一元函数情况
设一元函数 f(x) 在包含点 x0 的开区间 (a,b) 内具有 n+1 阶导数,则当 x∈(a,b) 时,有
f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+2!f′′(x0)(x−x0)2+⋯+n!f(n)(x0)(x−x0)n+Rn(x)
其中的余项 (即误差)
Rn(x)=(n+1)!f(n+1)(ξ)(x−x0)n+1
ξ 在 x0 和 x 之间,并把该余项称为 n 阶泰勒展开式的拉格朗日余项,即是 n 阶泰勒公式又展开了一阶,n 变为了 n+1。
另外在不需要余项精准表达式时,Rn(x) 可以记作 o[(x−x0)n],这被称为皮亚诺余项。
推广到二元
设二元函数 z=f(x,y) 在点 (x0,y0) 的某一领域内连续并具有 n+1 阶的连续偏导数,则有:
f(x,y)=f(x0,y0)+D+2!1[(x−x0)∂x∂+(y−y0)∂y∂]2f(x0,y0)+⋯++n!1[(x−x0)∂x∂+(y−y0)∂y∂]nf(x0,y0)+(n+1)!1[(x−x0)∂x∂+(y−y0)∂y∂](n+1)f[x0+θ(x−x0),y0+θ(y−y0)]
其中的 θ∈(0,1)
其中的表达式
[(x−x0)∂x∂+(y−y0)∂y∂]f(x0,y0)
表示
(x−x0)fx(x0,y0)+(y−y0)fy(x0,y0)
同样的,
[(x−x0)∂x∂+(y−y0)∂y∂]2f(x0,y0)
表示
(x−x0)2fxx(x0,y0)+2(x−x0)(y−y0)fxy(x0,y0)+(y−y0)2fyy(x0,y0)
普遍的,
[(x−x0)∂x∂+(y−y0)∂y∂]mf(x0,y0)
我们有
p=0∑mCmp(x−x0)p(y−y0)(m−p)∂xp∂y(m−p)∂mf(x0,y0)
所以上面的式子可以用更加简单的式子重写:
f(x,y)=k=0∑nk!1[(x−x0)∂x∂+(y−y0)∂y∂]kf(x0,y0)+(n+1)!1[(x−x0)∂x∂+(y−y0)∂y∂](n+1)f[x0+θ(x−x0),y0+θ(y−y0)],(0<θ<1)
同样的,余项 Rn(x,y) 是上面形式时是拉格朗日余项,如果是皮亚诺余项,则可以写成:
f(x,y)=k=0∑nk!1[(x−x0)∂x∂+(y−y0)∂y∂]kf(x0,y0)+o(ρn)
推广到多元
当变量是一个多维向量 X,以及在点 X0 的邻域内有连续二阶偏导数,可以写出其在点 X0 处的二阶泰勒展开式
f(X)=f(X0)+(X−X0)T∇f(X0)+2!1(X−X0)T∇2f(X0)(X−X0)+o(∥X−X0∥2)
其中,o(∥X−X0∥2) 是高阶无穷小的皮亚诺余项。而 ∇2f(X0) 则是函数 f(X) 在 X0 处的 Hessian 矩阵。见 雅可比(Jacobi)矩阵、海塞(Hessan)矩阵。