2変数関数のテイラー(Taylor)の定理の証明

2変数関数のテイラー(Taylor)の定理の証明

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+θh,b+θk )   (ただし, 0 < θ < 1 )

■導出

z=f( x,y )  , x=a+ht , y=b+kt   ( a , b , h , k は定数)

のとき, z( t )=f( a+ht,b+kt ) とおく.

z( t )  を合成関数の微分法を用いて微分する.

dz dt = ∂z ∂x dx dt + ∂z ∂y dy dt  ・・・・・・(1)

dx dt = d dt ( a+ht )=h  , dy dt = d dt ( b+kt )=k ・・・・・・(2)

(2)を(1)に代入すると,

dz dt = ∂z ∂x h+ ∂z ∂y k=( h ∂ ∂x +k ∂ ∂y )z

d 2 z d t 2 = d d t ( d z d t )

= d dt { ( h ∂ ∂x +k ∂ ∂y )z }

= d dt ( h ∂z ∂x +k ∂z ∂y )

= d dt ( h ∂z ∂x )+ d dt ( k ∂z ∂y )

=h d dt ( ∂z ∂x )+k d dt ( ∂z ∂y )

合成関数の微分法より

d 2 z d t 2 =h{ ∂ ∂x ( ∂z ∂x ) dx dt + ∂ ∂y ( ∂z ∂x ) dy dt } +k{ ∂ ∂x ( ∂z ∂y ) dx dt + ∂ ∂y ( ∂z ∂y ) dy dt }

(2)を代入して整理すると

d 2 z d t 2 ={ h( ∂ 2 z ∂ x 2 )h +( ∂ 2 z ∂y∂x )k } +k{ ( ∂ 2 z ∂x∂y )h +( ∂ 2 z ∂ y 2 )k }

偏微分は順序交換が可能であるので

d 2 z d t 2 = h 2 ( ∂ 2 z ∂ x 2 )+2hk( ∂ 2 z ∂y∂x ) + k 2 ( ∂ 2 z ∂ y 2 )

よって

d 2 z d t 2 = ( h ∂ ∂x +k ∂ ∂y ) 2 z

以上より t での微分を n 回繰り返すと,

d n z d t n = ( h ∂ ∂x +k ∂ ∂y ) n z

と推測できる.

ここで1変数関数 z( t ) にマクローリンの定理を適用すると,

z( t )=z( 0 )+ 1 1! z ′ ( 0 )t+ 1 2! z ″ ( 0 ) t 2 +⋯ + 1 n! z ( n ) ( 0 ) t n + R n+1  ・・・・・・(3)

R n+1 = 1 ( n+1 )! z ( n+1 ) ( θ ) t n+1   ( 0<θ<1 )

t=1  とおくと,

z( 1 )=z( 0 )+ 1 1! z ′ ( 0 )+ 1 2! z ″ ( 0 )+⋯ + 1 n! z ( n ) ( 0 )+ R n+1

R n+1 = 1 ( n+1 )! z ( n+1 ) ( θ )   ( 0<θ<1 )

z( t )=f( a+ht,b+kt )  なので

z( 0 )=f( a,b )

z ′ ( 0 )= dz( 0 ) dt =( h ∂ ∂x +k ∂ ∂y )z( 0 ) =( h ∂ ∂x +k ∂ ∂y )f(a,b)

z ″ ( 0 )= d 2 z( 0 ) d t 2 =( h ∂ ∂x +k ∂ ∂y ) 2 z( 0 ) =( h ∂ ∂x +k ∂ ∂y ) 2 f(a,b)

z ( n ) ( 0 )= d n z( 0 ) d t n = ( h ∂ ∂x +k ∂ ∂y ) n z( 0 ) =( h ∂ ∂x + k ∂ ∂y ) n f( a,b )

また

z ( n+1 ) ( t )= d n+1 z( t ) d t n+1 = ( h ∂ ∂x +k ∂ ∂y ) n+1 z( t ) =( h ∂ ∂x +k ∂ ∂y ) n+1 f( a+ht,b+kt )

なので

z ( n+1 ) ( θ )= d n+1 z( θ ) d t n+1 = ( h ∂ ∂x +k ∂ ∂y ) n+1 z( θ ) =( h ∂ ∂x +k ∂ ∂y ) n+1 f( a+hθ,b+kθ )

となる.以上を(3)に代入すると

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+θh,b+θk )   (ただし, 0 < θ < 1 )

となる.


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最終更新日: 2023年10月16日