Kurs:Mathematik für Anwender (Osnabrück 2019-2020)/Teil I/Vorlesung 17/latex
\setcounter{section}{17}
\epigraph { Aus großer Macht folgt große Verantwortung } { Ben Parker }
\zwischenueberschrift{Die Taylor-Formel}
\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Taylor_Brook_Goupy_NPG.jpg} }
\end{center}
\bildtext {Brook Taylor (1685-1731)} }
\bildlizenz { Taylor Brook Goupy NPG.jpg } {Louis Goupy} {Astrochemist} {Commons} {PD} {}
Bisher haben wir nur Potenzreihen der Form
\mathl{\sum_{k=0}^\infty c_k x^k}{} betrachtet; die Variable $x$ darf jetzt auch durch die \anfuehrung{verschobene Variable}{} \mathlk{x-a}{} ersetzt werden, um das lokale Verhalten im \stichwort {Entwicklungspunkt} {} $a$ beschreiben zu können. Konvergenz bedeutet in diesem Fall, dass es ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon
}
{ > }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
derart gibt, dass für
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x
}
{ \in} {] a- \epsilon, a+ \epsilon[
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
die Reihe konvergiert. In dieser Situation ist die durch die Potenzreihe dargestellte Funktion wieder differenzierbar und die Ableitung wird durch die summmandenweise genommene Ableitung wie in
Satz 16.1
beschrieben. Zu einer konvergenten Potenzreihe
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f(x)
}
{ \defeq} { \sum _{ k= 0}^\infty c_k (x-a)^{ k }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
bilden die Teilpolynome
\mathl{\sum_{k=0}^n c_k (x-a)^k}{} polynomiale Approximationen für die Funktion $f$ im Punkt $a$. Ferner ist $f$ in $a$ beliebig oft differenzierbar und die Ableitungen im Punkt $a$ lassen sich direkt aus der Potenzreihe ablesen, und zwar ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f^{(n)} (a)
}
{ =} {n ! c_n
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Wir fragen uns nun umgekehrt, inwiefern man aus den höheren Ableitungen einer hinreichend oft differenzierbaren Funktion approximierende Polynome
\zusatzklammer {oder eine Potenzreihe} {} {}
erhalten kann. Dies ist der Inhalt der \stichwort {Taylor-Entwicklung} {.}
\inputdefinition
{}
{
Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{I
}
{ \subseteq }{ \R
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ein
\definitionsverweis {Intervall}{}{,}
\maabbdisp {f} {I} { \R
} {}
eine $n$-mal
\definitionsverweis {differenzierbare}{}{}
\definitionsverweis {Funktion}{}{}
und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a
}
{ \in }{I
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Dann heißt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ T_{ a,n } ( f) ( x )
}
{ \defeq} { \sum_{ k = 0}^{ n } \frac{ f^{( k )}(a)}{ k !} (x-a)^{ k }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
das \definitionswort {Taylor-Polynom vom Grad}{}\zusatzfussnote {Oder genauer das Taylor-Polynom vom Grad $\leq n$. Wenn die $n$-te Ableitung in $a$ null ist, so besitzt das $n$-te Taylor-Polynom einen Grad kleiner als $n$} {.} {} $n$ zu $f$ im Entwicklungspunkt $a$.
}
Es ist also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ T_{ a,0 } ( f) ( x )
}
{ \defeq} { f(a)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
die konstante Approximation,
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ T_{ a,1 } ( f) ( x )
}
{ \defeq} { f(a) + f'(a)(x-a)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
die lineare Approximation, wie sie im Konzept der linearen Approximierbarkeit vorkommt,
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ T_{ a,2 } ( f) ( x )
}
{ \defeq} { f(a) + f'(a)(x-a) + { \frac{ f^{\prime \prime} (a) }{ 2 } } (x-a)^2
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
die quadratische Approximation,
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ T_{ a,3 } ( f) ( x )
}
{ \defeq} { f(a) + f'(a)(x-a) + { \frac{ f^{\prime \prime} (a) }{ 2 } } (x-a)^2+ { \frac{ f^{\prime \prime \prime} (a) }{ 6 } } (x-a)^3
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
die Approximation vom Grad $3$, u.s.w. Das Taylor-Polynom zum Grad $n$ ist dasjenige
\zusatzklammer {eindeutig bestimmte} {} {}
Polynom vom Grad $\leq n$, das mit $f$ an der Stelle $a$ bis zur $n$-ten Ableitung übereinstimmt.
\inputfaktbeweisnichtvorgefuehrt
{Reelle Funktion/Taylor-Formel/(n+1)-mal stetig differenzierbar/Lagrange/Fakt}
{Satz}
{}
{
\faktsituation {Es sei $I$ ein
\definitionsverweis {reelles}{}{}
\definitionsverweis {Intervall}{}{,}
\maabbdisp {f} {I} {\R
} {}
eine
\mathl{(n+1)}{-}mal
\definitionsverweis {differenzierbare}{}{}
\definitionsverweis {Funktion}{}{}
und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a
}
{ \in }{I
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ein innerer Punkt des Intervalls.}
\faktfolgerung {Dann gibt es zu jedem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x
}
{ \in }{I
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{c
}
{ \in }{I
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
mit
\mathdisp {f( x) = \sum_{ k = 0}^{ n } \frac{ f^{( k )}(a)}{ k !} (x-a)^{ k } + \frac{ f^{ (n+1) } ( c )}{ (n+1)! } (x-a)^{ n+1 }} { . }
}
\faktzusatz {Dabei kann $c$ zwischen
\mathkor {} {a} {und} {x} {}
gewählt werden.}
\faktzusatz {}
}
{
Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x
}
{ \neq }{a
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
fixiert. In Anlehnung an die zu beweisende Aussage betrachten wir zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{r
}
{ \in }{\R
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
den Ausdruck
\mavergleichskettedisphandlinks
{\vergleichskettedisphandlinks
{ g_r(u)
}
{ \defeq} { f(x) - f(u) -f'(u) \cdot (x-u) - \frac{ f^{(2)}(u) }{2!} (x-u)^2- \ldots - \frac{ f^{(n)}(u) }{n!}(x-u)^n - \frac{r}{(n+1)! } (x-u)^{n+1}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
den wir als Funktion in
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{u
}
{ \in }{I
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
auffassen. Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g_r(x)
}
{ = }{ 0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
und wir wählen $r$ so, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g_r(a)
}
{ = }{ 0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ist, was möglich ist. Die Funktion
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g(u)
}
{ \defeq} {g_r(u)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
ist auf dem Teilintervall
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {]a,x[}
}
{ \subseteq }{I
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
\zusatzklammer {bzw. \mathlk{]x,a[}{,} falls
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{x
}
{ < }{a
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ist} {.} {}
differenzierbar
\zusatzklammer {nach $u$} {} {}
und besitzt an den beiden Intervallgrenzen den Wert $0$. Nach dem
Satz von Rolle
gibt es ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{c
}
{ \in }{ {]a,x[}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g'(c)
}
{ = }{ 0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Aufgrund der
Produktregel
und der
Kettenregel
ist
\zusatzklammer {Ableitung nach $u$} {} {}
\mavergleichskettedisphandlinks
{\vergleichskettedisphandlinks
{ { \left( \frac{f^{(k)}(u) }{k!} (x-u)^k \right) }'
}
{ =} { \frac{f^{(k+1)}(u) }{k!} (x-u)^k - \frac{f^{(k)} (u)}{(k-1)!} (x-u)^{k-1}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Daher heben sich in der Ableitung von $g$ die meisten Terme weg und es ergibt sich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g'(u)
}
{ =} { - \frac{f^{(n+1)}(u) }{n!} (x-u)^n + \frac{r }{n!} (x-u)^{n}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Aus der Gleichung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{0
}
{ =} {g'(c)
}
{ =} { - \frac{f^{(n+1)}(c) }{n!} (x-c)^n + \frac{r }{n!} (x-c)^{n}
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
folgt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ r
}
{ = }{ f^{(n+1)}(c)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Wenn wir dies und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{u
}
{ = }{a
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
in die Anfangsgleichung einsetzen und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g_r(a)
}
{ = }{ 0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ausnutzen, so ergibt sich die Behauptung.
\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Sintay.svg} }
\end{center}
\bildtext {Die reelle Sinusfunktion zusammen mit verschiedenen approximierenden Taylorpolynomen (von ungeradem Grad).} }
\bildlizenz { Sintay.svg } {} {Qualc1} {Commons} {CC-by-sa 3.0} {}
\inputfaktbeweis
{Reelle Funktion/Taylor-Formel/(n+1)-mal stetig differenzierbar/Fehlerabschätzung mit Betragsmaximum/Fakt}
{Korollar}
{}
{
\faktsituation {Es sei $I$ ein
\definitionsverweis {beschränktes}{}{}
\definitionsverweis {abgeschlossenes Intervall}{}{,}
\maabbdisp {f} {I} {\R
} {}
eine
\mathl{(n+1)}{-}mal
\definitionsverweis {stetig differenzierbare}{}{}
\definitionsverweis {Funktion}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a
}
{ \in }{ I
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ein
\definitionsverweis {innerer Punkt}{}{}
und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{B
}
{ \defeq }{ {\max { \left( \betrag { f^{(n+1)}(c) } , c \in I \right) } }
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gilt zwischen
\mathl{f(x)}{} und dem $n$-ten
\definitionsverweis {Taylor-Polynom}{}{}
die Fehlerabschätzung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \betrag { f(x) - \sum_{ k = 0}^{ n } \frac{ f^{( k )}(a)}{ k !} (x-a)^{ k } }
}
{ \leq} { \frac{B}{ (n+1)!}\betrag { x-a }^{n+1}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}
}
{
Die Zahl $B$ existiert aufgrund von
Satz 11.13,
da nach Voraussetzung die
\mathl{(n+1)}{-}te Ableitung
\mathl{f^{(n+1)}}{} stetig auf dem
\definitionsverweis {kompakten}{}{}
Intervall $I$ ist. Die Aussage folgt somit direkt aus
Satz 17.2.
\zwischenueberschrift{Kriterien für Extrema}
In der fünfzehnten Vorlesung haben wir gesehen, dass es eine notwendige Bedingung für die Existenz eines lokalen Extremums einer differenzierbaren Funktion ist, dass die Ableitung an der in Frage stehenden Stelle gleich $0$ ist. Wir formulieren nun ein wichtiges hinreichendes Kriterium, das auf die höheren Ableitungen Bezug nimmt.
\inputfaktbeweis
{Reelle Funktion/Extremum/Höhere Ableitungen/Fakt}
{Satz}
{}
{
\faktsituation {Es sei $I$ ein
\definitionsverweis {reelles Intervall}{}{,}
\maabbdisp {f} {I} {\R
} {}
eine
\mathl{(n+1)}{-}mal
\definitionsverweis {stetig differenzierbare}{}{}
\definitionsverweis {Funktion}{}{,}
und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a
}
{ \in }{I
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ein innerer Punkt des Intervalls.}
\faktvoraussetzung {Es gelte
\mathdisp {f'(a)= f^{\prime \prime}(a) = \ldots = f^{(n)}(a)=0 \text{ und } f^{(n+1)}(a) \neq 0} { . }
}
\faktuebergang {Dann gelten folgende Aussagen.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungdrei{Wenn $n$ gerade ist, so besitzt $f$ in $a$ kein
\definitionsverweis {lokales Extremum}{}{.}
}{Es sei $n$ ungerade. Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f^{(n+1)}(a)
}
{ > }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
besitzt $f$ in $a$ ein
\definitionsverweis {isoliertes lokales Minimum}{}{.}
}{Es sei $n$ ungerade. Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f^{(n+1)}(a)
}
{ < }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
besitzt $f$ in $a$ ein
\definitionsverweis {isoliertes lokales Maximum}{}{.}
}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}
}
{
\teilbeweis {}{}{}
{Unter den Voraussetzungen wird die
Taylor-Formel
zu
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f(x)-f(a)
}
{ =} { \frac{ f^{ (n +1) } ( c )}{ (n +1)! } (x-a)^{ n +1 }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
mit $c$
\zusatzklammer {abhängig von $x$} {} {}
zwischen
\mathkor {} {a} {und} {x} {.}
Je nachdem, ob
\mathkor {} {f^{(n+1)}(a)>0} {oder} {f^{(n+1)}(a) < 0} {}
ist, gilt auch
\zusatzklammer {wegen der vorausgesetzten Stetigkeit der $(n+1)$-ten Ableitung} {} {}
\mathkor {} {f^{(n+1)}(x)>0} {bzw.} {f^{(n+1)}(x) < 0} {}
für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x
}
{ \in }{[a-\epsilon,a+\epsilon]
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
für ein geeignetes
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\epsilon
}
{ > }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Für diese $x$ ist auch
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{c
}
{ \in }{ [a-\epsilon,a+\epsilon]
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{,}
so dass das Vorzeichen von
\mathl{f^{(n+1)}(c)}{} vom Vorzeichen von
\mathl{f^{(n+1)}(a)}{} abhängt.}
{}
\teilbeweis {}{}{}
{Bei $n$ gerade ist
\mathl{n+1}{} ungerade und daher wechselt
\mathl{(x-a)^{n+1}}{} das Vorzeichen bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x
}
{ = }{a
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
\zusatzklammer {bei
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{x
}
{ < }{a
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ist das Vorzeichen negativ und bei
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{x
}
{ > }{a
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ist es positiv} {} {.}
Da das Vorzeichen von
\mathl{f^{(n+1)}(c)}{} sich nicht ändert, ändert sich das Vorzeichen von
\mathl{f(x)-f(a)}{.} Das bedeutet, dass kein Extremum vorliegen kann.}
{} \teilbeweis {}{}{}
{Es sei nun $n$ ungerade. Dann ist
\mathl{n+1}{} gerade, so dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ (x-a)^{n+1}
}
{ > }{ 0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x
}
{ \neq }{a
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
in der Umgebung ist. Das bedeutet in der Umgebung bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f^{(n+1)}(a)
}
{ > }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{,}
dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f(x)
}
{ > }{ f(a)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ist und in $a$ ein
\definitionsverweis {isoliertes Minimum}{}{}
vorliegt, und bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f^{(n+1)}(a)
}
{ < }{ 0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{,}
dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f(x)
}
{ < }{ f(a)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ist und in $a$ ein
\definitionsverweis {isoliertes Maximum}{}{}
vorliegt.}
{}
Ein Spezialfall davon ist, dass bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f'(a)
}
{ = }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f^{\prime \prime}(a)
}
{ > }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ein isoliertes Minimum und bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f'(a)
}
{ = }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f^{\prime \prime}(a)
}
{ < }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ein isoliertes Maximum vorliegt.
\zwischenueberschrift{Die Taylor-Reihe}
\inputdefinition
{}
{
Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{I
}
{ \subseteq }{\R
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ein
\definitionsverweis {Intervall}{}{,}
\maabbdisp {f} {I} { \R
} {}
eine unendlich oft
\definitionsverweis {differenzierbare}{}{}
\definitionsverweis {Funktion}{}{}
und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a
}
{ \in }{I
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Dann heißt
\mathdisp {\sum_{ k = 0}^{ \infty } \frac{ f^{( k )}(a)}{ k !} (x-a)^{ k }} { }
die \definitionswort {Taylor-Reihe}{} zu $f$ im Entwicklungspunkt $a$.
}
\inputfaktbeweis
{Konvergente Potenzreihe/R/Taylor-Reihe/Übereinstimmung/Fakt}
{Satz}
{}
{
\faktsituation {Es sei
\mathl{\sum _{ n= 0}^\infty c_n x^{ n }}{} eine
\definitionsverweis {Potenzreihe}{}{,}
die auf dem
\definitionsverweis {Intervall}{}{}
\mathl{]-r, r[}{}
\definitionsverweis {konvergiere}{}{,}
und es sei
\maabbdisp {f} { ]-r,r[} {\R
} {}
die dadurch
definierte
\definitionsverweis {Funktion}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist $f$ unendlich oft
\definitionsverweis {differenzierbar}{}{}
und die
\definitionsverweis {Taylor-Reihe}{}{}
im Entwicklungspunkt $0$ stimmt mit der vorgegebenen Potenzreihe überein.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}
}
{
Die unendliche Differenzierbarkeit folgt direkt aus
Satz 16.1
durch
\definitionsverweis {Induktion}{}{.}
Daher existiert die Taylor-Reihe insbesondere im Punkt $0$. Es ist also lediglich noch zu zeigen, dass die $n$-te
\definitionsverweis {Ableitung}{}{}
von $f$ in $0$ den Wert
\mathl{c_n n!}{} besitzt. Dies folgt aber ebenfalls aus
Satz 16.1.
\inputbeispiel{}
{
Wir betrachten die Funktion
\maabbeledisp {f} {\R} {\R
} {x} {f(x)
} {,}
mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f(x)
}
{ \defeq} { \begin{cases} 0,\, \text{ falls } x \leq 0\, , \\ e^{- \frac{1}{x} },\, \text{ falls } x > 0 \, . \end{cases}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
Wir behaupten, dass diese Funktion unendlich oft
\definitionsverweis {differenzierbar}{}{}
ist, was nur im Nullpunkt nicht offensichtlich ist. Man zeigt zunächst durch Induktion, dass sämtliche Ableitungen von
\mathl{e^{- \frac{1}{x} }}{}
\zusatzklammer {und der rechtsseitige Differenzenquotient im Nullpunkt} {} {}
die Form
\mathl{p { \left( \frac{1}{x} \right) } e^{- \frac{1}{x} }}{} mit gewissen Polynomen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p
}
{ \in }{\R [Z]
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
besitzen und dass davon der
\definitionsverweis {Limes}{}{}
für
\mathl{x \rightarrow 0,\, x >0}{} stets $0$ ist
\zusatzklammer {siehe
Aufgabe 17.17
und
Aufgabe 17.18} {.} {.}
Daher ist der
\zusatzklammer {rechtsseitige} {} {}
Limes für alle Ableitungen gleich $0$ und existiert. Alle Ableitungen am Nullpunkt haben also den Wert $0$
und daher ist die
\definitionsverweis {Taylor-Reihe}{}{}
im Nullpunkt die
\definitionsverweis {Nullreihe}{}{.}
Die Funktion $f$ ist aber in keiner Umgebung des Nullpunktes die
\definitionsverweis {Nullfunktion}{}{,}
da
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ e^{- \frac{1}{x} }
}
{ > }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ist.
}
\zwischenueberschrift{Potenzreihenansatz}
Die Taylor-Reihe einer hinreichend oft differenzierbaren Funktion liefert häufig eine gute Approximation für die Funktion. Definitionsgemäß muss man zur Berechnung der Taylor-Reihe die Funktion ableiten. Für \anfuehrung{implizit}{} gegebene Funktionen kann man sie aber auch direkt bestimmen, was wir hier anhand typischer Beispiele demonstrieren \zusatzklammer {\stichwort {Potenzreihenansatz} {}} {} {.} Als Faustregel gilt dabei, dass man lediglich die $n$-ten Ableitungen der die Funktion definierenden Daten kennen muss, um das $n$-te Taylor-Polynom der Funktion zu bestimmen. Wir verzichten weitgehend auf Konvergenzüberlegungen. Wenn aber die Daten durch Potenzreihen gegeben sind, so konvergieren die im Folgenden beschriebenen Taylor-Reihen auf einem gewissen Intervall und stellen eine Funktion dar.
\inputbemerkung
{}
{
Es seien
\maabbdisp {f} {I} {J
} {}
und
\maabbdisp {g} {J} {\R
} {}
Funktionen, für die die
\definitionsverweis {Taylor-Polynome}{}{}
in den Entwicklungspunkten
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a
}
{ \in }{I
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{b
}
{ \defeq }{ f(a)
}
{ \in }{J
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
bis zum Grad $n$ bekannt seien
\zusatzklammer {insbesondere seien also diese Funktionen bis zur Ordnung $n$ differenzierbar} {} {.}
Dann ist die hintereinandergeschaltete Funktion
\maabbdisp {g \circ f} {I} {\R
} {}
bis zur Ordnung $n$ differenzierbar. Das zugehörige Taylor-Polynom lässt sich direkt berechnen: Es sei dazu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{S
}
{ = }{ \sum_{i = 0}^{ n } c_i (x-a)^{i}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
das Taylor-Polynom zu $f$ und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{T
}
{ = }{ \sum_{j = 0}^{ n } d_j (y-b)^{j}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
das Taylor-Polynom zu $g$. Dann stimmt das Taylor-Polynom von
\mathl{g \circ f}{} bis zum Grad $n$ mit dem Polynom
\mathl{T \circ S}{} bis zum Grad $n$ überein
\zusatzklammer {das Polynom
\mathl{T \circ S}{} hat im Allgemeinen einen Grad $> n$. Man denke an
\mathkor {} {f(x)=x^2} {und} {g(y)=y^2} {}
und \mathlk{n=2}{}} {} {.}
D.h. man muss in $T$ überall $y$ durch $S$ ersetzen, durch Umsortieren ein Polynom in
\mathl{x-a}{} erhalten und davon die Monome vom Grad
\mathl{\geq n +1}{} weglassen
\zusatzklammer {diese Monome muss man also nicht ausrechnen} {} {.}
}
\inputbemerkung
{}
{
Es sei
\maabbdisp {f} {I} {\R
} {}
eine $n$-fach
\definitionsverweis {differenzierbare}{}{}
Funktion, für die das
\definitionsverweis {Taylor-Polynom}{}{}
im Entwicklungspunkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a
}
{ \in }{I
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
bis zum Grad $n$ bekannt sei und für die
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f(a)
}
{ \neq }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
sei. Dann ist die Funktion
\mathl{1/f}{} auf einem offenen Intervall um $a$ definiert und nach
Lemma 14.7 (4)
differenzierbar in $a$. Aufgrund von
Satz 9.13
gilt
\zusatzklammer {für
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{ \betrag { x }
}
{ < }{1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}} {} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1 }{ 1-x } }
}
{ =} { \sum^\infty_{i = 0} x^{i}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
bzw.
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1 }{ x } }
}
{ =} { \sum^\infty_{i = 0} (1-x)^{i}
}
{ =} { \sum^\infty_{i = 0} (-1)^{i} (x-1)^{i}
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
d.h. für die Funktion
\mathl{{ \frac{ 1 }{ x } }}{} ist die Taylor-Reihe im Entwicklungspunkt $1$ bekannt. Wir ersetzen $f$ durch
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{h
}
{ = }{{ \frac{ 1 }{ f(a) } } f
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{,}
so dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{h(a)
}
{ = }{1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
gilt. Dann kann man die Funktion
\mathl{1/h}{} als die Verknüpfung von $h$ mit der Funktion
\mathl{{ \frac{ 1 }{ x } }}{} schreiben. Daher erhält man wegen
Bemerkung 17.8
das Taylor-Polynom bis zum Grad $n$ von
\mathl{1/h}{,} indem man in
\mathl{\sum_{i = 0}^{ n } (-1)^{i} (x-1)^{i}}{} das Taylor-Polynom
\zusatzklammer {bis zum Grad $n$} {} {}
von $h$ im Entwicklungspunkt $a$ einsetzt und beim Grad $n$ abschneidet. Das Taylor-Polynom von $1/f$ erhält man, indem man durch
\mathl{f(a)}{} teilt.
}
\inputbeispiel{}
{
Wir möchten die Taylor-Reihe bis zum Grad $6$ von
\mathl{{ \frac{ 1 }{ \cos x } }}{} im Entwicklungspunkt $0$ gemäß
Bemerkung 17.9
bestimmen. Nach
Definition 13.12
ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \cos x
}
{ =} { \sum_{ n = 0}^\infty \frac{ (-1)^{ n } x^{2n} }{(2n)!}
}
{ =} { 1 - { \frac{ 1 }{ 2! } } x^2 + { \frac{ 1 }{ 4! } } x^4 - { \frac{ 1 }{ 6! } } x^6 \ldots
}
{ =} { 1 - { \frac{ 1 }{ 2 } } x^2 + { \frac{ 1 }{ 24 } } x^4 - { \frac{ 1 }{ 720 } } x^6 \ldots
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Zur Berechnung des Taylor-Polynoms bis zum Grad $6$ braucht man nur die angeführte Entwicklung des Kosinus bis zum Grad $6$. Das Taylorpolynom bis zum Grad $6$ von
\mathl{1/ \cos x}{} im Nullpunkt ist somit
\mavergleichskettealigndrucklinks
{\vergleichskettealigndrucklinks
{1- { \left( - { \frac{ 1 }{ 2 } } x^2 + { \frac{ 1 }{ 24 } } x^4 - { \frac{ 1 }{ 720 } } x^6 \right) }
+ { \left( - { \frac{ 1 }{ 2 } } x^2 + { \frac{ 1 }{ 24 } } x^4 - { \frac{ 1 }{ 720 } } x^6 \right) }^2
- { \left( - { \frac{ 1 }{ 2 } } x^2 + { \frac{ 1 }{ 24 } } x^4 - { \frac{ 1 }{ 720 } } x^6 \right) }^3
}
{ =} { 1 + { \frac{ 1 }{ 2 } } x^2 - { \frac{ 1 }{ 24 } } x^4 + { \frac{ 1 }{ 720 } } x^6 + { \frac{ 1 }{ 4 } } x^4 - { \frac{ 1 }{ 24 } } x^6 + \cdots + { \frac{ 1 }{ 8 } } x^6 + \ldots
}
{ =} { 1 + { \frac{ 1 }{ 2 } } x^2 + { \frac{ 5 }{ 24 } } x^4 + { \frac{ 61 }{ 720 } } x^6 + \ldots
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Dabei wurden nur die für den Grad $6$ relevanten Monome ausgerechnet. Das gesuchte Taylorpolynom ist also
\mathdisp {1 + { \frac{ 1 }{ 2 } } x^2 + { \frac{ 5 }{ 24 } } x^4 + { \frac{ 61 }{ 720 } } x^6} { . }
}
\inputbemerkung
{}
{
Es sei
\maabbdisp {f} {I} {J
} {}
\zusatzklammer {$I,J$ seien reelle Intervalle} {} {}
eine bijektive, $n$-mal
\definitionsverweis {differenzierbare}{}{}
Funktion, und in einem festen Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a
}
{ \in }{I
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
gelte
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f'(a)
}
{ \neq }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Nach
Satz 14.9
ist die Umkehrfunktion
\maabbdisp {g=f^{-1}} {J} {I
} {}
ebenfalls differenzierbar. Die Taylorreihe bis zum Grad $n$ der Umkehrfunktion $g$ kann man aus der Taylorreihe $S$ bis zum Grad $n$ von $f$ berechnen. Man macht dazu ausgehend von
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f \circ g
}
{ = }{
\operatorname{Id}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
den Ansatz
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ S \circ T
}
{ \stackrel{!}{ = }} { x
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Dabei steht rechts die Taylor-Reihe der Identität, und links muss man das zu bestimmende Polynom $T$ mit unbestimmten Koeffizienten ansetzen und in das Polynom $S$ einsetzen
\zusatzklammer {die Gleichung kann nicht als eine polynomiale Identität gelten, sondern nur, wenn man Terme vom Grad $\geq n+1$ ignoriert} {} {.}
Der Einfachheit halber sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a
}
{ = }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f(a)
}
{ = }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{S
}
{ = }{a_1 x+ a_2x^2 + \cdots + a_{ n } x^{ n }
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
\zusatzklammer {mit
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{ a_1
}
{ \neq }{ 0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}} {} {}
vorgegeben und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{T
}
{ = }{b_1 x+ b_2x^2 + \cdots + b_{ n } x^{ n }
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
gesucht. Dies führt zur Gesamtbedingung
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ x
}
{ =} {S \circ T
}
{ =} { a_1 T+ a_2T^2 + \cdots + a_{ n } T^{ n }
}
{ =} { a_1 (b_1 x + \cdots + b_{ n } x^{ n } )+ a_2 { \left( b_1 x + \cdots + b_{ n } x^{ n } \right) }^2 + \cdots + a_{ n } { \left( b_1 x + \cdots + b_{ n } x^{ n } \right) }^{ n }
}
{ } {
}
}
{}
{}{.}
Damit erhält man die Einzelbedingungen
\zusatzklammer {durch Koeffizientenvergleich zu jedem Grad $\leq n$} {} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{1
}
{ =} {a_1b_1
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{0
}
{ =} {a_1b_2 +a_2b_1^2
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{0
}
{ =} {a_1b_3 + 2a_2b_1b_2 +a_3b_1^3
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
aus denen man sukzessive die Koeffizienten
\mathl{b_1,b_2,b_3, \ldots}{} berechnen kann.
}