Taylorpolynom und Taylorformel

Taylorpolynom und Taylorformel

#Definition Taylorpolynom

Sei f:D→R n-mal differenzierbar und sei x0∈D. Dann heißt

Tn(x)=∑k=0nf(k)(x0)k!(x−x0)k

das n-te Taylorpolynom von f im Entwicklungspunkt x0.

Rn(x)=f(x)−Tn(x) heißt Restglied oder Fehler bei der Approximation von f durch Tn.

#Satz Taylorformel

Sei f:I→R n-mal differenzierbar im Intervall I und sei x0∈I. Dann gilt

f(x)=Tn(x)+Rn(x)=∑k=0nf(k)(x0)k!(x−x0)k+Rn(x),

mit

limx→x0Rn(x)(x−x0)n=0.

Ist f sogar (n+1)-mal differenzierbar, so kann man das Restglied auch schreiben als

Rn(x)=f(n+1)(ξ)(n+1)!(x−x0)n+1

mit einem ξ zwischen x und x0. Das Restglied in dieser Darstellung nennt man auch das Lagrange-Restglied.

Kriterium für lokale Extrema

Bereits bekannt:

  1. Ist f:[a,b]→R stetig, so besitzt f ein globales Minimum und ein globales Maximum (VL 20, Satz vom Minimum und Maximum, Folie 9).
  2. Ist f auch differenzierbar, so sind die einzigen Kandidaten für Extremstellen die Randpunkte a und b und die Punkte x mit f′(x)=0 (VL 23, Notwendiges Extremwertkriterium, Folie 5).
  3. Wenn die Ableitung ihr Vorzeichen an einem kritischen Punkt wechselt, so liegt dort ein Extremum vor (VL 23, Extremwert-Test, Folie 12).

#Satz Kriterium für (lokale) Extremstellen mit der 2. Ableitung

Sei f auf [a,b] differenzierbar und x0∈]a,b[ mit f′(x0)=0.
(1) Wenn f″(x0)>0, dann hat f in x0 ein lokales Minimum.
(2) Wenn f″(x0)<0, dann hat f in x0 ein lokales Maximum.

#Satz Lokale Extremwerte

Sei f:I→R eine n-mal differenzierbare Funktion und sei x0 ein innerer Punkt von I. Es gelte

f′(x0)=f″(x0)=⋯=f(n−1)(x0)=0undf(n)(x0)≠0.

Dann gilt:
4) Ist n ungerade, so hat f in x0 kein lokales Extremum.
5) Ist n gerade, so hat f ein lokales Extremum:

  • Ist f(n)(x0)<0, so hat f ein lokales Maximum.
  • Ist f(n)(x0)>0, so hat f ein lokales Minimum.
Bemerkung

(1) Für n=1 sagt Satz (Lokale Extremwerte) noch einmal, dass innere Punkte mit f′(x0)≠0 nicht als Extremstellen in Frage kommen.
(2) Für n=2 ist das Satz (Kriterium für Extr. 2. Abl.)

Anwendung der Taylor-Approximation

Eine (komplizierte) Funktion f(x) wird in der Nähe eines Punktes x0 durch ein (einfaches) Taylorpolynom Tn(x) angenähert. Der Fehler Rn(x)=f(x)−Tn(x) wird dabei klein.

Qualitative Fehlerfortpflanzung: ∆f≈|f′(x)|·∆x

Ableitungen können durch Differenzenquotienten genähert werden. Z.B. f′(x)≈f(x+h)−f(x)h oder f″(x)≈f(x+h)−2f(x)+f(x−h)h2.

Die Taylorreihen für die wichtigsten Funktionen um x0=0: