Решение задач на формулу Тейлора. Практикум по математическому анализу. Урок 46

Решение задач на формулу Тейлора. Практикум по математическому анализу. Урок 46

Задача 2. Аппроксимировать функции: 1) x^{m} и 2) \ln x многочленами n- й степени относительно двучлена x-1 и оценить погрешность. Затем, полагая x-1=t, получить разложения функций по степеням t.
Решение. Чтобы аппроксимировать данную функцию f(x) многочленом относительно двучлена x-1, следует написать для нее многочлен Тейлора, полагая a=1. Погрешность, возникающая при замене данной функции ее многочленом Тейлора, определяется величиной остаточного члена R_{n} формулы Тейлора.
1) Для функции x^{m}, где m — любое вещественное число, имеем:
f(x)=x^{m},\; \; \; \; f(1)=1,
f'(x)=mx^{m-1},\; \; \; f'(1)=m,
f''(x)=m(m-1)x^{m-2},\; \; \; f''(1)=m(m-1),
f'''(x)=m(m-1)(m-2)x^{m-3},\; \; \; f'''(1)=m(m-1)(m-2),
..............................................
f^{k}(x)=m(m-1)(m-2)...(m-k+1)x^{m-k},\; \; \; f^{k}(1)=m(m-1)(m-2)...(m-k+1).
Пользуясь многочленом Тейлора (*), получим
\displaystyle x^{m}\approx 1+\frac{m}{1!}(x-1)+\frac{m(m-1)}{2!}(x-1)^{2}+\frac{m(m-1)(m-2)}{3!}(x-1)^{3}+...+
\displaystyle +\frac{m(m-1)...(m-n+1)}{n!}(x-1)^{n}.
Погрешность этого приближенного равенства найдем по общей формуле остаточного члена R_{n} формулы Тейлора, полагая \displaystyle f(x)=x^{m} и a=1:
\displaystyle R_{n}=\frac{m(m-1)...(m-n)}{(n+1)!}(x-1)^{n+1}\left [ 1+\Theta (x-1) \right ]^{m-n-1},0<\Theta <1.

Полагая x-1=t, получим
\displaystyle (1+t)^{m}\approx 1+\frac{m}{1!}t+\frac{m(m-1)}{2!}t^{2}+\frac{m(m-1)(m-2)}{3!}t^{3}+...+\frac{m(m-1)...(m-n+1)}{n!}t^{n},\; (1)
\displaystyle R_{n}=\frac{m(m-1)...(m-n)}{(n+1)!}t^{n+1}(1+\Theta t)^{m-n-1}.
Последняя формула представляет обобщение бинома Ньютона для любого показателя m. В частности, когда показатель m — целое положительное число, то R_{m} обращается в нуль, а равенство (1) обращается в элементарную формулу бинома Ньютона. Если m не будет целым положительным числом, то равенство (1) дает приближенное выражение бинома в виде многочлена с биномиальными коэффициентами, которые составлены потому же закону, что и в элементарной формуле бинома Ньютона.
Как доказывается в теории рядов, погрешность R_{n} биномиальной формулы (1) может быть сделана сколь угодно малой величиной, т. е. стремится к нулю с возрастанием n только для тех значений t, которые по абсолютному значению меньше единицы:

-1<t<1.

Полагая n=1,2,3, получим простейшие приближенные биномиальные формулы: (1+t)^{m}\approx 1+mt, \displaystyle (1+t)^{m}\approx 1+mt+\frac{m(m-1)}{2}t^{2}, \displaystyle (1+t)^{m}\approx 1+mt+\frac{m(m-1)}{2}t^{2}+\frac{m(m-1)(m-2)}{6}t^{3}.
Вторая из этих формул точнее первой, а третья точнее второй.
2) Для функции \ln x получим:
f(x)=\ln x,\; \; \; \; f(1)=0,
f'(x)=x^{-1},\; \; \; \; f'(1)=1,
f''(x)=-1\cdot x^{-2},\; \; \; \; f''(1)=-1,
f'''(x)=1\cdot2\cdot x^{-3},\; \; \; \; f'''(1)=2!,
f^{(4)}(x)=-1\cdot2\cdot 3\cdot x^{-4},\; \; \; \; f^{(4)}(1)=-3!,
................................................
\displaystyle f^{(k)}(x)=(-1)^{k-1}(k-1)!\ x^{-k}, f^{(k)}(1)=(-1)^{k-1}\cdot (k-1)!
\displaystyle \ln x\approx \frac{x-1}{1}-\frac{(x-1)^{2}}{2}+\frac{(x-1)^{3}}{3}-...+(-1)^{n-1}\frac{(x-1)^{n}}{n}.
Погрешность этой приближенной формулы
\displaystyle R_{n}=\frac{(-1)^{n}}{n+1}\left [ \frac{x-1}{1+\Theta (x-1)} \right ]^{n+1},\: 0<\Theta <1.
Полагая x-1=t, получим
\displaystyle \ln (1+t)\approx t-\frac{t^{2}}{2}+\frac{t^{3}}{3}-\frac{t^{4}}{4}+...+(-1)^{n-1}\frac{t^{n}}{n};\; \;\;\;(2)
\displaystyle R_{n}=\frac{(-1)^{n}}{n+1}\left [ \frac{t}{1+\Theta t} \right ]^{n+1}.
Здесь \displaystyle R_{n} \to 0 с возрастанием n при -1<t\leq 1, т. е. погрешность вычисления логарифмов по формуле (2) можно довести до любой сколь угодно малой величины только для значений t из указанного полуоткрытого интервала. При n=1,2,3 получим приближенные формулы
\ln (1+t)\approx t,
\displaystyle \ln (1+t)\approx t-\frac{t^{2}}{2},
\displaystyle \ln (1+t)\approx t-\frac{t^{2}}{2}+\frac{t^{3}}{3},
которые следуют в порядке возрастающей точности.
Аналогичным образом, многие другие трансцендентные и сложные алгебраические функции можно аппроксимировать посредством формулы Тейлора простейшими алгебраическими функциями — степенными многочленами с любой
заданной точностью
, что имеет огромное теоретическое и практическое значение.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

одиннадцать − 4 =