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English

テイラー展開とマクローリン展開|定理・剰余項の証明・具体例

関数を多項式で置き換えたい、という要求から出発します。多項式なら値を計算でき、微分も積分も機械的にできるからです。

置き換えたときの誤差がどれだけかを与えるのがテイラーの定理です。誤差の項を無視してよい場面と、無視すると答えが変わる場面を分けるのが、この定理の役目になります。

多項式で近似する

の近くで 回微分可能とします。探すのは、 における 階までの導関数がすべて と一致する 次以下の多項式 です。

と置いて 回微分し、 を代入します。 の次数が より高い項は消え、低い項は微分で消えるので、残るのは 1 項だけです。

したがって と取るしかありません。条件を満たす多項式はただ 1 つに決まります。

これを における 次のテイラー多項式といいます。 なら接線、 なら接する放物線です。

問題はここから先にあります。 にどれだけ近いのかは、この作り方からは何も出てきません。

テイラーの定理

を剰余項といいます。テイラーの定理が与えるのは、この剰余項の具体的な形です。

を端点とする閉区間で連続、 がその内部で存在するとします。このとき のあいだのある点 が取れて、次が成り立ちます。

これをラグランジュの剰余項といいます。 の場合を書き出すと で、平均値の定理そのものです。

つまりテイラーの定理は、平均値の定理を高階の導関数へ持ち上げたものです。 の位置は分からず、存在だけが主張されています。

ラグランジュの剰余の証明

を固定し、 を動かす関数を用意します。

で微分します。各項に積の微分を使うと、出てくるのは 2 つの和です。

第 2 の和で添字を に付け替えると、第 1 の和の から までとちょうど打ち消し合います。残るのは 1 項だけです。

ここで と置き、 にコーシーの平均値の定理を使います。値を確かめると です。

左辺は になります。右辺は を代入すると が約分され、 が残ります。

両辺を見比べれば結論です。未知の点 を含む が約分で消えるところが、この証明の仕掛けになっています。

積分形の剰余

が連続なら、剰余項を積分で書けます。前節の をそのまま使います。

で、 は計算済みです。微分積分学の基本定理に当てはめます。

未知の点が出てこないのが積分形の利点です。評価するときに の位置を心配せずに済みます。

積分形からラグランジュの形も出ます。 が積分区間で符号を変えないので、積分の平均値の定理が使えるからです。

ラグランジュの剰余

の形。もっとも簡潔で、多くの例はこれで足りる。

コーシーの剰余

の形。 が残るので、ラグランジュの形が届かない範囲を拾える。

積分形の剰余

の形。未知の点を含まないので、細かい評価に向く。

ペアノの剰余と一意性

回微分可能でありさえすれば、次が成り立ちます。

これをペアノの剰余といいます。仮定がもっとも弱いのがこの形で、 の存在を要求しません。

剰余の大きさをランダウの記法で書いています。 は「これより速く 0 に行く」という意味です。

とは、 となること。値そのものではなく、0 への行き方の速さを比べる記号。

一意性も言えます。 次以下の多項式 を満たすなら、 でなければなりません。

証明は差を取るだけです。 次以下の多項式で、 を満たします。

として、最低次の項を )とします。 での極限は です。

一方 から、同じ量は 0 に近づきます。矛盾するので です。

この一意性のおかげで、どんな方法で多項式を作ってもそれがテイラー多項式だと言い切れます。既知の展開を組み合わせて計算してよい根拠がここにあります。

マクローリン展開とテイラー級数

の場合がマクローリン展開です。

ここまでは有限個の和で、必ず剰余項がついています。無限級数に移るには、もう一段階必要です。

テイラーの定理

有限個の和と剰余項の等式。微分可能性の仮定さえ満たせば、どんな関数でも必ず成り立つ。

テイラー級数

無限級数。書けるのは無限回微分可能なときで、しかも に収束するとは限らない。

が無限回微分可能なら、形式的な級数 が書けます。これをテイラー級数といいます。

級数が に収束するのは、 となるときに限ります。部分和がちょうど だからです。

次の多項式で近似する

剰余項に具体的な形を与える

剰余項が 0 に行くかを調べる

無限級数としての等式が言える

具体例:

とすると なので です。テイラー多項式は次の形になります。

剰余項を評価します。ラグランジュの形は で、 は 0 と のあいだなので です。

を固定すれば です。 となる番号から先は、 が 1 増えるたびに 倍以下になるからです。

したがってすべての実数 となり、無限級数としての等式が成り立ちます。

具体例:

階導関数は です。 を代入すると が繰り返し現れます。

偶数次の係数が消えるので、テイラー多項式には奇数次だけが残ります。

導関数はどれも絶対値が 1 以下なので、剰余項の評価は一行で済みます。

これですべての実数での収束が言えました。

HTML
CSS
JavaScript
<svg viewBox="0 0 460 250" width="100%" style="max-width:460px;display:block;margin:0 auto">
	<line x1="35" y1="120" x2="430" y2="120" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="230" y1="45" x2="230" y2="225" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="143" y1="208" x2="317" y2="32" stroke="#9a9a9a" stroke-width="1"></line>
	<polyline points="67,38 94,114 121,157 149,172 176,166 203,146 230,120 257,94 284,74 311,68 339,83 366,126 393,202" fill="none" stroke="#1b81e0" stroke-width="1.5"></polyline>
	<polyline points="67,149 94,159 121,171 149,175 176,166 203,146 230,120 257,94 284,74 311,65 339,69 366,81 393,91" fill="none" stroke="#d0562a" stroke-width="1.5"></polyline>
	<polyline points="40,101 67,128 94,153 121,170 149,175 176,166 203,146 230,120 257,94 284,74 311,65 339,70 366,87 393,112 420,139" fill="none" stroke="#1f1f1f" stroke-width="2"></polyline>
	<text x="40" y="32" font-size="11" fill="#1f1f1f">太線が sin</text>
	<text x="112" y="32" font-size="11" fill="#9a9a9a">1 次</text>
	<text x="152" y="32" font-size="11" fill="#1b81e0">3 次</text>
	<text x="192" y="32" font-size="11" fill="#d0562a">5 次</text>
	<text x="240" y="32" font-size="11" fill="#9a9a9a">次数を上げるほど遠くまで合う</text>
	<text x="40" y="242" font-size="11" fill="#9a9a9a">原点から離れるほど、合わせるのに高い次数が要る</text>
</svg>

具体例:

階導関数は で、 では の繰り返しです。今度は奇数次が消えます。

剰余項の評価は とまったく同じで、すべての実数で収束します。

の展開を項別に微分しても同じ式が出ます。ただし項別微分してよいことは、それ自体を確かめないと使えません。

具体例:

この例では剰余項を評価するまでもありません。等比数列の和の公式から、剰余項が完全な形で出てきます。

移項して整理します。

右端が剰余項そのものです。 なら なので 0 に収束し、 では収束しません。

導関数を一度も計算していないのに展開が得られました。一意性があるので、これがテイラー多項式だと言い切れます。

具体例:

前節の式で に取り替えます。

両辺を から まで積分します。左辺は です。

では なので、積分は で押さえられます。0 に収束します。

では を使い、 で押さえられます。こちらも極限は 0 です。

を代入すると です。収束範囲の端が入っているところがこの例の面白さになります。

ラグランジュの剰余では足りない場合

前節でわざわざ積分を使ったのには理由があります。ラグランジュの形では、 が負のときに評価が通りません。

階導関数は なので、剰余項は次の形になります。

は 0 と のあいだの未知の点です。 のとき も負で、 と 1 のあいだのどこかにあります。

の位置が分からない以上、最悪の場合で押さえるしかありません。 であり、これが 1 未満になるのは のときだけです。

つまりラグランジュの形では で収束を示せません。剰余項の形を選び直す必要が実際に生じる、という例になっています。

具体例:二項級数

を実数とし、 で考えます。導関数は次のように並びます。

を代入して で割ったものが、二項係数を実数の指数へ広げたものです。

これで展開の形が決まりました。 で級数は に収束します。

収束の証明にはコーシーの剰余項が要ります。ラグランジュの形では、前節と同じ理由で が負のときに評価が届かないからです。

の場合を書き出してみます。

が非負整数なら、 で係数が 0 になって有限和で止まります。ふつうの二項定理はその特別な場合です。

具体例:

に等比数列の和の式を使います。 を公比と見ます。

から まで積分すると、左辺は です。

なので、剰余項は で押さえられます。 なら極限は 0 です。

とすれば、円周率を表す級数が得られます。

収束は非常に遅く、実際の計算には向きません。 項まで足しても誤差が 程度しか縮まないからです。

具体例:

高階導関数を直接計算すると手に負えません。 という関係を使うほうが早く済みます。

は奇関数なので、展開には奇数次だけが現れます。 と置きます。

並べるのは、左辺を微分した式と、右辺を に入れて展開した式です。

一意性があるので、次数ごとに係数を比べてよいわけです。 が順に決まります。

一般項に閉じた式はありません。この手順で、必要な次数まで順に求めていくことになります。

無限回微分可能でも級数が一致しない例

と定めます。この関数は無限回微分可能で、しかもすべての です。

まず補題を用意します。どんな多項式 についても、 です。

を入れると となるので、 が言えます。 に取れば右辺は 0 に行きます。

次に、 での の形になることを帰納法で示します。 を微分すると が出るので、 の多項式は多項式のままです。

も帰納法です。 を仮定して差商を書きます。

と置けば で、補題から のとき 0 に収束します。よって です。

したがってマクローリン級数はすべての項が 0 で、和は定数関数 0 になります。ところが では なので、級数は に一致しません。

HTML
CSS
JavaScript
<svg viewBox="0 0 460 220" width="100%" style="max-width:460px;display:block;margin:0 auto">
	<line x1="40" y1="180" x2="420" y2="180" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="230" y1="45" x2="230" y2="195" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="60" y1="180" x2="400" y2="180" stroke="#d0562a" stroke-width="2" stroke-dasharray="5 3"></line>
	<polyline points="50,64 80,69 110,79 140,97 158,115 170,132 182,153 194,172 206,180 218,180 230,180 242,180 254,180 266,172 278,153 290,132 302,115 320,97 350,79 380,69 410,64" fill="none" stroke="#1b81e0" stroke-width="2"></polyline>
	<text x="40" y="30" font-size="11" fill="#1f1f1f">原点で異様に平らだが、原点以外では 0 でない</text>
	<text x="330" y="56" font-size="11" fill="#1b81e0">f のグラフ</text>
	<text x="248" y="200" font-size="11" fill="#d0562a">マクローリン級数は定数 0</text>
</svg>

級数が収束することと、収束先が であることは別だと分かります。無限回微分可能でも、テイラー級数で表せるとは限りません。

収束範囲が限られる例

は実数全体で無限回微分可能で、値も に収まっています。困ったところは何もないように見えます。

ところがマクローリン級数は で、 でしか収束しません。 を代入すれば項が発散します。

実軸の上を見ているかぎり、 で何かが起きる気配はありません。それでも展開はそこで止まります。

の例

級数はすべての で収束する。ただし収束先が定数 0 で、もとの関数と一致しない。

の例

級数は でしか収束しない。収束する範囲では、もとの関数と一致する。

食い違い方が 2 通りある、というのがこの対比です。テイラー級数が使える範囲は、関数の実軸上の見た目からは読み取れません。

誤差評価の実際

近似式の値打ちは、誤差がどれだけと分かるところにあります。その答えを与えるのが剰余項です。

の誤差を見ます。2 次の係数が 0 なので、 のラグランジュの剰余をそのまま使えます。

なら誤差は 以下です。実際の差は なので、評価はほぼ的中しています。

の値も同じ要領で計算できます。 での剰余は で、 から です。

なら誤差は 未満になります。11 項の足し算で小数点以下 7 桁が確定するわけです。

極限の計算に使う

ペアノの剰余の形は、 の形の極限にそのまま使えます。分子と分母を必要な次数まで展開して比べるだけです。

どの次数まで展開すればよいかは、分母の次数が決めます。足りなければ が残るので、そのときは 1 次上げます。

分母が 4 次の例も見ます。 を使えば、分子は です。

機械的に進められるのがこのやり方の利点です。何度も微分するうちに式が膨れていく、という手間がありません。

無限回微分可能な関数 について、 でのテイラー級数がある点 で収束したとする。このとき必ず言えるものはどれか。

  • 収束先は である
  • 収束先が とは限らない
  • は多項式である
  • 級数はすべての点で収束する
__RESULT__

のマクローリン級数はすべての で収束するが、収束先は定数 0 であって ではない。級数が収束することと、収束先が であることは別の条件である。

参考文献

Taylor's theorem
Taylor series
Non-analytic smooth function
The Remainder in Taylor Series
Taylor's theorem with the Lagrange form of the remainder
The Taylor Remainder Theorem
Lagrange form for the remainder
Taylor-Formel
Der Satz von Taylor
Satz von Taylor
Théorème de Taylor
Fonction régulière non analytique
Développements limités
Formules de Taylor et développements limités
導関数を一致させる多項式はただ一つに決まる。この一意性を軸に、剰余項の形を証明し、既知の展開を組み合わせて主要な関数の展開を導き、収束する範囲と誤差を評価する。