微积分-11-泰勒展开(Taylor Series)

根据3blue1brown视频的整理与思考。

首先理解为什么要用Taylor series?

是为了更方便地去拟合一些比较复杂的公式,这里的假设就是,一般的多项会比大多数奇怪的比如带sin,cos的function更加简单。

例子1:这里用的一个例子是如何去拟合一个cos(x)的式子。

我们的目标是用一个二次多项式去做这个拟合,那么目标的式子是

P(x) = c_{0} +c_{1}x+c_{2}x^2


去拟合cos(x) = 0,这里可以看三样东西:


1. 首先我们确定起点是一样的:cos(0)时的y值 = 1, 所以当P(0)=c0 = 1, 所以c0 = 1


2. 其次我们确定起点的斜率是一样的:cos(0)时的tangent = 0,所以对于P(x)做一阶求导,可以知道

P'(0) = c1+2c2(0) = 0, 所以c1=0


3. 在确定了x=0时的值和斜率之后,我们对两边的值也做拟合,这个时候是通过二阶求导完成的,所以c2 = -0.5


然后来验证一下这个拟合在x值较小时的效果,当x = 0.1时:


对于0.1的拟合

所以在这一部分的小总结是:

constant的值负责原点一样,x对应的常项确定了原点的斜率一样,x2对应的则是当时的rate of change of tangent一样

那么如果我们想要用更多的polynomial terms去拟合这个cos(x):

比如如果最高次是3:也就是同时对于cos(x)和理想的这个多项式做三次求导,结果发现对于x^3的常项应该是0,这也就是说明了我们之间得到的那个二次的式子,不仅是二次中的最佳拟合,也是三次的最佳拟合。


3次求导

进一步,如果最高次是4:

同样的,两边式子都做四次求导,得到的对应常量是1/24, 这个值再一次提升了拟合的准确度,可以发现超级接近了。


4次求导

实际运用:这个式子会超准:


通过这个例子:可以产生两个重要的insights:

1. 一个比较general的公式,就是对于对于的高次常量:非常自然地引入了factorial。


这也就是我们在最后的例子中看到的:4次对应的1/24,是对应被拟合的式子的4次求导结果,去除以4的factorial。

2. 为了更完美地拟合而加入的高次项,对于之前的结果并不产生影响


这个的原因是,在较低次的求导中,较高次项对应的x=0,所以不受影响


一个general的总结:

Taylor series的本质,可以理解为,通过围绕一个点所产生的关于derivative的信息,去对于整个式子的预测。

cos的多次derivative是有一个1,0,-1,0的周期性的,所以最后的polynomial是这样的情景。

而更加general,推及到其他的式子,我们可以产生这样的一个公式。

再进一步,我们也未必需要再原点通过关于derivative的信息去推一个拟合的式子,而是任何一个点,那么公式就会是这样的。总之,越多项,拟合约接近,但是tradeoff就是越来越复杂。

一个比较特殊的例子是e的x次方,因为derivative一直都是自己,所以导致了这样的拟合polynomial。

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