seegongsik
工程数学

泰勒展开

在一点周围堆多项式来模仿曲线,离中心越远误差越大

曲线难处理,多项式好处理。泰勒的想法是先定一个点。在那个点上,多项式与曲线的高度相同、斜率相同、弯曲程度也就是 2 阶导数相同,再依次配上更高的导数。次数越高,它在那个点附近把曲线模仿得越忠实。sin、cos、ex 这样的超越函数,也可以写成无限相加的多项式,也就是幂级数,计算器就是用这个办法求值的。离开中心,近似就会垮掉。垮掉的大小是余项,也就是截断误差,这一组数值分析都在跟这个误差打交道。中心放在哪里,决定近似能用的区间。区间里面,多项式代替曲线。区间外面,余项会把答案弄坏。

把次数滑块往上推。次数 1 只是切线,也就是一条直线,很快就离开灰色曲线。次数升到 3、5、7,金色多项式就把 sin 曲线包得更宽。无论哪一次数,越靠近中心,这里是 0,吻合得越好,越往两端越脱落。多项式在远处必定发散。项加得够多,在屏幕上看得到的区间里,它就几乎和 sin 重合。

这一次把 ex 一项一项地累加。第一项是常数 1,接着是 x,然后是 x²/2、x³/6,每一项都是 xᵏ/k!。下方的条是 x=2 处各项的大小。起初变大,分母里的阶乘 (k!) 变大之后就迅速变小。所以部分和会收到一个值上。项越多,T(2) 越接近真值 e²≈7.39。在每一个 x 都这样收拢的函数是解析函数,ex、sin、cos 就是代表。收拢能到多远,也就是收敛半径,紧接着的下一讲再看。

橙色的条是 sin 和金色多项式之间的间隔,也就是误差。把探针 x 放在中心 0 附近,条几乎看不见。把探针拖向两端,过了某一处,条会突然变长。提高次数,吻合的区间变宽,区间之外仍然会爆开。泰勒近似里要紧的,是离中心有多远。决定误差的是这段距离,而不是对精度的自夸。所以中心要取在你真正关心的点附近。

次数为 1 的泰勒就是沿切线走一步。在一个点上量出斜率,沿那条直线前进 h,预测下一个值。绿色虚线是这个预测,曲线是真值。h 小的时候两者几乎重合,把 h 加大,橙色间隔就张开。这个间隔是 1 阶泰勒的余项,也就是截断误差。这一步正是欧拉法每一步在做的事。它接过微分方程的斜率,沿直线一步一步往前走。近似和数值分析是同一个根,多项式近似的余项就是数值方法的误差。

选一个函数即可。选 sin,把项数放在 1,就得到 sin x ≈ x。解摆和小晃动时用的小角近似就是它,角越小越吻合。cos 从 1 − x²/2 开始,ex 从 1 + x + x²/2 开始。计算器和计算机用这样的多项式再加上一点修正,来求 sin、cos、ex 和对数。只会乘法和加法的机器,就是这样处理超越函数的。定下需要的精度,就用那么多项。角度很小的摆里,这一行常常代替整条运动方程。

实际应用泰勒多项式是在一个点上依次配上曲线的高度、斜率、弯曲程度而堆起来的多项式。次数越高、离中心越近,吻合得越好,没配上的那一部分就是余项,也就是截断误差。像 sin、cos、ex 这样能写成幂级数的函数是解析函数,也是计算器求值时用的工具。1 阶泰勒的一步就是欧拉法的一步,所以近似的余项直接就是数值分析的误差。收敛半径、牛顿法、不动点、欧拉法、数值积分、误差的阶,都是把这个误差变小的后续故事。
← 工程数学
如果有帮助,请支持我们