テイラー級数の展開公式は下に書いたようになるんですが、正確にいうと、aの近傍において、と注釈がつくんですが、私が初めてこの展開公式を見たとき、「aの近傍」では引っかかるし、最後の「ξ」が関わる項が複雑怪奇に見えて、手に負えるような気がまったくしなかったわけです。
今は、テイラー展開が平均値の定理の拡張だということがわかっていますから、最後のξのある項が平均値の定理の拡張の結果、現われた項だということは、ぴんと来ますし、最後の項は平均値の定理の式に似通っていますしね。
でも、それだけだったら、ふーんそういうことなのかと、それでけのことで、そのうち忘れてしまって、今、こうして、ホームページにしてみようなんて、絶対思わなかったに違いないんです。何かに応用できそうにも見えませんしね。
でも、そうでもなかったんですね。
f’’(a) f’’’(n−1)’(a) f’’’(n)’(ξ)
f(x)=f(a)+(x−a)f’(a)+(x−a)^2------+........+(x−a)^(n−1)--------------+(x−a)^n-----------
2! (n−1)! n!
ξ=a+θ(x−a) (0<θ<1)
まず、テイラー展開公式を無限級数として、とらえます。
f’’(a) f’’’(n)’(a)
f(x)=f(a)+(x−a)f’(a)+(x−a)^2------+........+(x−a)^n-----------+........
2! n!
それから、「aの近傍」が面倒なので、a=0として、単純化します(こいつをマクローリン級数というんだそうです)。
f’’(0) f’’’(n)’(0)
f(x)=f(0)+xf’(0)+x^2------+........+x^n------------+........
2! n!
ここまで持ってくると、いろいろやれるわけです。下に、xの多項式を書いてみましたが、そいつをどんどん微分していくだけで、その多項式の係数が、次々決まっていくわけです。
まず、xに0を代入します。
f(x)=a0+a1・x+a2・(x^2)+a3・(x^3)+........
f(0)=a0 ∴a0=f(0)
これで、最初の係数a0が決まりました。
次に、多項式を微分して、xに0を代入します。
f’(x)=a1+a2・(2x)+a3・(3x^2)+........
f’(0)=a1 ∴a1=f’(0)
これで、係数a1が決まりました。
こうして、次々と多項式の係数が決まっていくわけです。
f’’(x)=a2・(2)+a3・(6x)+........
f’’(0)
f’’(0)=a2・(2) ∴a2=-------
2
f’’’(x)=a3・(6)+........
f’’’(0) f’’’(0)
f’’’(0)=a3・(6) ∴a3=---------=---------
6 3!
この手順そのものが、テイラー展開公式だったわけです。
それじゃ、テイラー展開を三角関数に使ってみます。公式を当てはめてみても面白くないので、上の手順を使って、三角関数がxの多項式になったときの係数を決めてみます。
f(x)=cos(x)=a0+a1・x+a2・(x^2)+a3・(x^3)+........ ∴1=a0
f’(x)=−sin(x)=a1+a2・(2x)+a3・(3x^2)+........ ∴0=a1
f’’(x)=−cos(x)=a2・(2)+a3・(6x)+........ ∴−1=a2・2
f’’’(x)=sin(x)=a3・(6)+........ ∴0=a3・6
cos(x)は、上のように係数が決まっていき、下のようなxの多項式になりました。
1
cos(x)=1−x^2----+........
2
sin(x)にも使ってみます。cos(x)と同じように順次係数を決めていきます。
f(x)=sin(x)=a0+a1・x+a2・(x^2)+a3・(x^3)+........ ∴0=a0
f’(x)=cos(x)=a1+a2・(2x)+a3・(3x^2)+........ ∴1=a1
f’’(x)=−sin(x)=a2・(2)+a3・(6x)+........ ∴0=a2・2
f’’’(x)=−cos(x)=a3・(6)+........ ∴−1=a3・6
sin(x)は、下のような多項式になりました。
1
sin(x)=x−x^3----+........
6
指数関数e^xにも使ってみましょう。
f(x)=e^x=a0+a1・x+a2・(x^2)+a3・(x^3)+........ ∴1=a0
f’(x)=e^x=a1+a2・(2x)+a3・(3x^2)+........ ∴1=a1
f’’(x)=e^x=a2・(2)+a3・(6x)+........ ∴1=a2・2
f’’’(x)=e^x=a3・(6)+........ ∴1=a3・6
指数関数e^xは、符号こそ違いますが、cos(x)とsin(x)を加えたような多項式に展開できました。
1 1
e^x=1+x+x^2----+x^3----+........
2 6
こんなふうに、テイラー展開は、たいていの関数をxの多項式に展開できるわけです。対数関数log(x)の展開はわざと省きました。例の「aの近傍」での展開を使わなければならないので、数学の専門家でない私には荷が重いし、めんどくさかったからです。すいません。
最後に、虚数iを含んだ指数関数e^(ix)に、テイラー展開を使って見ましょう。面白い結果になります。
f(x)=e^(ix)=a0+a1・x+a2・(x^2)+a3・(x^3)+........ ∴1=a0
f’(x)=ie^(ix)=a1+a2・(2x)+a3・(3x^2)+........ ∴i=a1
f’’(x)=−e^(ix)=a2・(2)+a3・(6x)+........ ∴−1=a2・2
f’’’(x)=−ie^(ix)=a3・(6)+........ ∴−i=a3・6
見事に、cos(x)と、sin(x)に虚数iをかけたものの、和になりました。
1 1
e^(ix)=1+ix−x^2----−i(x^3)----+........
2 6
1
cos(x)=1−x^2----+........
2
1
isin(x)=ix−i(x^3)----+........
6
これは、有名なオイラーの公式(たぶん、そういう名前だったと思います)の証明になっていると思います。
∴e^(ix)=cos(x)+isin(x)