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Sätze zu Reihen und mehreren Variablen

Satz von Taylor: Restglied und Fehlerabschätzung mit Beispielen

Satz von Taylor mit Lagrange-Restglied: wie nah ein Taylorpolynom an f(x) liegt. Aussage, Fehlerabschätzung, Graph und Beispiele mit e und sin x.

Sätze zu Reihen und mehreren Variablen Aktualisiert 4 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

f(x) = P_n(x) + \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1}
Voraussetzungen
f ist auf einem offenen Intervall I, das a enthält, n + 1-mal differenzierbar, und x liegt in I
Taylorpolynom
P_n(x) = \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x - a)^k
Restglied (Lagrange-Form)
R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1} für ein c zwischen a und x
Fehlerabschätzung
|R_n(x)| \le \frac{M}{(n+1)!}|x - a|^{n+1} mit |f^{(n+1)}| \le M
Fall n = 0
Der Mittelwertsatz
Kurs
Analysis 2
Auf dieser Seite
  1. Aussage des Satzes von Taylor
  2. Die Taylor-Ungleichung (die Fehlerabschätzung)
  3. Was der Satz von Taylor bedeutet
  4. Warum die Voraussetzungen wichtig sind
  5. Rechenbeispiele
  6. Häufige Fehler
  7. Verwandte Sätze und Leitfäden

Der Satz von Taylor besagt, dass eine glatte Funktion gleich ihrem Taylorpolynom plus einem Fehlerterm ist, und er gibt diesem Fehlerterm eine exakte Form. Damit wird aus "das Taylorpolynom ist eine gute Näherung" eine garantierte Anzahl korrekter Nachkommastellen.

Aussage des Satzes von Taylor

Die Funktion f besitze Ableitungen bis zur Ordnung n + 1 auf einem offenen Intervall I, das a enthält. Sei

P_n(x) = f(a) + f'(a)(x - a) + \frac{f''(a)}{2!}(x - a)^2 + \cdots + \frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x - a)^n

das Taylorpolynom vom Grad n von f an der Stelle a. Dann gibt es für jedes x in I eine Zahl c zwischen a und x mit

f(x) = P_n(x) + R_n(x), \qquad R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1}

Das ist die Lagrange-Form des Restglieds. Für a = 0 heißt das Polynom Maclaurin-Polynom.

Die Taylor-Ungleichung (die Fehlerabschätzung)

Die Stelle c kennst du fast nie, also schätzt du stattdessen die Ableitung ab. Gilt |f^{(n+1)}(t)| \le M für jedes t zwischen a und x, dann ist

|f(x) - P_n(x)| = |R_n(x)| \le \frac{M}{(n+1)!}|x - a|^{n+1}

Die Schranke wird schnell klein, weil (n+1)! schneller wächst als jede Potenz.

Was der Satz von Taylor bedeutet

Das Restglied sieht genau aus wie der nächste Term der Taylorreihe, nur dass die Ableitung an einer Stelle c statt an a ausgewertet wird. Für n = 0 lautet die Aussage f(x) = f(a) + f'(c)(x - a), und das ist der Mittelwertsatz. Der Satz von Taylor ist seine Version höherer Ordnung.

Satz von Taylor: Taylorpolynome von sin(x) bei 0 schmiegen sich nahe 0 an die Kurve
Die Maclaurin-Polynome vom Grad 1, 3 und 5 von \sin x. Nahe x = 0 ist der Fehler winzig; er wächst mit |x| und schrumpft, wenn der Grad steigt.

Warum die Voraussetzungen wichtig sind

Genügend Ableitungen. Die Restgliedformel verwendet f^{(n+1)}. Für f(x) = |x| bei a = 0 existiert f'(0) nicht, also gibt es nicht einmal ein Taylorpolynom vom Grad 1.

Ein Restglied, das nicht schrumpft. Der Satz von Taylor gilt immer, wenn seine Voraussetzungen erfüllt sind, aber er verspricht nicht, dass der Fehler gegen 0 geht. Die Funktion f(x) = e^{-1/x^2} (mit f(0) = 0) hat bei x = 0 lauter Ableitungen gleich 0, also ist jedes Taylorpolynom bei 0 das Nullpolynom. Das Restglied R_n(x) = f(x) schrumpft nie, und die Taylorreihe konvergiert gegen 0, nicht gegen f. Eine Funktion ist nur dann gleich ihrer Taylorreihe, wenn R_n(x) \to 0.

Rechenbeispiele

Beispiel 1: Nähere e mit P_4 an und schätze den Fehler ab.

Schritt 1. Für f(x) = e^x bei a = 0 ist jede Ableitung e^x und hat an der Stelle 0 den Wert 1. Also

P_4(1) = 1 + 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{6} + \frac{1}{24} = \frac{65}{24} \approx 2.70833

Schritt 2. Auf [0, 1] gilt f^{(5)}(t) = e^t \le e < 3, also nimm M = 3.

Schritt 3. |R_4(1)| \le \frac{3}{5!}\cdot 1^5 = \frac{3}{120} = 0.025.

Der tatsächliche Fehler ist e - 2.70833 \approx 0.00995, also bequem innerhalb der Schranke.

Beispiel 2: \sin(0.1) mit hoher Genauigkeit.

Das Maclaurin-Polynom P_3(x) = x - \frac{x^3}{6} liefert \sin(0.1) \approx 0.1 - \frac{0.001}{6} \approx 0.0998333. Da der Koeffizient von x^4 beim Sinus 0 ist, gilt P_4 = P_3, und wir dürfen R_4 verwenden. Jede Ableitung von \sin ist durch M = 1 beschränkt:

|R_4(0.1)| \le \frac{1}{5!}(0.1)^5 = \frac{0.00001}{120} \approx 8.3 \times 10^{-8}

Also ist 0.0998333 auf mindestens sechs Nachkommastellen genau.

Beispiel 3: Wie viele Terme braucht man für e^{0.5} mit Genauigkeit 0.001?

Auf [0, 0.5] gilt e^t \le e^{0.5} < 2, also |R_n(0.5)| \le \frac{2\,(0.5)^{n+1}}{(n+1)!}.

n Schranke \frac{2\,(0.5)^{n+1}}{(n+1)!}
2 \frac{2(0.125)}{6} \approx 0.042
3 \frac{2(0.0625)}{24} \approx 0.0052
4 \frac{2(0.03125)}{120} \approx 0.00052

Die Schranke fällt erstmals bei n = 4 unter 0.001, also ist P_4(0.5) genau genug.

Häufige Fehler

  1. (n)! statt (n+1)! verwenden. Das Restglied nach einem Polynom vom Grad n verwendet die (n+1)-te Ableitung und (n+1)!.
  2. Die Ableitung nur an der Stelle a abschätzen. M muss |f^{(n+1)}| auf dem ganzen Intervall zwischen a und x beschränken.
  3. Annehmen, die Taylorreihe sei immer gleich f. Das gilt nur, wenn das Restglied gegen 0 strebt.

Verwandte Sätze und Leitfäden

Der Satz von Taylor verallgemeinert den Mittelwertsatz. Wie man die Polynome und Reihen selbst aufstellt, findest du unter Taylorreihen und Potenzreihen. In mehreren Variablen verwendet die Taylorentwicklung zweiter Ordnung gemischte partielle Ableitungen, die man nach dem Satz von Schwarz in beliebiger Reihenfolge bilden darf.

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Häufig gestellte Fragen

Was besagt der Satz von Taylor?

Ist f auf einem Intervall, das a und x enthält, n + 1-mal differenzierbar, dann gilt f(x) = P_n(x) + R_n(x), wobei P_n das Taylorpolynom vom Grad n an der Stelle a ist und R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1} für ein c zwischen a und x.

Was ist die Lagrange-Fehlerabschätzung?

Gilt |f^{(n+1)}(t)| \le M für alle t zwischen a und x, dann ist der Fehler bei der Näherung von f(x) durch P_n(x) höchstens \frac{M}{(n+1)!}|x - a|^{n+1}. Das ist dasselbe wie die Taylor-Ungleichung.

Woher weiß man, wie viele Terme des Taylorpolynoms man braucht?

Schreibe die Fehlerschranke als Funktion von n und erhöhe n, bis die Schranke kleiner ist als die geforderte Genauigkeit. Die Fakultät im Nenner lässt die Schranke schnell schrumpfen.

Was ist der Unterschied zwischen dem Satz von Taylor und einer Taylorreihe?

Eine Taylorreihe ist die unendliche Summe aller Terme. Der Satz von Taylor handelt von einem endlichen Polynom und liefert eine exakte Formel für den verbleibenden Fehler. Damit beweist man, dass eine Taylorreihe gegen die Funktion konvergiert.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

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