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테일러 정리

Q's Laboratory

1. 유한차 테일러 공식 증명

1.1. 보조함수 FF 정의

nn차 테일러 다항식을 다음과 같이 정의하자.

Pn(t)=∑k=0nf(k)(a)k!(t−a)kP_n(t) = \sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(t-a)^k

함수 f(x)f(x)와 Pn(x)P_n(x)의 오차를 다음과 같이 표현한다.

E=f(x)−Pn(x)E = f(x) - P_n(x)

다음과 같이 F(a)=F(x)=0F(a) = F(x) = 0을 만족하는 보조함수 FF를 정의한다.

F(t)=f(t)−Pn(t)−E(t−a)(n+1)(x−a)(n+1)F(t) = f(t) - P_n(t) - E \frac{(t-a)^{(n+1)}}{(x-a)^{(n+1)}}

위 보조함수는 aa에서 모든 도함수값이 0이다. 그 이유는,

Pn(t)=f(a)+f′(a)(t−a)+f′′(a)2!(t−a)2+⋯+f(n)n!(t−a)nP_n(t) = f(a) + f'(a)(t-a) + \frac {f''(a)}{2!}(t-a)^2 + \cdots + \frac {f{(n)}}{n!}(t-a)^n

로 표현할 수 있기 때문에 n차 미분하면 f(n)(a)f^{(n)}(a)값을 제외하고 모든 항이 0이 되고,

E(t−a)n+1(x−a)n+1E\frac {(t-a)^{n+1}}{(x-a)^{n+1}}

은 j≤nj \leq n번 미분하고 t=at=a에서 0이 되기 때문이다.


1.2. 잔차항 중간점

F(a)=0F(a) = 0, F(x)=0F(x) = 0이므로 롤의 정리에 의해 ∃c1∈H(a,x), F′(c1)=0\exist c_1 \in \mathcal H (a, x), \ F'(c_1) = 0인 c1c_1이 존재한다. 그런데, F′(a)=0F'(a) = 0이므로 ∃c2∈H(a,c1), F′′(c2)=0\exist c_2 \in \mathcal H (a, c_1), \ F''(c_2)=0인 c2c_2가 존재한다. 이 과정을 nn차까지 반복하면 ∃ξn∈H(a,x), F(n+1)(ξn)=0\exist \xi_n \in \mathcal H (a, x), \ F^{(n+1)}(\xi_n) = 0을 만족하는 ξn\xi_n이 존재한다는 것을 알 수 있다.


1.3. FF를 n+1n+1번 미분

F(t)F(t)를 n+1n+1번 미분했을 때에 각 항은 다음과 같다.

f(t)f(t)는 n+1n+1계 도함수가 된다.

Pn(t)P_n(t)는 tt에 대한 nn차 다항식이므로 0이 된다.

dn+1dtn+1(t−a)n+1=(n+1)!\frac {d^{n+1}}{dt^{n+1}}(t-a)^{n+1} = (n+1)!이므로 최종적으로는 다음과 같이 정리할 수 있다.

F(n+1)(t)=f(n+1)(t)−E(n+1)!(x−a)n+1F^{(n+1)}(t) = f^{(n+1)}(t) - E\frac{(n+1)!}{(x-a)^{n+1}}

그런데 ξn∈H(a,x)\xi_n \in \mathcal H(a,x)에 대해 F(n+1)(ξn)=0F^{(n+1)}(\xi_n) = 0이므로

F(n+1)(ξn)=f(n+1)(ξn)−E(n+1)!(x−a)n+1=0⇒E=f(n+1)(ξn)(n+1)!(x−a)n+1=f(x)−Pn(x)f(x)=Pn(x)+f(n+1)(ξn)(n+1)!(x−a)n+1⇒f(x)=∑k=0nf(k)(a)k!(t−a)k+f(n+1)(ξn)(n+1)!(x−a)n+1유한차 테일러 공식\begin{gathered} F^{(n+1)}(\xi_n) = f^{(n+1)}(\xi_n) - E\frac{(n+1)!}{(x-a)^{n+1}} = 0 \\ \\ \Rightarrow E = \frac{f^{(n+1)}(\xi_n)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1} = f(x) - P_n(x) \\ \\ f(x) = P_n(x) + \frac{f^{(n+1)}(\xi_n)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}\\ \\ \Rightarrow \underset{\text{유한차 테일러 공식}}{\boxed{f(x) = \sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(t-a)^k + \frac{f^{(n+1)}(\xi_n)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}}} \end{gathered}

2. 충분성 증명

Rn(x)=f(n+1)(ξn)(n+1)!(x−a)n+1R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(\xi_n)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}

라고 표기하고,

lim⁡n→∞f(n+1)(ξn)(n+1)!(x−a)n+1=0\lim_{n \to \infty}\frac{f^{(n+1)}(\xi_n)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1} = 0

이라고 가정하자. 유한차 테일러 공식의 극한을 구하면,

lim⁡n→∞f(x)=lim⁡n→∞∑k=0nf(k)(a)k!(x−a)k+lim⁡n→∞f(n+1)(ξn)(n+1)!(x−a)n+1=∑k=0∞f(k)(a)k!(x−a)k\begin{aligned} \lim_{n \to \infty} f(x) &= \lim_{n \to \infty} \sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k + \lim_{n \to \infty} \frac{f^{(n+1)}(\xi_n)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1} \\ &= \sum_{k=0}^\infty \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k \end{aligned}

따라서,

f(x)=∑k=0∞f(k)(a)k!(x−a)k테일러 급수f(x) = \underset{\text{테일러 급수}}{\boxed{\sum_{k=0}^\infty \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k}}

정리하면, Rn(x)→0⇒R_n(x) \to 0 \Rightarrow 테일러 급수가 실제 함수값으로 수렴한다.


3. 필요성 증명

유한차 테일러 급수를 Sn(x)S_n(x)로 표기하자.

Sn(x)=∑k=0nf(k)(a)k!(x−a)kS_n(x) = \sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k

이제,

f(x)=lim⁡n→∞Sn(x)f(x) = \lim_{n \to \infty} S_n(x)

가 성립한다고 가정하자. 유한차 테일러 공식에서 잔차항의 극한을 구하면,

Rn(x)=f(x)−Sn(x)→lim⁡n→∞Rn(x)=f(x)−lim⁡n→∞Sn(x)=f(x)−f(x)=0\begin{aligned} & R_n(x) = f(x) - S_n(x) \\ &\rightarrow \lim_{n \to \infty} R_n(x) = f(x) - \lim_{n \to \infty} S_n(x) = f(x) - f(x) = 0 \end{aligned}

정리하면, Sn(x)→f(x)⇒Rn(x)→0S_n(x) \to f(x) \Rightarrow R_n(x) \to 0이 성립한다.


충분성과 필요성의 증명을 정리하면 아래와 같은 정리가 완성된다.

lim⁡n→∞f(n+1)(ξn)(n+1)!(x−a)n+1=0⇔f(x)=∑k=0∞f(k)(a)k!(x−a)k\lim_{n \to \infty} \frac{f^{(n+1)}(\xi_n)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1} = 0 \\ \Leftrightarrow f(x) = \sum_{k=0}^\infty \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k

■\blacksquare