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応用分野: 2変数のテイラー(Taylor)の定理

2変数関数のテイラー(Taylor)の定理の導出

f ( a + h , b + k ) = f ( a , b ) + 1 1 ! ( h x + k y ) f ( a , b ) + 1 2 ! ( h x + k y ) 2 f ( a , b ) + + 1 n ! ( h x + k y ) n f ( a , b ) + R n + 1

R n + 1 = 1 ( n + 1 ) ! ( h x + k y ) n + 1 f ( a + θ h , b + θ k ) (ただし, 0 < θ < 1

■導出

f ( a + h , b + k )  は次のように表すことができる.

f ( a + h , b + k ) = f ( a , b ) + a a + h f x ( x , b ) d x + b b + k f y ( a + h , y ) d y

この式を部分積分すると   積分はこちら

= f ( a , b ) + h f x ( a , b ) + 1 2 h 2 f x x ( a , b ) + 1 6 h 3 f x x x ( a , b ) +

+ 1 ( n 1 ) ! h n 1 ( x ) n 1 f ( a , b ) + 1 n ! h n ( x ) n f ( a , b )

+ a a + h { 1 ( n + 1 ) ! ( a + h x ) n + 1 } ( x ) n + 1 f ( x , b ) d x

+ k f y ( a + h , b ) + 1 2 k 2 f y y ( a + h , b ) + 1 6 k 3 f y y y ( a + h , b )

+ + 1 ( n 1 ) ! k n 1 ( y ) n 1 f ( a + h , b ) + 1 n ! k n ( y ) n f ( a + h , b )

+ b b + k { 1 ( n + 1 ) ! ( b + k y ) n + 1 } ( y ) n + 1 f ( a + h , y ) d y

となることがわかる.

次に f y ( a + h , b ) f yy ( a + h , b ) f yyy ( a + h , b ) ,・・・, ( y ) n 1 f ( a + h , b ) ( y ) n f ( a + h , b ) について考える.

f y ( a + h , b ) は次のように書き換えることができる.

f y ( a + h , b ) = f y ( a , b ) + a a + h x f y ( x , b ) d x

同様に

f y y ( a + h , b ) = f y y ( a , b ) + a a + h x f y y ( x , b ) d x

f y y y ( a + h , b ) = f y y y ( a , b ) + a a + h x f y y y ( x , b ) d x

・・・・・・

( y ) n 1 f ( a + h , b ) = ( y ) n 1 f ( a , b ) + a a + h ( y ) n 1 f ( x , b ) d x

( y ) n f ( a + h , b ) = ( y ) n f ( a , b ) + a a + h ( y ) n f ( x , b ) d x

となる.よって

f ( a + h , b + k ) = f ( a , b ) + h f x ( a , b ) + 1 2 h 2 f x x ( a , b ) + 1 6 h 3 f x x x ( a , b )

+ + 1 ( n 1 ) ! h n 1 ( x ) n 1 f ( a , b ) 1 n ! h n ( x ) n f ( a , b ) + a a + h { 1 ( n + 1 ) ! ( a + h x ) n + 1 } ( x ) n + 1 f ( x , b ) d x

+ k f y ( a , b ) + 1 2 k 2 f y y ( a , b ) + 1 6 k 3 f y y y ( a , b ) + + 1 ( n 1 ) ! k n 1 ( y ) n 1 f ( a , b ) + 1 n ! k n ( y ) n f ( a , b )

+ k a a + h x f y ( x , b ) d x + 1 2 k 2 a a + h x f y y ( x , b ) d x + 1 6 k 3 a a + h x f y y y ( x , b ) d x

+ + 1 ( n 1 ) ! k n 1 a a + h ( y ) n 1 f ( x , b ) d x + 1 n ! k n a a + h ( y ) n f ( x , b ) d x

+ b b + k 1 n + 1 ! b + k y n + 1 ( y ) n + 1 f ( a + h , y ) d y

さらに部分積分をすると   積分はこちら

f ( a + h , b + k ) = f ( a , b ) + h f x ( a , b ) + 1 2 h 2 f x x ( a , b ) + 1 6 h 3 f x x x ( a , b )

+ + 1 ( n 1 ) ! h n 1 ( x ) n 1 f ( a , b ) + 1 n ! h n ( x ) n f ( a , b )

+ a a + h { 1 ( n + 1 ) ! ( a + h x ) n + 1 } ( x ) n + 1 f ( x , b ) d x

+ k f y ( a , b ) + 1 2 k 2 f y y ( a , b ) + 1 6 k 3 f y y y ( a , b ) + + 1 ( n 1 ) ! k n 1 ( y ) n 1 f ( a , b ) + 1 n ! k n ( y ) n f ( a , b )

+ k [ h f y x ( a , b ) + 1 2 h 2 f y x x ( a , b ) + + 1 ( n 1 ) ! h n 1 ( x ) n 1 y f ( a , b )

+ a a + h { 1 n ! ( a + h x ) n } ( x ) n y f ( x , b ) d x

+ 1 2 k 2 [ h f y y x ( a , b ) + 1 2 h 2 f y y x x ( a , b ) + + 1 ( n 2 ) ! h n 2 ( x ) n 2 ( y ) 2 f ( a , b )

+ a a + h { 1 ( n 1 ) ! ( a + h x ) n 1 } ( x ) n 1 ( y ) 2 f ( x , b ) d x

+ 1 6 k 3 [ h f y y y x ( a , b ) + 1 2 h 2 f y y y x x ( a , b ) + + 1 ( n 3 ) ! h n 3 ( x ) n 3 ( y ) 3 f ( a , b )

+ a a + h { 1 ( n 2 ) ! ( a + h x ) n 2 } ( x ) n 2 ( y ) 3 f ( x , b ) d x

+ +

+ 1 ( n 1 ) ! k n 1 [ h x ( y ) n 1 f ( a , b ) + a a + h { 1 2 ! ( a + h x ) 2 } ( x ) 2 ( y ) n 1 f ( x , b ) d x ]

+ 1 n ! k n + a a + h a + h x ( x ) ( y ) n f ( x , b ) d x

+ b b + k { 1 ( n + 1 ) ! ( b + k y ) n + 1 } ( y ) n + 1 f ( a + h , y ) d y

この式を整理すると

= f ( a , b ) + h f x ( a , b ) + k f y ( a , b ) + 1 2 h 2 f x x ( a , b ) + h k f y x ( a , b ) + 1 2 k 2 f y y ( a , b )

+ 1 6 h 3 f x x x ( a , b ) + 1 2 h 2 k f y x x ( a , b ) + 1 2 h k 2 f y y x ( a , b ) + 1 6 k 3 f y y y ( a , b ) +

+ 1 n ! h n ( x ) n f ( a , b ) + 1 ( n 1 ) ! h n 1 k ( x ) n 1 y f ( a , b ) + 1 2 ( n 2 ) ! h n 2 k 2 ( x ) n 2 ( y ) 2 f ( a , b )

+ 1 6 ( n 3 ) ! h n 3 k 3 ( x ) n 3 ( y ) 3 f ( a , b ) + + 1 ( n 1 ) ! h k n 1 x ( y ) n 1 + f ( a , b ) + 1 n ! k n ( y ) n f ( a , b )

+ a a + h { 1 ( n + 1 ) ! ( a + h x ) n + 1 } ( x ) n + 1 f ( x , b ) d x

+ k a a + h { 1 n ! ( a + h x ) n } ( x ) n y f ( x , b ) d x

+ 1 2 k 2 a a + h { 1 ( n 1 ) ! ( a + h x ) n 1 } ( x ) n 1 ( y ) 2 f ( x , b ) d x

+ 1 6 k 3 a a + h { 1 ( n 2 ) ! ( a + h x ) n 2 } ( x ) n 2 ( y ) 3 f ( x , b ) d x +

+ 1 n 1 ! k n 1 a a + h { 1 2 ! ( a + h x ) 2 } ( x ) 2 ( y ) n 1 f ( x , b ) d x

+ 1 n ! k n a a + h { ( a + h x ) 2 } x ( y ) n f ( x , b ) d x

+ b b + k 1 ( n + 1 ) ! { ( b + k y ) n + 1 } ( y ) n + 1 f ( a + h , y ) d y

= f ( a , b ) + 1 1 ! { h f x ( a , b ) + k f y ( a , b ) } + 1 2 ! { h 2 f x x ( a , b ) + 2 h k f y x ( a , b ) + k 2 f y y ( a , b ) }

+ 1 3 ! { h 3 f x x x ( a , b ) + 3 h 2 k f y x x ( a , b ) + 3 h k 2 f y y x ( a , b ) + k 3 f y y y ( a , b ) } +

+ 1 n ! { ( h x ) n f ( a , b ) + n ( h x ) n 1 k y f ( a , b ) + n ( n 1 ) 2 ! ( h x ) n 2 ( k y ) 2 f ( a , b )

+ n ( n 1 ) ( n 2 ) 3 ! ( h x ) n 3 ( k y ) 3 f ( a , b ) + + ( k y ) n f ( a , b ) }

+ 1 ( n + 1 ) ! a a + h { ( a + h x ) n + 1 } ( x ) n + 1 f ( x , b ) d x

+ n + 1 k a a + h { ( a + h x ) n } ( x ) n y f ( x , b ) d x

+ ( n + 1 ) n 2 k 2 a a + h { ( a + h x ) n 1 } ( x ) n 1 ( y ) 2 f ( x , b ) d x

+ ( n + 1 ) n ( n 1 ) 3 ! k 3 a a + h { ( a + h x ) n 2 } ( x ) n 2 ( y ) 3 f ( x , b ) d x +

+ ( n + 1 ) n ( n 1 ) 4 3 n 1 ! k n 1 a a + h { ( a + h x ) 2 } ( x ) 2 ( y ) n 1 f ( x , b ) d x

+ ( n + 1 ) n ( n 1 ) 3 2 n ! k n a a + h { a + h x } x ( y ) n f ( x , b ) d x

+ b b + k 1 ( n + 1 ) ! { ( b + k y ) n + 1 } ( y ) n + 1 f ( a + h , y ) d y

= f ( a , b ) + 1 1 ! ( h x + k y ) f ( a , b ) + 1 2 ! ( h x + k y ) 2 f ( a , b )

+ 1 3 ! ( h x + k y ) 3 f ( a , b ) + + 1 n ! ( h x + k y ) n f ( a , b )

+ 1 ( n + 1 ) ! r = 0 n n + 1 C r k r a a + h { ( a + h x ) n r + 1 } ( x ) n r + 1 ( y ) r f ( x , b ) d x

+ b b + k { ( b + k y ) n + 1 } ( y ) n + 1 f ( a + h , y ) d y

ここで

1 ( n + 1 ) ! r = 0 n n + 1 C r k r a a + h { ( a + h x ) n r + 1 } ( x ) n r + 1 ( y ) r f ( x , b ) d x

+ b b + k { ( b + k y ) n + 1 } ( y ) n + 1 f ( a + h , y ) d y

R n + 1 に置き換えると

= f ( a , b ) + 1 1 ! ( h x + k y ) f ( a , b ) + 1 2 ! ( h x + k y ) 2 f ( a , b ) + 1 3 ! ( h x + k y ) 3 f ( a , b ) + + 1 n ! ( h x + k y ) n f ( a , b ) + R n + 1

R n + 1 = 1 ( n + 1 ) ! ( h x + k y ) n + 1 f ( a + θ h , b + θ k ) (ただし, 0 < θ < 1

となる.

 

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最終更新日: 2026年4月22日

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