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Taylorreihe

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Einleitung

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Dieser Artikel behandelt unendliche Taylorreihen. Zur Darstellung von Funktionen durch eine Partialsumme dieser Reihen, das sog. Taylorpolynom, und ein Restglied siehe Taylor-Formel.

Veranschaulichung der Approximation

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Approximation des natürlichen Logarithmus
Approximation des natürlichen Logarithmus

Bilderläuterung

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Der rot markierte Graph ist der Graph vom natürlichen Logarithmus, der in 0 eine Polystelle besitzt. Die obige Abbildung beschreibt dabei die Approximation ln(x) durch Taylorpolynome mit unterschiedlichem Grad. Angegeben sind die Taylorpolynome mit Grade 1, 2, 3 bzw. 10 um die Entwicklungsstelle 1. Die Polynome konvergieren nur in dem halboffenen Intervall (0,2]. Der Konvergenzradius ist also 1.

Animation

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Eine Approximation ist ein iterativer Prozess, für dessen Veranschaulich sich Animationen eignen, wobei über den Grad N des Taylorpolynoms iteriert wird.

Animation der Approximation

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Animation der Approximation

Bemerkung zu Animation

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Die Taylorreihe ist oben für ln(x+1) mit Entwicklungsstelle 0 angeben. Dies verschiebt den Graphen des natürlichen Logarithmus um 1 nach links und führt damit zu einem einfacheren Term in der Taylorreihe, die (xxo)n durch xo=0 zu xn vereinfacht.

Taylorreihe in der Analysis

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Die Taylorreihe wird in der Analysis verwendet, um eine analytische Funktion in der Umgebung einer Stelle durch eine Potenzreihe darzustellen, die der Grenzwert der Taylor-Polynome ist. Diese Reihenentwicklung wird Taylor-Entwicklung genannt. Reihe und Entwicklung sind nach dem britischen Mathematiker Brook Taylor benannt.

Taylorreihe in der Funktionentheorie

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In der komplexen Analysis (siehe Funktionentheorie) kann man jede holomorphe Funktion lokal in Potenzreihen entwickeln. Dies ist eine Ergebnis basiert auf der Cauchy-Integralformel und der Eigenschaft holomorpher Funktionen, beliebig oft differenzierbar zu sein (siehe Holomorphiekriterien)

Definition - Taylorreihe

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Sei I ein offenes Intervall, f:I eine glatte Funktion und a ein Element von I. Dann heißt die unendliche Reihe


Tf(x;a):=n=0f(n)(a)n!(xa)n=f(a)+f(a)(xa)+f(a)2(xa)2+f(a)6(xa)3+

die Taylorreihe von f mit Entwicklungsstelle a. Hierbei bezeichnet n! die Fakultät von n und f(n) die n-te Ableitung von f, wobei man f(0):=f setzt.

Entwicklungspunkt 0 - Maxlaurin-Reihe

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Im Spezialfall a=0 wird die Taylorreihe auch Maclaurin-Reihe genannt.

Notation - Formale Potenzreihe

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Die Reihe ist hier zunächst nur „formal“ zu verstehen. Das heißt, dass die Konvergenz außerhalb des Entwicklungspunktes za der Reihe nicht vorausgesetzt ist. In der Tat gibt es Taylorreihen, die nicht überall konvergieren (für Tlog(x;1) siehe obige Abbildung).

Konvergente Taylorreihen ohne Konvergenz gegen Funktion

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Auch gibt es Taylorreihen, die zwar konvergieren, aber nicht gegen die Funktion, aus der die Taylorreihe gebildet wird – zum Beispiel Tf(x;0) für f(x)={exp(1x2)für x00für x=0.

Lineare Approximation der Funktion

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Die Summe der ersten beiden Terme der Taylorreihe

T1f(x;a):=f(a)+f(a)(xa)

nennt man auch Linearisierung von f an der Stelle a.

Taylorpolynome

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Allgemeiner nennt man die Partialsumme

TNf(x;a):=n=0Nf(n)(a)n!(xa)n,

die für festes a ein Polynom in der Variablen x darstellt, das N-te Taylorpolynom.

Taylorformel mit Restglied

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Die Taylorformel mit Restglied macht Aussagen darüber, wie dieses Polynom von der Funktion f abweicht. Aufgrund der Einfachheit der Polynomdarstellung sowie der guten Anwendbarkeit der Restgliedformeln sind Taylorpolynome ein häufig angewandtes Hilfsmittel der Analysis, der Numerik, der Physik und der Ingenieurwissenschaften.

Eigenschaften

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Die Taylorreihe Tf(x;a) zur Funktion f ist eine Potenzreihe mit den Ableitungen

(Tf)(k)(x;a)=(ddx)k1n=0ddx(f(n)(a)n!(xa)n)=(ddx)k1n=1f(n)(a)n!n(xa)n1=(ddx)k1n=0f(n+1)(a)n!(xa)n=(Tf)(k1)(x;a)

und somit folgt durch vollständige Induktion:

(Tf)(k)(x;a)=(Tf(k))(x;a)

Übereinstimmung an der Entwicklungsstelle

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Wegen

(Tf)(a;a)=n=0f(n)(a)n!(aa)n=f(0)(a)0!(aa)0=f(a)

stimmen an der Entwicklungsstelle a die Taylorreihe Tf und ihre Ableitungen mit der Funktion f und deren Ableitungen überein:

(Tf)(k)(a;a)=(Tf(k))(a;a)=f(k)(a)

Gleichheit mit der Funktion

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Im Fall einer analytischen Funktion f(x)=n=0an(xa)n stimmt die Taylorreihe mit dieser Potenzreihe überein, denn es gilt

f(k)(x)=n=kann!(nk)!(xa)nkf(k)(a)k!=ak

und somit Tf(x;a)=f(x).

Wichtige Taylorreihen

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Exponentialfunktionen und Logarithmen

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Animation zur Taylorreihenentwicklung der Exponentialfunktion an der Stelle x=0

Die natürliche Exponentialfunktion wird auf ganz durch ihre Taylorreihe mit Entwicklungsstelle 0 dargestellt:

ex=n=0xnn!=1+x+x22!+x33!+ für alle x

Beim natürlichen Logarithmus hat die Taylorreihe mit Entwicklungsstelle 1 den Konvergenzradius 1, d. h., für 0<x2 wird die Logarithmusfunktion durch ihre Taylorreihe dargestellt (vgl. Abb. oben):

ln(x)=n=1(1)n+1n(x1)n=(x1)(x1)22+(x1)33 für 0<x2

Schneller konvergiert die Reihe

ln(1+x1x)=2k=0x2k+12k+1=2x+23x3+25x5+ für 1<x<1

und daher ist sie geeigneter für praktische Anwendungen.

Wählt man x:=y1y+1 für ein y>0, so ist 1<x<1 und ln(1+x1x)=ln(y).

Trigonometrische Funktionen

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Approximation von sin(x) durch Taylorpolynome T vom Grad 1, 3, 5 und 7
Animation: Die Kosinusfunktion um die Stelle 0 entwickelt, in sukzessiver Näherung

Für die Entwicklungsstelle a=0 (Maclaurin-Reihen) gilt:

sin(x)=n=0(1)nx2n+1(2n+1)!für alle x=xx36+x5120cos(x)=n=0(1)nx2n(2n)!für alle x=1x22+x424tan(x)=n=1B2n(4)n(14n)(2n)!x2n1für |x|<π2=x+x33+2x515+sec(x)=n=0(1)nE2n(2n)!x2nfür |x|<π2=1+x22+5x424+

Hierbei ist B2n die 2n-te Bernoulli-Zahl und E2n die 2n-te Eulersche Zahl.

arcsinx=n=0(2n)!4n(n!)2(2n+1)x2n+1für |x|<1arccosx=π2arcsinxfür |x|1arctanx=n=0(1)n12n+1x2n+1für |x|1

Trigonometrische Funktionen und Exponentialfunktion

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In der Funktionentheorie wird die Exponentialfunktion exp:+ auf die komplexen Zahlen erweitert:

exp:{0}zexp(z)=ezn=0znn!

Die dargestellte Reihe ist die Taylorreihe der Exponentialfunktion in

Trigonometrische Funktionen und Exponentialfunktion

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In der Funktionentheorie kann man den Zusammenhang von der Exponentialfunktion und trigonometrischen Funktionen über die folgenden Gleichung mit t erkennen:

eit=cos(t)+isin(t)

Aufgabe - Studierende

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Erläutern Sie, warum mit t und der Gleichung

eit=cos(t)+isin(t)

die gradzahligen Exponenten in der Taylorentwicklung vom cos(t) auftreten und die ungradzahligen Exponenten in der Taylorentwicklung vom sin(t)!


Produkt von Taylorreihen

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Die Taylorreihe eines Produkts zweier reeller Funktionen f und g kann berechnet werden, wenn die Ableitungen dieser Funktionen an derselben Entwicklungsstelle a bekannt sind:

f(n)(a)=ung(n)(a)=vn

Produktregel - Anwendung auf Produkte von Taylorreihen

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Mit Hilfe der Produktregel ergibt sich dann:

(fg)(n)(a)=k=0n(nk)ukvnk

Cauchy-Produktformel für Taylorreihen (1)

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Sind die Taylorreihen der beiden Funktionen explizit gegeben:

Tf(x;a)=n=0αn(xa)nTg(x;a)=n=0βn(xa)n,

so gilt

T(fg)(x;a)=n=0γn(xa)n

Cauchy-Produktformel für Taylorreihen (2)

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Die Koeffizienten γn der Taylorreihe für das Produkt fg kann man dann wie folgt berechnen:

γn=(fg)(n)(a)n!=1n!k=0nn!k!(nk)!(k!αk)((nk)!βnk)=k=0nαkβnk.

Dies entspricht der Cauchy-Produktformel der beiden Potenzreihen.

Beispiel - Produkt von Taylorreihen

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Seien f(x)=exp(x), g(x)=1+x und a=0. Dann gilt

αn=1n!,βn={1für n{0,1}0für n>1

und wir erhalten

γ0=α0=1 für n=0,γn=αn+αn1 für n>0,

in beiden Fällen also

γn=1+nn!,

und somit

T(fg)(x;0)=n=01+nn!xn.

Diese Taylorentwicklung wäre allerdings auch direkt über die Berechnung der Ableitungen von exp(x)(1+x) möglich:

(exp(x)(1+x))(n)(x)=exp(x)(1+n+x)(exp(x)(1+x))(n)(0)=1+n

Taylorreihen nichtanalytischer Funktionen

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Dass die Taylorreihe an jeder Entwicklungsstelle a einen positiven Konvergenzradius hat und in ihrem Konvergenzbereich mit f übereinstimmt, gilt nicht für jede beliebig oft differenzierbare Funktion. Aber auch in den folgenden Fällen nichtanalytischer Funktionen wird die zugehörige Potenzreihe als Taylorreihe bezeichnet.

Konvergenzradius 0

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Die Funktion

f(x)=0et1+x2tdt

ist auf ganz beliebig oft differenzierbar, aber ihre Taylorreihe in a=0 ist

Tf(x;0)=1x2+2!x43!x6+4!x8

und somit nur für x=0 konvergent (nämlich gegen bzw. gleich 1).[1]

Eine Funktion, die in einer Entwicklungsstelle nicht in eine Taylorreihe entwickelt werden kann

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Die Taylorreihe einer Funktion konvergiert nicht immer gegen die Funktion. Im folgenden Beispiel stimmt die Taylorreihe auf keiner Umgebung um die Entwicklungsstelle a=0 mit der Ausgangsfunktion überein:

f(x)={0für x0e1/x2für x>0

Als reelle Funktion ist f beliebig oft stetig differenzierbar, wobei die Ableitungen in jedem Punkt x0 (insbesondere für x=0) ausnahmslos 0 sind. Die Taylorreihe um den Nullpunkt ist also die Nullfunktion und stimmt in keiner Umgebung der 0 mit f überein. Daher ist f nicht analytisch. Die Taylorreihe um eine Entwicklungsstelle a>0 konvergiert zwischen 0 und 2a gegen f. Auch mit einer Laurentreihe lässt sich diese Funktion nicht approximieren, weil die Laurentreihe, die die Funktion für x>0 korrekt wiedergibt, für x<0 nicht konstant 0 ergibt.

Mehrdimensionale Taylorreihe

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Sei nun im Folgenden f:d eine beliebig oft stetig differenzierbare Funktion mit Entwicklungsstelle ad.

Dann kann man zur Funktionsauswertung f(x) eine mit x und a parametrisierte Familie von Funktionen Fx;a(t): einführen, die man so definiert:

Fx;a(t)=f(a+t(xa))

Fx;a(1) ist dann, wie man durch Einsetzen von t=1 feststellt, gleich f(x).

Berechnet man nun von Fx;a die Taylorentwicklung am Entwicklungspunkt t0=0 und wertet sie bei t=1 aus, so erhält man die mehrdimensionale Taylorentwicklung von f:

Tf(x;a):=TFx;a(1;0)=n=0Fx;a(n)(0)n!

Mit der mehrdimensionalen Kettenregel und den Multiindex-Notationen für α=(α1,,αd)0d

Dα=|α|x1α1xdαd(nα)=n!i=1dαi!

erhält man ferner:

Fx;a(n)(t)=|α|=n(nα)(xa)αDαf(a+t(xa))

Mit der Schreibweise α!=i=1dαi! erhält man für die mehrdimensionale Taylorreihe bzgl. des Entwicklungspunktes a

Tf(x;a)=|α|0(xa)αα!Dαf(a)

in Übereinstimmung zum eindimensionalen Fall, falls man die Multiindex-Notation verwendet.

Ausgeschrieben sieht die mehrdimensionale Taylorreihe wie folgt aus:

Tf(x;a)= n1=0nd=0i=1d(xiai)nii=1dni!(i=1dnifx1n1xdnd)(a)== f(a)+j=1df(a)xj(xjaj)+12j=1dk=1d2f(a)xjxk(xjaj)(xkak)++16j=1dk=1dl=1d3f(a)xjxkxl(xjaj)(xkak)(xlal)+

Beispiel

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Zum Beispiel gilt nach dem Satz von Schwarz für die Taylorreihe einer Funktion g:2, die von x=(x1,x2) abhängt, an der Entwicklungsstelle a=(a1,a2):

Tg(x;a)= g(a)+gx1(a)(x1a1)+gx2(a)(x2a2) ++12[(x1a1)2gx1x1(a)+2(x1a1)(x2a2)gx1x2(a)+(x2a2)2gx2x2(a)]+

Operatorform

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Die Taylorreihe lässt sich auch in der Form e(xa)Df(a) darstellen, wobei mit D der gewöhnliche Ableitungsoperator gemeint ist. Der Operator Th mit (Thf)(x):=f(x+h) wird als Translationsoperator bezeichnet. Beschränkt man sich auf Funktionen, die global durch ihre Taylorreihe darstellbar sind, so gilt Th=ehD. In diesem Fall gilt also

f(x+h)=ehDf(x)=k=0hkk!Dkf(x).

Für Funktionen von mehreren Variablen lässt sich hD durch die Richtungsableitung Dh=h, austauschen. Es ergibt sich

f(x+h)=eh,f(x)=k=0h,kk!f(x)=|α|0hαα!Dαf(x).

Man gelangt von links nach rechts, indem man zunächst die Exponentialreihe einsetzt, dann den Gradienten in kartesischen Koordinaten sowie das Standardskalarprodukt und schließlich das Multinomialtheorem verwendet.

Für die Taylorreihe lässt sich auch ein diskretes Analogon finden. Man definiert dazu den Differenzenoperator Δa durch (Δaf)(x):=f(x+a)f(x). Offensichtlich gilt nun Ta=I+Δa, wobei mit I der Identitätsoperator gemeint ist. Potenziert man nun auf beiden Seiten mit h und verwendet die binomische Reihe, so ergibt sich

Tah=(I+Δa)h=k=0(hk)Δak.

Man gelangt zur Formel

f(x+ah)=k=0(hk)Δakf(x)=k=0hk_k!Δakf(x),

wobei mit hk_ die absteigende Faktorielle gemeint ist. Diese Formel ist als newtonsche Formel zur Polynominterpolation bei äquidistanten Stützstellen bekannt. Sie stimmt für alle Polynomfunktionen, braucht aber für andere Funktionen nicht unbedingt korrekt zu sein.

Siehe auch

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Wikibooks  Wikibooks: Taylorreihe mit Konvergenzradius Null – Lern- und Lehrmaterialien

Einzelnachweise

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  1. Taylor-Reihe mit Konvergenzradius Null (Wikibooks).


Seiteninformation

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