泰勒公式及其应用论文2).docVIP

毕业论文 题 目 泰勒公式及其应用 学生姓名 学号 所在院(系) 数 学 系 专业班级 数学与应用数学专业2006级4班 指导教师 完成地点 2010年 5月 30日 泰勒公式及其应用 [摘 要] 文章简要介绍了泰勒公式及其几个常见函数的展开式,针对泰勒公式的应用讨论了九个问题，即应用泰勒公式求极限，证明不等式，判断级数的敛散性，证明根的唯一存在性,判断函数的极值,求初等函数的幂级数展开式,进行近似计算,求高阶导数在某些点的数值,求行列式的值. [关键词] 泰勒公式；极限；不等式；敛散性；根的唯一存在性；极值;展开式;近似计算;行列式. 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 若函数在阶导数,则有 （1） 这里为佩亚诺型余项,称(1)f在点的泰勒公式. 当=0时,（1）式变成,称此式为(带有佩亚诺余项的)麦克劳林公式. 定义2.2 若函数 在阶的连续导数,则?为拉格朗日余项,其中在与之间,称（2）为在的泰勒公式. 当=0时,（2）式变成 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： . . . . . 定理2.1(介值定理) 设函数 在闭区间 上连续,且 ,若为介于 与之间的任何实数,则至少存在一点,使得 . 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. 分析：此为型极限,若用罗比达法求解，则很麻烦,这时可将和分别用泰勒展开式代替,则可简化此比式. 解 由,得 , 于是 . 3.2 利用泰勒公式证明不等式 当所要证明的不等式是含有多项式和初等函数的混合物,不妨作一个辅助函数并用泰勒公式代替,往往使证明方便简捷. 例3.2 当时,证明. 证明 取,,则 带入泰勒公式,其中=3,得 ，其中. 故 当时,. 3.3 利用泰勒公式判断级数的敛散性 当级数的通项表达式是由不同类型函数式构成的繁难形式时,往往利用泰勒公式将级数通项简化成统一形式,以便利用判敛准则. 例3.3 讨论级数的敛散性. 分析：直接根据通项去判断该级数是正向级数还是非正向级数比较困难,因而也就无法恰当选择判敛方法,注意到,若将其泰勒展开为的幂的形式,开二次方后恰与相呼应,会使判敛容易进行. 解 因为 , 所以 , 所以 故该级数是正向级数. 又因为 , 所以 . 因为收敛,所以由正向级数比较判别法知原级数收敛. 3.4 利用泰勒公式证明根的唯一存在性 设f(x)在上二阶可导,且,对, 证明： 在内存在唯一实根. 分析：这里f(x)是抽象函数,直接讨论的根有困难,由题设f(x)在上二阶可导且,可考虑将f(x)在a点展开一阶泰勒公式,然后设法应用戒指定理证明. 证明 因为,所以单调减少,又,因此xa时,,故f(x)在上严格单调减少.在a点展开一阶泰勒公式有 由题设,于是有,从而必存在,使得,又因为,在上应用连续函数的介值定理,存在,使,由f(x)的严格单调性知唯一,因此方程在内存在唯一实根. 3.5 利用泰勒公式判断函数的极值 例3.5 (极值的第二充分条件)设在的某邻域内一阶可导,在处二阶可导,且,. (i)若,则在取得极大值. (ii) 若,则在取得极小值. 证明 由条件，可得f在处的二阶泰勒公式 . 由于,因此 .(*) 又因,故存在正数,当时,与同号.所以,当时,(*)式取负值,从而对任意有 , 即在取得极大值.同样对,可得在取得极小值. 3.6 利用泰勒公式求初等函数的幂级数展开式 利用基本初等函数的幂级数展开式,通过加减乘等运算进而可以求得一些较复杂的初等函数的幂级数展开式. 例3.6 求的幂级数展开式. 解 利用