← Articles List
Mathematics
อนุกรมเทย์เลอร์มาจากไหน? เฉลยกลไกการประมาณฟังก์ชันสุดมหัศจรรย์
ก่อนที่จะเริ่ม
อนุกรมเทย์เลอร์ (Taylor series)
f(x)
ซึ่งเป็นฟังก์ชันที่ซับซ้อน หรือคำนวณค่าที่เป็นเลขสวย ๆ ได้ยาก เช่น sin(x)
cos(x)
หรือ e^x
เราสามารถเขียนในรูปแบบอนุกรมเทย์เลอร์ได้ดังนี้$$f(x)=f(a)+\frac{f'(a)}{1!}(x-a)+\frac{f''(a)}{2!}(x-a)^2+\frac{f^{(3)}(a)}{1!}(x-a)^3+\cdots
\\~\\
=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n$$
a
คือบริเวณจุดที่เราสนใจ และจำนวนพจน์จะมีกี่จำนวนก็ได้ขึ้นอยู่กับความแม่นยำที่เราต้องการ กล่าวคือหากเลือกค่า a
เป็นตัวใดก็ตามและยิ่งกระจายหลายพจน์ จะยิ่งทำให้ f(x)
เมื่อ x
มีค่าใกล้ a
ประมาณค่าได้แม่นยำมากขึ้นตัวอย่างการใช้งาน
f(x) = sin(x)
เรารู้ว่าฟังก์ชันนี้สามารถรู้ค่าได้เลยหาก x เป็นค่าที่เราคุ้นเคยเป็นอย่างดี เช่น f(π) = 0
f(π/4) = sqrt(2)/2
หรือ f(π/6) = 1/2
เป็นต้น แล้วถ้าเราอยากรู้ค่าของ f(0.5)
ล่ะ?4
พจน์แรกเข้ามาช่วยประมาณค่า0.5
ในตัวอย่างนี้จะขอเลือก a = 0
เนื่องจากง่ายต่อการคำนวณมากกว่า ดังนั้นจะสามารถเขียนเป็นรูปอนุกรมได้ดังนี้$$f(x)=\sum_{n=0}^{3}\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n \\~\\
\downarrow \\~\\
f(x)=f(0)+\frac{f'(0)}{1!}x+\frac{f''(0)}{2!}x^2+\frac{f^{(3)}(0)}{3!}x^3$$
f(0)
ตั้งแต่ลำดับ 1 ถึง 3 (ถ้าจำวิธีไม่ได้ก็เปิดสูตรอนุพันธ์ซะ)$$f(0)= \sin0=0 \\
f'(0)=\cos0=1 \\
f''(0)=-\sin0=0\\
f^{(3)}(0)=-\cos0=-1 \\$$
$$f(x)=0+\frac{1}{1!}x+\frac{0}{2!}x^2+\frac{-1}{3!}x^3$$
$$f(x)=x-\frac{1}{3!}x^3$$
0.5
เราจะได้ว่า$$f(0.5)=f\bigg(\frac{1}{2}\bigg)=\frac{1}{2}-\frac{1}{3!}\cdot\bigg(\frac{1}{2}\bigg)^3 \\~\\
=\frac{1}{2}-\frac{1}{6}\cdot\frac{1}{8} \\~\\
=\frac{1}{2}-\frac{1}{48} \\~\\
=\frac{23}{48}\approx0.479167$$
f(x) = sin(x)
(เส้นสีดำ) และ p(x) = x - 1/3! * x^3
(เส้นสีเหลือง)x = 0
(รอบจุด a = 0
)หลักการที่แท้จริงของอนุกรมเทย์เลอร์
ทุกฟังก์ชัน f(x)
ต่อเนื่องใด ๆ ซึ่งx
เป็นจำนวนจริงที่อยู่ในช่วงปิด[a, b]
ไม่ว่าฟังก์ชันจะซับซ้อนแค่ไหน เราสามารถหาพหุนามp(x)
ที่ทำให้|f(x)-p(x)| < ε
ได้เสมอ
a+bx+cx^2+...
) ในการประมาณค่าของฟังก์ชันในช่วงที่กำหนดได้ และสามารถทำให้มีค่าคลาดเคลื่อน (ε
) ต่ำเท่าที่ต้องการได้p(x)
ที่พยายามเลียนแบบฟังก์ชัน f(x)
ให้เท่ากันที่จุด x = a รวมถึงอนุพันธ์ทุกลำดับด้วยสมมุติว่าเราจะสร้างพหุนาม
p(x)
ดีกรี 4 เพื่อเลียนแบบฟังก์ชัน f(x) = e^x
ที่จุด x = a
โดยกำหนดให้ a = 0
f(x) = e^x
$$p(x)=c_0+c_1x+c_2x^2+c_3x^3+c_4x^4$$
c0 ถึง c4
ที่ทำให้ p(0)
มีค่าเท่ากับ f(0)
$$p(0)=f(0) \\~\\
c_0+c_1(0)+c_2(0)^2+c_3(0)^3+c_4(0)^4 = e^0 \\~\\
c_0 = 1 \\~\\
\downarrow \\~\\
p(x)=1$$
f(x) = e^x
(เส้นสีดำ) และ p(x) = 1
(เส้นสีเหลือง)c0
มาเนื่องจาก x = 0
ทำให้ c1
ถึง c4
หายไปหมด จึงเหลือ c0
ซึ่งเป็นค่าคงที่p(x)
ยังมีความแม่นยำเพียงจุดเดียว ดังนั้นเราจะหาค่าสัมประสิทธิ์ตัวต่อไปกันp(0)
ต้องเท่ากับ f(0)
แล้ว อัตราการเปลี่ยนแปลงหรืออนุพันธ์ของทั้งสองฟังก์ชัน ที่ a = 0
ก็ควรจะเท่ากันด้วย ดังนั้นเราจะหาอนุพันธ์ทั้งสองข้างแล้วมาลองแก้สมการดูกัน$$p'(x)=c_1+2\cdot c_2x+3\cdot c_3x^2+4\cdot c_4x^3 \\~\\
f'(x)=e^x \\~\\
p'(0)=f'(0) \\~\\
c_1+2\cdot c_2(0)+3\cdot c_3(0)^2+4\cdot c_4(0)^3 = e^0 \\~\\
c_1 = 1 \\~\\
\downarrow \\~\\
p(x)=1+x$$
f(x) = e^x
(เส้นสีดำ) และ p(x) = 1 + x
(เส้นสีเหลือง)c1
ไปแทนที่ในพหุนามได้แล้ว จะทำให้อนุพันธ์ของ p(0)
มีค่าเท่ากับอนุพันธ์ของ f(0)
ยิ่งทำให้อนุพันธ์ลำดับสูง ๆ ของสองฟังก์ชันนี้เท่ากัน พหุนาม p(x)
จะยิ่งมีหน้าตาใกล้เคียงกับ f(x)
มากขึ้น ในการหาค่าสัมประสิทธิ์ต่อไปก็จะใช้วิธีเดียวกันแบบนี้ไปเรื่อย ๆ$$p''(x)=2\cdot c_2+3\cdot2\cdot c_3x+4\cdot3\cdot c_4x^2 \\~\\
f''(x)=e^x \\~\\
p''(0)=f''(0) \\~\\
2\cdot c_2+3\cdot2\cdot c_3(0)+4\cdot3\cdot c_4(0)^2 = e^0 \\~\\
2\cdot c_2 = 1 \\~\\
c_2 = \frac{1}{2} \\~\\
\downarrow \\~\\
p(x)=1+x+\frac{1}{2}x^2$$
f(x) = e^x
(เส้นสีดำ) และ p(x) = 1 + x + (1/2) * x^2
(เส้นสีเหลือง)c3
ด้วยอนุพันธ์ลำดับที่ 3$$p^{(3)}(x)=3\cdot2\cdot c_3+4\cdot3\cdot2\cdot c_4x \\~\\
f^{(3)}(x)=e^x \\~\\
p^{(3)}(0)=f^{(3)}(0) \\~\\
3\cdot2\cdot c_3+4\cdot3\cdot2\cdot c_4(0) = e^0 \\~\\
6\cdot c_3 = 1 \\~\\
c_3 = \frac{1}{6} \\~\\
\downarrow \\~\\
p(x)=1+x+\frac{1}{2}x^2+\frac{1}{6}x^3$$
f(x) = e^x
(เส้นสีดำ) และ p(x) = 1 + x + (1/2) * x^2 + (1/6) * x^3
(เส้นสีเหลือง)c4
ด้วยอนุพันธ์ลำดับที่ 4$$p^{(4)}(x)=4\cdot3\cdot2\cdot c_4 \\~\\
f^{(4)}(x)=e^x \\~\\
p^{(4)}(0)=f^{(4)}(0) \\~\\
4\cdot3\cdot2\cdot c_4= e^0 \\~\\
24\cdot c_4 = 1 \\~\\
c_4 = \frac{1}{24} \\~\\
\downarrow \\~\\
p(x)=1+x+\frac{1}{2}x^2+\frac{1}{6}x^3+\frac{1}{24}x^4$$
f(x) = e^x
(เส้นสีดำ) และ p(x) = 1 + x + (1/2) * x^2 + (1/6) * x^3 + (1/24) * x^4
(เส้นสีเหลือง)f(x) = e^x
ได้แม่นยำระดับนึงแล้วx = 0
3
จะเป็นดังนี้$$p(x)=c_0+c_1+c_2x^2+c_3x^3+c_4x^4+c_5x^5+\cdots+c_nx^n \\~\\
p^{(3)}(x)=3\cdot2\cdot c_3+4\cdot3\cdot2\cdot c_4x+5\cdot4\cdot3\cdot c_4x^2+\cdots \\~\\
p^{(3)}(0)=3\cdot2\cdot c_3+\cancel{4\cdot3\cdot2\cdot c_4(0)}+\cancel{5\cdot4\cdot3\cdot c_4(0)^2}+\cancel{\cdots} \\~\\
p^{(3)}(0)=3\cdot2\cdot c_3$$
$$p^{(3)}(0)=3\cdot2\cdot c_3 \\~\\
p^{(3)}(0)=3!\cdot c_3 \\~\\
p^{(n)}(0)=n!\cdot c_n$$
p(0) = f(0)
สำหรับอนุพันธ์ทุกลำดับ$$p^{(n)}(0)=n!\cdot c_n=f^{(n)}(0) \\~\\
n!\cdot c_n=f^{(n)}(0) \\~\\
c_n=\frac{f^{(n)}(0)}{n!}$$
c_n
สำหรับทุกพจน์ในพหุนามแล้วดังนั้นก็สามารถแทนค่าลงในรูปทั่วไปของพนุนามได้ดังนี้
$$p(x)=c_0+c_1+c_2x^2+c_3x^3+c_4x^4+c_5x^5+\cdots+c_nx^n \\~\\
p(x)=\frac{f(0)}{0!}+\frac{f'(0)}{1!}+\frac{f''(0)}{2!}x^2+\frac{f^{(3)}(0)}{3!}x^3+\cdots+\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n \\~\\
p(x)=\sum_{n=0}^\infty \frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n$$
a = 0
เรียกว่า อนุกรมแมคลอรีน เป็นการประยุกต์มาจากสูตรทั่วไปของอนุกรมเทย์เลอร์อีกทีถ้าหากเราสนใจรอบจุด
a
ก็เพียงพิจารณาฟังก์ชันในจุด a
และสร้างพหุนามโดยที่ให้ x - a
ก็จะกลายเป็นสูตรอนุกรมเทย์เลอร์ทั่วไปที่เรารู้จักกันนั่นเอง$$p(x)=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n$$
สรุป
a
โดยพยายามทำให้ความโค้งหรืออัตราการเปลี่ยนแปลงใกล้เคียงกับฟังก์ชันจริงมากที่สุด และเมื่อฟังก์ชันมีวิธีคำนวณที่ซับซ้อน การประมาณค่าในรูปแบบพหุนามที่เราสร้างนั้นอาจจะง่ายกว่า อนุกรมเทย์เลอร์ยังสามารถนำไปประยุกต์ได้หลายสาขา เช่น ฟิสิกส์ วิศวกรรม รวมไปถึง AI อีกด้วยAuthored by Shiroronekonene