[an error occurred while processing this directive]

Остаток в формуле Тейлора и его оценка

Теорема 6.2 (остаток в формуле Тейлора в форме Лагранжа)   Пусть при всех $ x\in E$ существует $ (n+1)$-я производная $ f^{(n+1)}(x)$. Тогда для любого $ x$ существует точка $ x_{{\theta}}$, лежащая между $ x_0$ и $ x$ (то есть $ x_{{\theta}}=x_0+{\theta}(x-x_0)$ при $ {\theta}\in(0;1)$), такая что
$\displaystyle R_n(x)=\dfrac{f^{(n+1)}(x_{{\theta}})}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1}.$
(Остаточный член формулы Тейлора, представленный в таком виде, называется остаточным членом в форме Лагранжа.)

        Доказательство.     Это доказательство не столь прямолинейное, как в предыдущей теореме. Рассмотрим вспомогательную функцию $ r$ переменного $ t$, изменяющегося в рассматриваемой окрестности $ E$ точки $ x_0$. Эта функция будет зависеть также от параметра $ {\alpha}\in\mathbb{R}$:

$\displaystyle r(t)=f(x)-f(t)-f'(t)(x-t)-\frac{f''(t)}{2!}(x-t)^2-\ldots-
\frac{f^{(n)}(t)}{n!}(x-t)^n-\dfrac{{\alpha}}{(n+1)!}(x-t)^{n+1}.$

Подберём такое значение параметра $ {\alpha}$, равное $ {\alpha}_0$, чтобы при $ t=x_0$ функция обращалась в 0: $ r(x_0)=0$. Фиксируем такое значение $ {\alpha}={\alpha}_0$.

Тогда функция $ r(t)$ удовлетворяет условиям теоремы Ролля на отрезке $ [x;x_0]$ (или $ [x_0;x]$, если $ x>x_0$): $ r(x)=0$, что очевидно по определению функции $ r(t)$; $ r(x_0)=0$ согласно выбору параметра; дифференцируемость на $ (x;x_0)$ и непрерывность в точках $ x$ и $ x_0$ следуют из предположенных свойств функции $ f(x)$. По теореме Ролля существует такая точка $ x_{{\theta}}\in(x;x_0)$, что

$\displaystyle r'(x_{{\theta}})=0.$

Однако нетрудно подсчитать, находя производные произведений в определении функции $ r(t)$, что

$\displaystyle r'(t)=-f'(t)+f'(t)-f''(t)(x-t)+\dfrac{f''(t)}{2}\cdot2(x-t)-\ldots-$   
$\displaystyle -\dfrac{f^{(n+1)}(t)}{n!}(x-t)^n+\dfrac{{\alpha}_0}{(n+1)!}(n+1)(x-t)^n.$   
 


Все слагаемые в начале правой части, включая обозначенные многоточием, взаимно уничтожаются, так что получаем

$\displaystyle r'(t)=-\dfrac{f^{(n+1)}(t)}{n!}(x-t)^n+\dfrac{{\alpha}_0}{(n+1)!}(n+1)(x-t)^n.$

Подстановка $ t=x_{{\theta}}$ даёт

$\displaystyle r'({\theta})=0=-\dfrac{f^{(n+1)}(x_{{\theta}})}{n!}(x-x_{{\theta}})^n
+\dfrac{{\alpha}_0}{n!}(x-x_{{\theta}})^n,$

откуда следует, что

$\displaystyle {\alpha}_0=f^{(n+1)}(x_{{\theta}}).$

Теперь вспомним, что значение параметра мы выбрали так, что $ r(x_0)=0$. Подставив найденное значение $ {\alpha}_0$ в выражение для $ r(x_0)$, получим:

$\displaystyle r(x_0)=0=f(x)-f(x_0)-f'(x_0)(x-x_0)-\frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2-\ldots-$   
$\displaystyle -\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n-
 \dfrac{f^{(n+1)}(x_{{\theta}})}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1}.$   
 


Отсюда получаем, наконец,

$\displaystyle R_n(x)=f(x)-P(x)=\dfrac{f^{(n+1)}(x_{{\theta}})}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1},$

что и требовалось доказать.     

        Замечание 6.1   Полученную в предыдущей теореме оценку остатка удобно применять для оценки погрешности при замене функции её многочленом Тейлора, если известно, что $ (n+1)$-я производная при всех $ x$ из рассматриваемого интервала ограничена по абсолютной величине некоторым числом:
$\displaystyle \vert f^{(n+1)}(x)\vert\leqslant M_{n+1}.$
Тогда
$\displaystyle \vert f(x)-P(x)\vert\leqslant M_{n+1}(x-x_0)^{n+1},$
и при каждом фиксированном $ x$ мы можем узнать оценку погрешности приближённой формулы $ f(x)\approx P(x)$.     
        Замечание 6.2   Мы всюду подчёркивали, что приближённая формула $ f(x)\approx P(x)$ имеет место только при малых значениях отклонения $ x-x_0$. Надежды на то, что при увеличении $ n$ интервал, на котором можно будет применять с заданной точностью эту приближённую формулу, будет расширяться, вообще говоря, не оправдываются. Для пояснения сказанного приведём пример.
Пусть рассматривается функция $ f(x)=e^{-\frac{1}{x^2}}$, доопределённая при $ x=0$ по непрерывности: $ f(0)=0$. Ранее мы уже рассматривали эту функцию и выяснили, что все её производные существуют на всей оси $ Ox$ и при $ x=0$ равны 0: $ f^{(k)}(0)=0$ при всех $ k\in\mathbb{N}$. Это означает, что при любом порядке $ n$ многочлена Тейлора все его коэффициенты $ a_k=\dfrac{f^{(k)}(0)}{k!}$ равны 0, и формула Тейлора сводится к равенству $ f(x)=R_n(x)$. Таким образом, любой остаток в формуле Тейлора для этой функции в точке 0 равен одному и тому же, а именно, самой функции $ f(x)$! Поэтому уменьшить остаток за счёт увеличения $ n$ здесь никак не возможно: единственным приближением, которое формула Тейлора даёт для функции $ f(x)$, здесь служит тождественный 0.