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如何通俗地解釋泰勒公式?

2016-01-24知識

● 泰勒公式是在局部,用一個多項式函數,近似地替代,一個復雜函數。這一點,大家多多少少都是了解的。下面我想說明,為什麽多項式函數可以近似替代復雜函數,以及泰勒公式展開的本質是什麽。

為了方便大家理解,我只用最簡單的「帶佩亞諾余項的麥克勞林公式」做範例。看完回答後,請大家務必參照本文思路,再親自對一般的泰勒公式進行分析,你就能徹徹底底地理解泰勒公式。

● 一般教科書把麥克勞林公式寫成以下形式:

初學者一看就懵了,這啥呀這是,只能死記硬背,覺得這個公式很不可愛。

但是,如果偷偷把展開式中的【階乘】換個位置,譬如這樣:

這個公式瞬間就變得和我一樣可愛。書本上的公式,僅僅是為了方便求各階冪函數前的系數;而調整階乘位置後的這個公示,才真正觸碰到了泰勒公式美麗的靈魂。

● 大家仔細想想,在泰勒展開式中,每一個冪函數(x²、x³…xⁿ)和與其搭配的階乘(2!、3!...n!)有什麽聯系。

大概沒想出來,但是如果我告訴你xⁿ的第n階導數是n!呢?

也就是說,x²的2階導數是2!,x³的3階導數是3!,這樣你能看出什麽嗎?

是的,你會發現,在x=0這一點,對泰勒展開式(多項式函數)求3階導數值,其結果為f'''(0)。

因為f(0)、f'(0)x、f''(0)x²/2,分別在1次求導、2次求導和3次求導中,求導成了0;

而之後的456更高階冪函數,在計算導數值時,需要代入x=0,其結果全部為0;

x³的3階導數是3!,和分母的3!約去,只剩下了f'''(0)這一項。

——多項式函數(泰勒展開式)的3階導數值,就是復雜函數f(x)的3階導數值。

同理,多項式函數的4階導數值,就是f(x)的 4階導數值;多項式函數的10086階導數值,就是f(x)的10086階導數值。

● 大家或許有那麽一點感覺了,為啥泰勒展開式都是由冪函陣列成。

這並非某些答案所說的「因為冪函數很簡單」,而是因為冪函數(x³)一旦與相應的階乘(3!)組合,就可以在對應階數(3階)求導後【消失】,只留下這一階的導數值(f'''(0))。

在這種意義上,泰勒展開並不是唯一的,因為任何在對應階求導後能夠消失,並只留下導數值的函數,都可以作為泰勒展開的備胎。可惜的是,冪函數與階乘的組合,是我們已知的唯一具有上述性質的函數,因此,這種唯一性決定了泰勒展開能夠且僅能夠由冪函數表示。

● 總結:泰勒公式的靈魂是導數值,而非冪函數。在展開的這一點,泰勒展開式與復雜函數f(x)的每一階導數值都完全相等。而這種「各階導數值相等」,揭示了多項式函數和它想要替代的復雜函數f(x)在「每一個維度上完全相同」的奇妙的事實。

● 打個不精確的比方,在【某一時刻】,有一個法外狂徒張三(復雜函數f(x)),想讓李四(泰勒展開式)替代自己去上學。

在這一時刻,李四和張三的外貌相同(函數值相同),體型相同(1階導數值相同),聲音相同(2階導數值相同),那我們就可以認為,或許在這一刻,讓李四替代張三是比較合理的。如果在更深入的維度上,他們具有相同的智商(3階導數值相同),具有相同的記憶(4階導數值相同),那麽用李四替代張三就更合理了。如果他們具有相同的喜惡(5階導數值相同),具有相同的三觀(6階導數值相同),那麽用李四替代張三就越來越合理了。

這也是為什麽泰勒公式展開越多項,在展開這一點的附近,就越接近f(x)本身。

● 現在再看一眼公式,大家能【理所當然】地理解為啥泰勒公式能夠如此展開了嗎?

你在寫出展開式的時候,內心活動應該如下:

在x=0這一點,

① 他們的函數值相同,所以寫出第一項f(0)

② 他們的1階導數值相同,所以寫下f'(0),要求求1階導的結果為f'(0),那麽後面得添上x

③ 他們的2階導數值相同,所以寫下f''(0),要求求2階導的結果為f''(0),那麽後面得添上x²/2!

④ 他們的3階導數值相同,所以寫下f'''(0),要求求3階導的結果為f'''(0),那麽後面得添上x³/3!

……

⑤ 他們的n階導數值相同,所以寫下fⁿ(0);要求求n階導的結果為fⁿ(0),那麽後面得添上xⁿ/n!

——如果你能理解當中的本質,這是一個簡單到不需要記憶的公式對吧?

● 希望你們看完這個回答後能夠體會到,f(x)泰勒展開成怎樣的函數並不重要,重要的是,在進行了某階求導後,這個函數一切外在的軀殼都隨風而逝,只留下了在這個維度上和f(x)完全相同的事實。