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
を 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。 が 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
差 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。
が と 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 と 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。
を 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、 と 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。
の形。もっとも簡潔で、多くの例はこれで足りる。
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。
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
が で 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、 で 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 が 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。 は 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。 の での極限は です。
一方 と 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。
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。
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、 で 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 で となり、無限級数としての等式が成り立ちます。
具体例:
の 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。
<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:
の 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 を 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。
の 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、 は 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、 を 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
で 、 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 です。
まず補題を用意します。どんな多項式 についても、 で です。
に 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 が 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。
<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。
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。
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











e−1/x2 のマクローリン級数はすべての x で収束するが、収束先は定数 0 であって f ではない。級数が収束することと、収束先が f であることは別の条件である。