2変数関数のテイラー(Taylor)の定理の導出

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

を 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