‹-- Назад

Остаток в формуле Тейлора и его оценка

Разность между функцией $ f(x)$ и её многочленом Тейлора называется $ n$-м остатком, или $ n$-м остаточным членом; обозначим этот остаток через $ R_n(x)$:

$\displaystyle R_n(x)=f(x)-P(x).$

Формула $ f(x)=P(x)+R_n(x)$, в более развёрнутой форме имеющая вид

$\displaystyle f(x)=f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0)+\frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2+\ldots+
\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n+R_n(x),$

называется формулой Тейлора для функции $ f(x)$ в точке $ x_0$, а представление функции $ f(x)$ в таком виде -- её разложением по формуле Тейлора.

Если считать, что остаток $ R_n(x)$ мал, то его можно отбросить без большой погрешности; при этом получается приближённая формула

$\displaystyle f(x)\approx f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0)+\frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2+\ldots+
\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n,$

дающая возможность для приближённого нахождения значений функции $ f(x)$.

Выясним, в каком смысле можно понимать "малость" остатка $ R_n(x)$ в формуле Тейлора, чтобы этой приближённой формулой мы могли пользоваться осмысленно.

        Теорема 6.1 (формула Тейлора с остаточным членом в форме Пеано)   Пусть $ R_n(x)$ -- остаток в формуле Тейлора для функции $ f(x)$ в точке $ x_0$, и функция $ f(x)$ имеет непрерывную $ (n+1)$-ю производную. Тогда $ R_n(x)$ -- бесконечно малая величина того же или большего порядка малости, как $ (x-x_0)^{n+1}$, при $ x\to x_0$. (Остаточный член $ R_n(x)$, о котором известны эти сведения о порядке малости, называется остаточным членом в форме Пеано.)

        Доказательство.     Утверждение теоремы означает, что существует

$\displaystyle \lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{R_n(x)}{(x-x_0)^{n+1}}=L.$

При $ L\ne0$ остаток $ R_n(x)$ будет иметь тот же порядок малости, что $ (x-x_0)^{n+1}$, а при $ L=0$ -- больший порядок малости. Итак, вычислим предел:

$\displaystyle \lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{R_n(x)}{(x-x_0)^{n+1}}=
 \lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{f(x)-P(x)}{(x-x_0)^{n+1}}=$    
$\displaystyle =\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{
 f(x)-f(x_0)-f'(x_0)(x-x_0)-\frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2-\ldots-
 \frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n}{(x-x_0)^{n+1}}.$    

Применим к этому пределу правило Лопиталя, повторив этот приём $ n$ раз:

$\displaystyle \lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{
 f(x)-f(x_0)-f'(x_0)(x-x_0)-\frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2-\ldots-
 \frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n}{(x-x_0)^{n+1}}=$    
$\displaystyle =\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{
 f'(x)-f'(x_0)-f''(x_0)(x-x_0)-\ldots-
 \frac{f^{(n)}(x_0)}{(n-1)!}(x-x_0)^{n-1}}{(n+1)(x-x_0)^n}=$    
$\displaystyle =\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{
 f''(x)-f''(x_0)-f'''(x_0)(x-x_0)-\ldots-
 \frac{f^{(n)}(x_0)}{(n-2)!}(x-x_0)^{n-2}}{(n+1)n(x-x_0)^{n-1}}=$    
$\displaystyle =\ldots=\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{
 f^{(n)}(x)-f^{(n)}(x_0)}{(n+1)n(n-1)\ldots2(x-x_0)}=$    
$\displaystyle =\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{
 f^{(n+1)}(x)}{(n+1)n(n-1)\ldots2\cdot1}=
 \dfrac{f^{(n+1)}(x_0)}{(n+1)n(n-1)\ldots2\cdot1}=L.$    

Последний предел мы вычислили прямой подстановкой, поскольку по предположению $ f^{(n+1)}(x)$ -- непрерывная функция. Существование предела доказывает утверждение теоремы.     

Доказанная теорема утверждает, что при малых отклонениях от $ x_0$ значения $ P(x)$ будут отклоняться от $ f(x)$ не более чем на величину $ (n+1)$-го порядка малости относительно разности $ x-x_0$, что даёт нам уверенность в том, что замена $ f(x)$ на многочлен Тейлора $ P(x)$ будет давать очень хорошее приближение, и это приближение будет улучшаться, если мы будем увеличивать значения $ n$. Однако доказанная теорема не даёт нам оценки остатка $ R_n(x)$. Этот пробел устраняет следующая теорема.

        Теорема 6.2 (остаток в формуле Тейлора в форме Лагранжа)   Пусть при всех $ x\in E$ существует $ (n+1)$-я производная $ f^{(n+1)}(x)$. Тогда для любого $ x$ существует точка $ x_{{\theta}}$, лежащая между $ x_0$ и $ x$ (то есть $ x_{{\theta}}=x_0+{\theta}(x-x_0)$ при $ {\theta}\in(0;1)$), такая что

$\displaystyle R_n(x)=\dfrac{f^{(n+1)}(x_{{\theta}})}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1}.$

(Остаточный член формулы Тейлора, представленный в таком виде, называется остаточным членом в форме Лагранжа.)

        Доказательство.     Это доказательство не столь прямолинейное, как в предыдущей теореме. Рассмотрим вспомогательную функцию $ r$ переменного $ t$, изменяющегося в рассматриваемой окрестности $ E$ точки $ x_0$. Эта функция будет зависеть также от параметра $ {\alpha}\in\mathbb{R}$:

$\displaystyle r(t)=f(x)-f(t)-f'(t)(x-t)-\frac{f''(t)}{2!}(x-t)^2-\ldots-
\frac{f^{(n)}(t)}{n!}(x-t)^n-\dfrac{{\alpha}}{(n+1)!}(x-t)^{n+1}.$

Подберём такое значение параметра $ {\alpha}$, равное $ {\alpha}_0$, чтобы при $ t=x_0$ функция обращалась в 0: $ r(x_0)=0$. Фиксируем такое значение $ {\alpha}={\alpha}_0$.

Тогда функция $ r(t)$ удовлетворяет условиям теоремы Ролля на отрезке $ [x;x_0]$ (или $ [x_0;x]$, если $ x>x_0$): $ r(x)=0$, что очевидно по определению функции $ r(t)$; $ r(x_0)=0$ согласно выбору параметра; дифференцируемость на $ (x;x_0)$ и непрерывность в точках $ x$ и $ x_0$ следуют из предположенных свойств функции $ f(x)$. По теореме Ролля существует такая точка $ x_{{\theta}}\in(x;x_0)$, что

$\displaystyle r'(x_{{\theta}})=0.$

Однако нетрудно подсчитать, находя производные произведений в определении функции $ r(t)$, что

$\displaystyle r'(t)=-f'(t)+f'(t)-f''(t)(x-t)+\dfrac{f''(t)}{2}\cdot2(x-t)-\ldots-$    
$\displaystyle -\dfrac{f^{(n+1)}(t)}{n!}(x-t)^n+\dfrac{{\alpha}_0}{(n+1)!}(n+1)(x-t)^n.$    

Все слагаемые в начале правой части, включая обозначенные многоточием, взаимно уничтожаются, так что получаем

$\displaystyle r'(t)=-\dfrac{f^{(n+1)}(t)}{n!}(x-t)^n+\dfrac{{\alpha}_0}{(n+1)!}(n+1)(x-t)^n.$

Подстановка $ t=x_{{\theta}}$ даёт

$\displaystyle r'({\theta})=0=-\dfrac{f^{(n+1)}(x_{{\theta}})}{n!}(x-x_{{\theta}})^n
+\dfrac{{\alpha}_0}{n!}(x-x_{{\theta}})^n,$

откуда следует, что

$\displaystyle {\alpha}_0=f^{(n+1)}(x_{{\theta}}).$

Теперь вспомним, что значение параметра мы выбрали так, что $ r(x_0)=0$. Подставив найденное значение $ {\alpha}_0$ в выражение для $ r(x_0)$, получим:

$\displaystyle r(x_0)=0=f(x)-f(x_0)-f'(x_0)(x-x_0)-\frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2-\ldots-$    
$\displaystyle -\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n-
 \dfrac{f^{(n+1)}(x_{{\theta}})}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1}.$    

Отсюда получаем, наконец,

$\displaystyle R_n(x)=f(x)-P(x)=\dfrac{f^{(n+1)}(x_{{\theta}})}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1},$

что и требовалось доказать.     

        Замечание 6.1   Полученную в предыдущей теореме оценку остатка удобно применять для оценки погрешности при замене функции её многочленом Тейлора, если известно, что $ (n+1)$-я производная при всех $ x$ из рассматриваемого интервала ограничена по абсолютной величине некоторым числом:

$\displaystyle \vert f^{(n+1)}(x)\vert\leqslant M_{n+1}.$

Тогда

$\displaystyle \vert f(x)-P(x)\vert\leqslant M_{n+1}(x-x_0)^{n+1},$

и при каждом фиксированном $ x$ мы можем узнать оценку погрешности приближённой формулы $ f(x)\approx P(x)$.     

        Замечание 6.2   Мы всюду подчёркивали, что приближённая формула $ f(x)\approx P(x)$ имеет место только при малых значениях отклонения $ x-x_0$. Надежды на то, что при увеличении $ n$ интервал, на котором можно будет применять с заданной точностью эту приближённую формулу, будет расширяться, вообще говоря, не оправдываются. Для пояснения сказанного приведём пример.

Пусть рассматривается функция $ f(x)=e^{-\frac{1}{x^2}}$, доопределённая при $ x=0$ по непрерывности: $ f(0)=0$. Ранее мы уже рассматривали эту функцию и выяснили, что все её производные существуют на всей оси $ Ox$ и при $ x=0$ равны 0: $ f^{(k)}(0)=0$ при всех $ k\in\mathbb{N}$. Это означает, что при любом порядке $ n$ многочлена Тейлора все его коэффициенты $ a_k=\dfrac{f^{(k)}(0)}{k!}$ равны 0, и формула Тейлора сводится к равенству $ f(x)=R_n(x)$. Таким образом, любой остаток в формуле Тейлора для этой функции в точке 0 равен одному и тому же, а именно, самой функции $ f(x)$! Поэтому уменьшить остаток за счёт увеличения $ n$ здесь никак не возможно: единственным приближением, которое формула Тейлора даёт для функции $ f(x)$, здесь служит тождественный 0.