Задача 2. Аппроксимировать функции: 1) и 2) многочленами - й степени относительно двучлена и оценить погрешность. Затем, полагая , получить разложения функций по степеням .
Решение. Чтобы аппроксимировать данную функцию многочленом относительно двучлена , следует написать для нее многочлен Тейлора, полагая . Погрешность, возникающая при замене данной функции ее многочленом Тейлора, определяется величиной остаточного члена формулы Тейлора.
1) Для функции , где — любое вещественное число, имеем:
..............................................
Пользуясь многочленом Тейлора (*), получим
Погрешность этого приближенного равенства найдем по общей формуле остаточного члена формулы Тейлора, полагая и :
Полагая , получим
Последняя формула представляет обобщение бинома Ньютона для любого показателя . В частности, когда показатель — целое положительное число, то обращается в нуль, а равенство (1) обращается в элементарную формулу бинома Ньютона. Если 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 биномиальной формулы (1) может быть сделана сколь угодно малой величиной, т. е. стремится к нулю с возрастанием только для тех значений , которые по абсолютному значению меньше единицы:
Полагая , получим простейшие приближенные биномиальные формулы:
Вторая из этих формул точнее первой, а третья точнее второй.
2) Для функции получим:
................................................
Погрешность этой приближенной формулы
Полагая , получим
Здесь с возрастанием при , т. е. погрешность вычисления логарифмов по формуле (2) можно довести до любой сколь угодно малой величины только для значений из указанного полуоткрытого интервала. При получим приближенные формулы
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.