Taylor 級數, Taylor series.
개요
편집가 실함수 또는 복소함수이고 에서 무한 번 미분가능할 경우, 거듭제곱급수
를 의 에서의 테일러 급수(Taylor series)라고 한다. 일 경우, 매클로린 급수(Maclaurin series)라고도 부른다.
여러 함수의 테일러 급수
편집이 예들은 일 때를 다루므로 매클로린 급수의 예이기도 하다.
무한등비급수
편집일 때 수렴한다.
증명
편집활용
편집지수함수
편집전구간에서 수렴한다.
증명
편집의 도함수는 자기 자신, 즉 이다. 따라서 이 되므로, 이 성립한다.
활용
편집이 식에서 을 대입해 주면 아래와 같은 식을 얻는다.
이를 계산하면 e의 값을 구할 수 있다. n = 4까지만 계산해 주어도 가 되어 참값 와의 오차가 약 0.01밖에 나지 않는다. 컴퓨터를 이용해 죽 계산해주면 금방 어마어마한 자리수의 근삿값을 구할 수 있다.
식에 대신 를 대입해 보자.()
이므로,
이를 후술할 의 테일러 급수로 나타내면,
임을 보일 수 있다.
이항급수
편집
증명
편집활용
편집이 이항급수의 테일러 급수는 과학, 공학 분야에서 상당히 많이 쓰이는 편이다. 주로 일 때 항까지 취해 로 근사하는 경우가 많은데, 이면 부터는 값이 아주 작아지기 때문이다.
삼각함수
편집모두 전구간에서 수렴한다.
증명
편집활용
편집임을 증명해 보자.
에서 양변을 로 나누면
이 된다.
일 때 이차항부터는 모두 0이 되어,
임을 알 수 있다.
이러한 사실로부터 이면 라는 근사를 얻을 수 있다. 이 근사 역시 과학, 공학 분야에서 많이 쓰이는데, 대표적으로는 진자의 운동을 기술할 때 사용한다.
쌍곡선함수
편집
모두 전구간에서 수렴한다.
증명
편집쌍곡선함수 는 모두 아래와 같이 지수함수로 표현 가능하므로 지수함수의 테일러 전개식을 이용해 쌍곡선함수의 테일러 전개를 유도할 수 있다.
활용
편집로그함수
편집일 때 수렴한다.
증명
편집활용
편집역탄젠트함수
편집일 때 수렴한다.
증명
편집역탄젠트함수 는 다음 등식이 성립한다. 해당 등식의 증명에 대해서는 아래 문단 참고
또한 무한등비급수의 성질 에 의해 를 다음과 같이 쓸 수 있다.
양변을 t에 대하여 적분하면
따라서 역탄젠트함수의 테일러 전개는 아래와 같다.
등식 의 증명
편집치환적분을 이용하여 해당 등식이 성립함을 증명할 수 있다.
에서 를 로 치환하면 이므로 해당 정적분은 치환적분법에 의해 다음과 같이 된다.
여기서 이므로
따라서 이다.
활용
편집오차함수
편집오차함수(誤差函數, error function)의 정의는 다음과 같이 정의된다.
또한 오차함수의 테일러 전개는 아래와 같다.
증명
편집상술한 지수함수 의 테일러 전개에 대신 를 대입하면
위 식을 t에 대하여 적분하면
따라서 오차함수의 테일러 전개는 아래와 같이 된다.
활용
편집해석함수
편집모든 함수의 테일러 급수가 반드시 원본과 일치하는 것은 아니다. 예를 들어, 실수에서 정의된 함수
는 임의의 에 대해 이므로 의 매클로린 급수는 영함수가 되어 원본과 일치하지 않음을 알 수 있다.