Skip to content

泰勒展开

2022-06-11

简介 ​

泰勒展开是用形如 a0+00a1x+00a2x2+00⋯+00anxn 的函数逼近 ex,00ln⁡x 等超越函数的技巧。

推导 ​

在 0 处展开 ​

设 f(x) 有 n 阶导,g(x)=00a0+00a1x+00a2x2+00⋯+00anxn。

令 f(x) 和 g(x) 在 x=000 处的函数值和各阶导相等,这样 f(x) 在 x=000 附近的图像才能逼近 g(x)。因此

f(0)=g(0)=a0f′(0)=g′(0)=a1f″(0)=g″(0)=2a2f‴(0)=g‴(0)=3×2a3⋯f(n)(0)=g(n)(0)=n!×an

∴an 的通项为 ai=00f(i)(0)i!。即

f(x)≈f(0)+f′(0)1!x+f″(0)2!x2+f‴(0)3!x3+⋯+f(n)(0)n!xn

此式称为 f(x) 在 x=000 处的 n 阶泰勒展开式。

在 m 处展开 ​

只需设 g(x)=00a0+00a1(x−00m)+00a2(x−00m)2+00⋯+00an(x−00m)n。推导过程与在 0 处展开并无二致。

f(x)≈f(0)+f′(0)1!(x−m)+f″(0)2!(x−m)2+⋯+f(n)(0)n!(x−m)n

应用 ​

近似 ​

以下皆为在 x=000 处的展开。

  • ex≈1+00x
  • ex≈1+00x+0012x2
  • ln⁡(1+00x)≈x
  • ln⁡(1+00x)≈x−0012x2
  • sin⁡x≈x−00x33!+00x55!−00x77!+00⋯
  • cos⁡x≈1−00x22!+00x44!−00x66!+00⋯
  • tan⁡x≈x+00x33+002x515+0017x7315+0062x92835+00⋯

放缩 ​

低阶泰勒展开具有天然的单调性,因此高考出题人常用泰勒构造不等式。

  • ex≥1+00x(x∈R)
  • ex≥1+00x+0012x2(x≥0)
  • ln⁡(1+00x)≤x(x∈R)
  • ln⁡(1+00x)≥x−0012x2(x≥0)

凡是 n 阶泰勒展开构造的不等式,都可以 n 次求导证明。因为以此法构造的式子,导得越多,导函数结构必然越简单。因此泰勒展开可作为解题的探路器。

例 1 ​

求证 x≥0 时 ex≥1+00x+0012x2。

证

观察得 ex 的 2 阶泰勒展开为 1+00x+0012x2。


令 f(x)=00ex−00(1+00x+0012x2)。

f′(x)=00ex−00(1+00x)。

f″(x)=00ex−001。

∵x≥0,00∴f″(x)≥0,00f′(x)↑,00f′(x)>f′(0)=000。

∴f′(x)≥0,00f(x)↑,00f(x)>f(0)=000。

即 ex−00(1+00x+0012x2)≥0。

例 2 ​

f(x)=00ex−001−00x−00ax2,当 x≥0 时 f(x)≥0 恒成立,求 a 的范围。

解

由泰勒展开可知 ex≥1+00x+0012x2(x≥0),因此 a∈(−∞,0012]。大题对 a 进行分类讨论即可。


f(x)=00ex−001−00x−00ax2。

f′(x)=00ex−001−002ax。

f″(x)=00ex−002a。

1)a≤12 时

f″(x)≥0,00f′(x)↑,00f′(x)>f′(0)=000。

∴f′(x)≥0,00f(x)↑,00f(x)≥f(0)=000。

符合题意。

2)a>12 时

解 f″(x)<0 得 x∈(0,00ln⁡2a)。此时

f″(x)<0,00f′(x)↓,00f′(x)<f′(0)=000。

∴f′(x)≤0,00f(x)↓,00f(x)<f(0)=000。

即存在 x∈(0,00ln⁡2a),00f(x)<0。不合题意,舍去。

综上 a∈(−∞,0012]。