Teiloro eilutė (neprofesionalams)

Išnagrinėsime vieną svarbiausių formulių matematinės analizės, turinčią daugybę pritaikymų tiek pačiame analize, tiek kitose artimose disciplinose.

1. Teiloro formulė keisti

Teiloro teorema*. Tegu funkcija f(x) turi taške a ir kai kurioje jo aplinkoje n+1** eilės išvestines. Tegu x - bet kokia argumento reikšmė iš nurodytos aplinkos,   Tada tarp taškų a ir x yra taškas   toks, kad teisinga tokia formulė:
 
Įrodymas. Tegu   yra polinomas x atžvilgiu ir laipsnio n, stovintis dešinėje pusėje formulėje (1), t. y. tarsim
 
(Jis vadinasi Teiloro polinomu laipsnio n funkcijai f(x).)
Toliau pažymėsime per   skirtumą
 
Teorema bus įrodyta, jeigu nustatysime, kad
 
Fiksuojame bet kokią x reikšmę iš nurodytos aplinkos (iš a aplinkos). Konkretumo dėlei laikome, kad x>a. Įvedame kintamąją reikšmė t besikeičiančia atkarpoje   ir nagrinėkime atkarpoje [a; x] pagalbinę funkciją
 
Funkcija F(t) tenkina atkarpoje [a; x] visas sąlygas Rolio teoremos:
1) iš (2) formulės ir iš sąlygų uždėtų funkcijai f(x), seka, kad F(t) netrūki ir diferencijuojama atkarpoje [a; x], nes f(t) ir jos išvestinės iki n-tos eilės tolydžios ir diferencijuojamos atkarpoje [a; x];
2) parinkę formulėje (2)   turime
 
Parinkę formulėje (2)   gauname
 
 
Tokiu budu, sąlyga   išpildyta.
Pagal Rolio teoremą atkarpos [a; x] viduje yra toks taškas   kad
 
Apskaičiuosime išvestinę   Diferencijuodami (2) lygybę per t, turime
 
 
Nesunku pastebėti, kad visi nariai dešinėje lygybės pusėje, išskyrus du paskutiniuosius, tarpusavyje pasinaikina. Tokiu budu,
 
Lygybėje (4) parinkę   ir pasinaudoję (3) lygybe, gauname
 
iš čia
 
 
 
Teorema įrodyta.
Formulė (1) vadinasi Teiloro formule, o   išraiška - Lagranžo formos papildomuoju nariu. Jį galima perrašyti kitame pavidale. Kadangi   tai yra toks skaičius   iš intervalo   kad   ir papildomasis narys priima pavidalą
 
Šitą formą papildomojo nario dažniausiai naudoja taikymuose.
____________
* Teiloras Brukas (1685-1731) - anglų matematikas.
** Iš čia seka, kad pati funkcija f(x) ir jos išvestinės iki n eilės tolydžios ir diferencijuojamos šitoje aplinkoje.


2. Kitoks Teiloro formulės ir papildomojo nario užrašymas keisti

Dažnai Teiloro formulę (1) užrašo kitokiame pavidale. Pažymėsime (1) formulėje   Tada
 
Kai   iš (5) gaunasi Lagranžo formulė
 
 
Parodysime, kad jeigu   yra aprėžta taško a aplinkoje, tai papildomasis narys   yra nykstantis dydis aukštesnės eilės negu   kai  :
 
kadangi funkcija   aprėžta, o   kai   Tokiu budu,
 
Formulė (6) vadinama papildomuoju nariu formoje Peano*.
_________
* Peano Džuzepe (1858-1932) - italų matematikas.

3. Makloreno formulė keisti

Makloreno* formule vadina Teiloro formulę (1) kai  :
 
Papildomasis narys turi pavidalą:
1) Lagranžo formoje  
2) Peano formoje  
Trumpai aiškinant ką reiškia   galima teigti, kad   Tik konstanta C, galimai esanti reiškinyje   nepaisoma, o visas dėmesys sutelktas į nykstančio dydžio eilę (laipsnį). Nykstantis dydis   reiškia, kad jis yra aukštesnės eilės negu   nykstantis dydis, kai  . Jeigu x neartėja prie 0, tai   tiesiog didesnės eilės dydis nei   Ir, berods, eilė gali būti tik natūrinis skaičius.
___________
* Maklorenas Kolinas (1698-1746) - škotų matematikas.

4. Kai kurių elementariųjų funkcijų išdėstymas Makloreno formule keisti

1)   Kadangi
 
 
tai Maklorerno formulė yra tokia
 


2)   Kadangi
 
 
tai Makloreno formulė yra tokia
 


3)   Kadangi
 
 
tai Makloreno formulė yra tokia
 
Formulėje (8) papildomasis narys užrašytas pavidale   o ne pavidale   nes sekantis narys po paskutinio nario lygus nuliui [tas pats liečia (9) formulę].
4)   kur   - realusis skaičius. Kadangi
 
 
tai Makloreno formulė yra tokia
 
kur papildomasis narys Lagranžo formoje lygus
 
Atskiru atveju, kai   - natūrinis skaičius,
 
todėl,   ir mes gauname žinomą iš elementariosios matematikos Niutono binomo formulę
 
 
Pateikti aukščiau dėstiniai parodo, kad su Makloreno formule funkcijas galima su nustatytu tikslumu pakeisti polinomais, esančiais paprasčiausiomis elementariosiomis funkcijomis. Su polinomais patogu daryti aritmetinius veiksmus, nesunku apskaičiuoti reikšmę bet kuriame taške ir t. t. Teiloro ir Makloreno formulės leidžia apytiksliai pakeisti polinomais ir sudėtingesnes funkcijas. Be to, šitos formulės turi platų ratą pritaikymų.
  • Funkciją   išskleisime eilute. Į formulę
 
vietoje   įrašę   o vietoje x įrašę   gausime tokią eilutę (be liekamojo nario  ):
 
 
 
 
 
Ši eilutė konverguoja intervale (-1; 1). Integruodami ją panariui, atkarpoje [0; x], kai |x| < 1, gauname eilutę
 
 
 
kuri taip pat konverguoja intervale (-1; 1).
  • Funkciją   išskleisime eilute.
(9.5) formulėje vietoj   įrašome   ir gauname eilutę
 
 
 
kuri konverguoja intervale (-1; 1). Ją galima integruoti bet kurioje atkarpoje [0; x] iš intervalo (-1; 1). Integruojant gauname:
 
 
Nesunku patikrinti, kad eilutė
 
konverguoja intervale (-1; 1]. Tuomet iš (9.6) formulės, įrašę įrašę į ją x = 1, gauname eilutę
 
 
kuri vadinama Leibnico eilute.
  • Atvirkštinį hiperbolinį sinusą išskleisime eilute. Atvirkštinis hiperbolinis sinusas yra lygus
 
Apie atvirkštines hiperbolines funkcijas žiūrėti čia: https://en.wikipedia.org/wiki/Inverse_hyperbolic_functions
arsinh(x) išvestinės įrodymas (kai nežinoma kam lygus arsinh(x)): https://proofwiki.org/wiki/Derivative_of_Inverse_Hyperbolic_Sine
Jo išvestinė yra
 
 
Taikysime (9.5) formulę
 
Vietoje   įrašę   o vietoje x įrašę   gausime tokią eilutę (be liekamojo nario  ):
 
 
 
 
 
Kuri konverguoja intervale (-1; 1). Integruodami panariui atkarpoje [0; x] iš intervalo (-1; 1), turime:
 
 
 

5. Makloreno formulės naudojimas ribų skaičiavimui keisti

Teiloro formulė yra efektyvus įrankis funkcijų ribų skaičiavimui, su kuriomis dažnai tenka susidurt nagrinėjant funkcijas.
  • Pavyzdys 1. Rasti  
Sprendimas. Pagal formulę (8), kai   turime
 
 


  • Pavyzdys 2. Rasti  
Sprendimas. Pagal formules (7), (8) ir (9) turime
 
 
(čia simboliu   pažymėtas dydis   esantis nykstantis dydis (begalo mažas), kai  ).

6. Skaičiaus e apskaičiavimas keisti

Matematikos knygose įvestas skaičius e kaip sekos   riba ir gautas grubus jo įvertinimas  
Parodysime, kaip apskaičiuoti skaičių e bet kokiu reikalingu tikslumu. Tam užrašysime (7) formulę su Lagranžo formos papildomuoju nariu:
 
Jeigu funkciją   pakeisti jos Teiloro polinomu laipsnio n, tai gausime apytikslę lygybę
 
absoliuti paklaida kurio
 
Jeigu nagrinėti funkciją  , kai   tai
 
Tarę (12) formulėje, kad   gauname apytikslę skaičiaus e reikšmę:
 
Be to, absoliuti paklaida mažesnė už   Jeigu reikia apskaičiuoti e reikšmę tikslumu iki 0,001, tai skaičius n nustatomas iš nelygybės   arba   Tuomet, jeigu paimti   tai reikalaujama nelygybė tenkinama (nes  ).
Tokiu budu, panaudojant Makloreno formulę, galimą apskaičiuoti skaičių e bet kokiu tikslumu, be to skaičiavimo algoritmas skaičiaus e, pagrįstas formulėmis (11) ir (13), lengvai realizuojamas su ESM (elektronine skaičiavimo mašina).


Apskaičiuosime e, kai  
 
Tuo tarpu, tikroji e reikšmė lygi e = 2.7182818284590452353602874713527.
2.718281828459 - 2.71805555556 = 0.000226272899 < 0.001.


  • Naudodamiesi Windows 10 kalkuliatoriumi, apskaičiuosime ribą   kai: a) n = 1000; b) n = 1000000; c)  
Sprendimas.
a)  
b)  
c)  
c) atveju gaunami 8 teisingi [skaičiaus e] skaitmenys po kablelio. Jeigu n parinkti   tai Windows 10 kalkuliatorius išduoda klaidą ("Invalid input").


  • Pagal Makloreno eilutę apskaičiuosime skaičiaus e reikšmę su paklaida mažesne nei   Kadangi,   kai x = 1 (čia  ), tai   turi būti mažiau už 0,000001, t. y.   arba   ši nelygybė tenkinama, kai n = 9, nes   Taigi,
 
 
Atsakymą gavome teisingą, nes  


  • Pagal Makloreno eilutę apskaičiuosime skaičiaus e reikšmę su paklaida mažesne nei   Analogiškai praeitam pavyzdžiui,   turi būti mažiau už   Tokiu budu,   Kai n = 12, paskutinė nelygybė tenkinama, nes  
Dabar galime apskaičiuoti skaičiaus e reikšmę, kai n = 12 su paklaida mažesne nei  
 
 
Atėmę gautą e reikšmę iš tikslios e reikšmės gauname skirtumą (paklaidą):