泰勒级数用一个多项式在所选点 aa 附近逼近平滑函数,并使该多项式在该点与原函数的各阶导数相匹配。

探索器

使用控件选择函数、移动展开点,并增加项数。图像会对比精确函数与泰勒多项式,误差图则显示逼近从哪里开始偏离。

f(x) = e^x
Maclaurin series is the special case a = 0.
Converges for every real x.
a = 0window: -3 to 3
Black: exact functionBlue: Taylor polynomialDashed: expansion point
Approximation error: polynomial minus exact value
mean absolute error: 0.8563max absolute error: 7.0855
Current polynomial
T3(x) = 1 + x + 0.5x^2 + 0.1667x^3

公式

对于函数 ff,在 aa 处展开的前 NN 项泰勒展开为:

f(x)n=0N1f(n)(a)n!(xa)nf(x) \approx \sum_{n=0}^{N-1} \frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n

a=0a = 0 时,这称为麦克劳林级数。

观察要点

  1. 该多项式通常在 x=ax = a 附近最准确。
  2. 增加项数通常会改善局部拟合效果。
  3. 由于附近奇点的存在,有些函数的收敛半径是有限的。

常见的麦克劳林级数

函数 前几项
exe^x 1+x+x2/2!+x3/3!+1 + x + x^2/2! + x^3/3! + \cdots
sin(x)\sin(x) xx3/3!+x5/5!x - x^3/3! + x^5/5! - \cdots
cos(x)\cos(x) 1x2/2!+x4/4!1 - x^2/2! + x^4/4! - \cdots
ln(1+x)\ln(1 + x) xx2/2+x3/3x - x^2/2 + x^3/3 - \cdots

泰勒级数是微积分中的核心工具,因为它能把复杂函数转化为更容易分析、求导和计算的多项式。

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