在工程中,经常要用到泰勒级数,因此有必要对此做一个统一的归纳与总结。首先,还是从最基本的级数开始吧。
通常所说的级数,就是指无穷级数,即有无穷多个项相相加,如式(1)所示。
------------(1)
既然有无穷级数,那当然也有有穷级数了,那就是高中时代所学的数列,如式(2)就是一个典型的有穷级数。
------------(2) 然而,工程应用中使用的最多的就是无穷级数,所以一般提到的级数都是指无穷的。下面将重点讨论无穷级数。式(1)中的
称为通项,可以是常数,也可以是函数。当
为常数时,式(1)称为常数项级数;当
为函数时,式(1)称为函数项级数。下面将介绍与级数相关的一些重要的概念。 部分和:在高中时代学的数列中,就有前
项和的概念。同理,取级数的前面
项相加,即得此级数的部分和,如式(3)所示。
------------(3)
注意:1,部分和并不是指任意一部分项的和!
2,
每取一个值,都有对应的一个部分和,这些值将构成一个数列
! 级数收敛/发散:部分和数列
存在极限,即
,则称此级数收敛。并且称
为级数的和。如果一个级数没有和,则称此级数发散!
注意:1,级数,指的是无穷多个项相加的一种状态,而不是相加所得的这个结果,因为这个相加有可能是没有结果的——级数发散,没有级数的和!
2,收敛,又可以细分为绝对收敛和条件收敛,区别是它们所满足的条件不一样。
绝对收敛:对式(1)各项取绝对值后的到正项级数
,如果
收敛,则称式(1)绝对收敛。 条件收敛:如果式(1)收敛,但是
不收敛,则称式(1)条件收敛。
对于一个级数,到底是否收敛,是绝对收敛还是条件收敛,这是一个需要花很多笔墨取讨论的问题,在《高等数学》中有相关的定理,在此不做详细的介绍。
常数项级数相对比较简单,更为复杂的是函数项级数。在工程中常用的函数项级数是傅立叶级数、泰勒级数。其中,傅立叶级数是一种三角级数,而泰勒级数是一种幂级数。
幂级数:式(1)中的
为幂函数
时,称式(1)为幂级数,如式(4)。
-------------(4)
泰勒级数:在工程中,很多情况下已经知道的并不是一个级数,而是一个函数。由于分析一个函数不方便,因此希望将它转换成级数。泰勒级数就是将一个函数表示成一个幂函数的方法!如式(5)。
----------(5)
注意:泰勒级数的展开需要满足一定的条件,详细见《高等数学》的相关章节,这里不赘述。
在工程应用中,使用的最多的就是将函数展开为泰勒级数,然后取前面
项来对原函数进行近似,并且利用近似的数列来代替原函数进行分析。例如在《人工神经网络》的性能曲面与最优点的分析中,使用泰勒级数对性能函数进行近似,用其近似数列来代替原函数进行数学分析。 式(5)只是对单变量的函数进行泰勒级数展开,但是工程应用中,很多情况下函数的变量都不止一个,因此需要对式(5)进行拓展。在《人工神经网络》中就提到
元函数的泰勒展开。
元函数如式(6)。
------------(6)
对式(6)展开,需要使用偏导,式(6)的泰勒展开如式(7)。
----------------(7)
写成矩阵的形式,如式(8)。
---------(8) 梯度:式(8)中的
就称为梯度,其展开如式(9)。
--------------(9)