 具 体
— ．
ｓபைடு நூலகம்ｎ ｘ
ｘ
３
对 于 例 ｌ，也 可 以 应 用 罗 比 达 法 则 来 求 极 限 ，可 以说 更 简 单 ．
１ｉｒ ａ ｓｉｎｘ－ｘｃｏｓｘ ｌｉｍ —ｓｉＩｌｘ－ ｘｃｏｓｘ ：ｌｉｍ —ｘｓｉｎｘ ｌｉｍ—ｓｉｎｘ １
—
—
—
＝＿
＝
—
—
—
—
～
＿＝
—
＝
—
＝ ——
．
ｓｉｎ ｘ
ｎ ！
（１）式 称 为 ｆ（ｘ）在 ｘ。处 的 带 有 佩 亚 诺 型 余 项 的ｎ阶 泰 勒
公 式 ． 在 泰 勒 公 式 （１）中 ，如 果 取 ｘ。＝０，那 么公 式 （１）为
ｆ（ｘ）＝ｆ（０） ０）ｘ＋
２＋．．＿＋
“＋ｏ（ “） （２）
Ｚ ！
ｎ ！
公 式 （２）称 为 带 有 佩 亚 诺 型余 项 的 阶 麦 克 劳 林 公 式 ．麦 克
泰勒公式在极限求解中的应用
一
我们 可 以借 助 它 解 决很 多 问题 ． 本 文 简 述 了泰 勒公 式在 求 解 函
数 的极 限 中 的应 用．
—一
（ １ ＋ ｘ ）
关键词 ： 泰勒公式 １ ． 泰 勒 公 式
极限
应用
因 为 分子 关 于 ｘ 的次 数 为２ ，所 以 只 要 次幂即可．
参考文献 ： ［ １ ］ 同 济 大 学 数 学 系． 高等数 学（ 第五版 ） ［ Ｍ］ ． 北京： 高 等 教 育 出版 社 ， ２ ０ ０ １ ： １ ３ ９ — １ ４ ５ ． ［ ２ ］ 华 东 师 范 大 学 数 学 系． 数 学分析 （ 上册 ） ［ Ｍ］ ． 北京 ： 高 等 教 育 出版 社 ． ２ ０ ０ ２ ． ［ ３ ］ 南 京 大 学 数 学 系． 数 学 分 析 习题 全 解 ［ Ｍ］ ． 合肥： 安 徽 人 民 出版社 ． １ ９ ９ ９ ．
１
。
其中（ Ｒ （ ｘ ） ＝ ｏ （ ｘ — ｘ 。 ） ” ） 时， 称为带皮亚诺 （ Ｐ ｅ ａ ｎ ０ ） 余 项的ｎ
阶泰勒公式． ２ ． 泰勒 公 式 在 求 极 限 中 的 应 用 用 泰 勒 公式 计算 函数 极 限 的 实 质是 计 算 极 限 时 忽 略较 高
１ ＋ ｘ － ２ ｘ ２ ＋ ｏ （ ） 【 ２ ） ． Ｎ￣ ／ ｌ ｉ ｍ
。
ｆ （ ｘ （ Ｘ ０ ） ＋ ｆ ， （ ｘ ｎ ） （ 一 ０ ） ＋
Ｘ ０ ） ＋ ｎ （ ｘ ）
ｘ ０ ） ２ ＋ ． ． ． ＋
（ ｘ ．
一
—
——： 兰 雨 一 （ １ ＋ ｘ ） ［ １ ＋ ｘ － ２ 。 （ ） （ ２ ） ］ 一 （ １ ＋ ｘ ）
泰勒公式例题
泰勒公式及其应用等价无穷小在求函数极限中的应用及推广泰勒公式及其应用１ 引言泰勒公式是高等数学中一个非常重要的内容,它将一些复杂函数近似地表示为简单的多项式函数,这种化繁为简的功能,使它成为分析和研究其他数学问题的有力杠杆.作者通过阅读大量的参考文献,从中搜集了大量的习题,通过认真演算,其中少数难度较大的题目之证明来自相应的参考文献,并对这些应用方法做了系统的归纳和总结.由于本文的主要内容是介绍应用,所以,本文会以大量的例题进行讲解说明. ２ 预备知识定义2.1]1[ 若函数f 在0x 存在n 阶导数,则有'''200000()()()()()()1!2!f x f x f x f x x x x x =+-+-+()000()()(())!n n n f x x x o x x n +-+-（1）这里))((0n x x o -为佩亚诺型余项,称(1)f 在点0x 的泰勒公式.当0x =0时,（1）式变成)(!)0(!2)0(!1)0()0()()(2'''n nn x o x n f x f x f f x f +++++= ,称此式为(带有佩亚诺余项的)麦克劳林公式.定义2.2]2[ 若函数 f 在0x 某邻域内为存在直至 1+n 阶的连续导数,则''()'20000000()()()()()()()...()()2!!n n n f x f x f x f x f x x x x x x x R x n =+-+-++-+ ,（2）这里()n R x 为拉格朗日余项(1)10()()()(1)!n n n f R x x x n ξ++=++,其中ξ在x 与0x 之间,称（2）为f 在0x 的泰勒公式.当0x =0时,（2）式变成''()'2(0)(0)()(0)(0)...()2!!n nn f f f x f f x x x R x n =+++++ 称此式为(带有拉格朗日余项的)麦克劳林公式.常见函数的展开式：12)!1(!!21+++++++=n xn xx n e n x x x e θ .)()!12()1(!5!3sin 221253++++-+-+-=n n n x o n x x x x x . 24622cos 1(1)()2!4!6!(2)!nnn x x x x x o x n =-+-++-+.)(1)1(32)1ln(1132++++-+-+-=+n n n x o n x x x x x . )(1112n n x o x x x x+++++=- +-++=+2!2)1(1)1(x m m mx x m . 定理 2.1]3[(介值定理) 设函数 f 在闭区间 ],[b a 上连续,且 )()(b f a f ≠,若0μ为介于 )(a f 与)(b f 之间的任何实数,则至少存在一点0x ),(b a ∈,使得00)(μ=x f .3 泰勒公式的应用 3.1 利用泰勒公式求极限为了简化极限运算,有时可用某项的泰勒展开式来代替该项,使得原来函数的极限转化为类似多项式有理式的极限,就能简捷地求出.例3.1 求极限2240cos lim x x x e x -→-.分析：此为0型极限,若用罗比达法求解，则很麻烦,这时可将cos x 和22x e-分别用泰勒展开式代替,则可简化此比式.解 由244cos 1()2!4!x x x o x =-++,222242()21()22x x x e o x --=-++得2444422111cos ()()()4!22!12x x ex o x x O x --=-+=-+⋅, 于是244244001()cos 112limlim 12x x x x O x x e x x -→→-+-==-. 例3.2极限1sin 2lim sin cos xx xx x x x xe →0---- .分析：此为00型极限,若用罗比达法求解，则很麻烦,这时可将cos x 和sinx, xe分别用泰勒展开式代替,则可简化此比式.解： 由1sin 2xx x x e---=233331()())2626x x o o x x x x x ++++-1-x-(x-+=34333()()6126o o x xxx x ++=+,3233sin cos ()(1())62x x x o x o x x x x -x =-+--+33()3o xx =+于是1sin 2lim sin cos xx x x x x x x e →0----3333()162()3o o x x x x +==+例3.3利用泰勒展开式再求极限 。