calculus

テイラー級数

テイラー級数は、滑らかな関数を、一点におけるその導関数から構成される無限次の多項式として近似する。打ち切ると多項式近似が得られる。

aa のまわりにおける関数 ffテイラー級数

f(x)=n=0f(n)(a)n!(xa)n=f(a)+f(a)(xa)+f(a)2!(xa)2+f(x) = \sum_{n=0}^\infty \frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x - a)^n = f(a) + f'(a)(x-a) + \frac{f''(a)}{2!}(x-a)^2 + \cdots

である。a=0a = 0 のとき、この級数はマクローリン級数と呼ばれる。

有名な展開:

  • ex=xnn!e^x = \sum \frac{x^n}{n!}
  • sinx=(1)nx2n+1(2n+1)!\sin x = \sum \frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}
  • cosx=(1)nx2n(2n)!\cos x = \sum \frac{(-1)^n x^{2n}}{(2n)!}
  • 11x=xn\frac{1}{1-x} = \sum x^nx<1|x| < 1 のとき)。

級数を次数 nn で打ち切ると、多項式近似が得られる。これは電卓が内部で三角関数や指数関数を計算する仕組みであり、物理学が「微小角」や「低速度」のふるまいを近似する方法でもある。テイラー級数は、関数が無限回微分可能であり剰余項がゼロに収束する場所であれば、どこでも存在する。