・テイラー展開                          kanakol 氏

 √(x^2+y^2) の点(3,4)のまわりのテイラー展開を簡便法を用いて表せ。

解ける方いらっしゃいますか?


 GAIさんからのコメントです。(令和2年12月2日付け)

 タイプの都合上、sqrt(x)=√x の記法で表すと、

 sqrt(x^2+y^2)=y*sqrt(1+(x/y)^2)=y*sqrt(1+t) (但し、t=(x/y)^2とする。)

 ここで、二項定理の拡張から、

 sqrt(1+t)=(1+t)^(1/2) =納k=0,∞]binomial(1/2,k)*t^k

 今、 binomial(1/2,0)=1 、binomial(1/2,1)=1/2 、
    binomial(1/2,2)=1/2*(1/2-1)/2!=-1/8
    binomial(1/2,3)=1/2*(1/2-1)*(1/2-2)/3!=1/16
    binomial(1/2,4)=1/2*(1/2-1)*(1/2-2)*(1/2-3)/4!=-5/128

 以下同様に、

    binomial(1/2,5)=7/256
    binomial(1/2,6)=-21/1024
    binomial(1/2,7)=33/2048
    binomial(1/2,8)=-429/32768
    binomial(1/2,9)=715/65536
     ・・・・・・・・・

なので、

sqrt(x^2+y^2)
=y*(1+1/2*t-1/8*t^2+1/16*t^3-5/128*t^4+7/256*t^5-21/1024*t^6
                      +33/2048*t^7-429/32768*t^8+715/65536*t^9-・・・・・)

 ここで、t=(x/y)^2 を、これに代入して整理すれば、上式は、

= y + 1/(2*y)*x^2 - 1/(8*y^3)*x^4 + 1/(16*y^5)*x^6 - 5/(128*y^7)*x^8
   + 7/(256*y^9)*x^10 - 21/(1024*y^11)*x^12 + 33/(2048*y^13)*x^14
   - 429/(32768*y^15)*x^16 + 715/(65536*y^17)*x^18 -・・・

よって、点(3,4)を中心としたテイラー展開式は、上式で、x->x-3、y->y-4 と置きなおした式で
表せばよい。


(コメント) 教養学部時代に学んだ微積分を思い出しながら解いてみました。

 F(x,y)=√(x^2+y^2) とおく。(3,4)のまわりのテイラー展開なので、

 F(x,y)=Σ(hδ/δx+kδ/δy)F(3,4)/k! ただし、h=x-3、k=y-4

  F(3,4)=√(3^2+4^2)=5

 Fx(x,y)=x/√(x^2+y^2)、Fy(x,y)=y/√(x^2+y^2) より、

 Fx(3,4)=3/5 、 Fy(3,4)=4/5

 Fxx(x,y)=y^2/{(x^2+y^2)√(x^2+y^2)}、Fxy(x,y)=-xy/{(x^2+y^2)√(x^2+y^2)}

 Fyy(x,y)=x^2/{(x^2+y^2)√(x^2+y^2)} より、

 Fxx(3,4)=16/125 、Fxy(3,4)=−12/125 、Fyy(3,4)=9/125

 従って、2次の項までテイラー展開してみると、

 F(x,y)

=F(3,4)+(hFx(3,4)+kFy(3,4))+(h^2Fxx(3,4)+2hkFxy(3,4)+k^2Fyy(3,4))/2+・・・

=5+(3h+4k)/5+(16h^2−24hk+9k^2)/250+・・・

となる。

#GAIさんのテイラー展開は、x=0の周りのテイラー展開かな?


 GAIさんからのコメントです。(令和2年12月3日付け)

 上記コメントを拝見して、大変勘違いしていたことをお詫びします。ちなみに3次までの近似
式を構成してみました。

F(x,y)=5+1/5*(3*h+4*k)+1/250*(16*h^2-24*h*k+9*k^2)
                       +1/18750*(-144*h^3+24*h^2*k+207*h*k^2-108*h^3)
(但しh=x-3,k=y-4)

 そこで、これを上の式に代入して整理すれば、下のF(x,y)が構成されます。

gp > F(x,y)=-24/3125*x^3 + (4/3125*y + 16/125)*x^2 + (69/6250*y^2 - 24/125*y + 3/5)*x +
            (-18/3125*y^3 + 9/125*y^2 + 4/5*y)
gp > G(x,y)=sqrt(x^2+y^2)

 そこで、元の関数と点(3,4)回りの比較をやってみるとかなりの精度で近似されていることが
見てとれます。

gp > for(n=1,5,x=3+1/10^n;y=4+1/10^n;print(n";"F(x,y)+0." VS "G(x,y)))
1;5.140038880000000000000000000 VS 5.140038910358558754555365381
2;5.014000398880000000000000000 VS 5.014000398883111377369710601
3;5.001400003998880000000000000 VS 5.001400003998880311913559828
4;5.000140000039998880000000000 VS 5.000140000039998880031199135
5;5.000014000000399998880000000 VS 5.000014000000399998880003120

gp > for(n=1,5,x=3-1/10^n;y=4-1/10^n;print(n";"F(x,y)+0." VS "G(x,y)))
1;4.860041120000000000000000000 VS 4.860041152089146662434685993
2;4.986000401120000000000000000 VS 4.986000401123128670300405711
3;4.998600004001120000000000000 VS 4.998600004001120312086487841
4;4.999860000040001120000000000 VS 4.999860000040001120031200865
5;4.999986000000400001120000000 VS 4.999986000000400001120003120


(追記) 「大学課題」と題して、HN「みみ」さんから同様の問題をいただきました。
                                       (令和2年12月3日付け)

 f(x,y)=e ^ x−y について、次の問いに答えよ.

(1) fx(x, y)、fy(x, y)、fxx(x, y)、fxy(x, y)、fyy(x, y) を求めよ。
(2) fx(1, 0)、fy(1, 0)、fxx(1, 0)、fxy(1, 0)、fyy(1, 0) を求めよ。
(3) f (x, y) =e ^ x−y を (x, y) = (1, 0) のまわりで 2 次の項までテイラー展開せよ。

 大学の課題で、この問題がわかりません。どなたかお願いします

(解) ここら辺の計算は形式的な計算なので、慣れが必要でしょう。

(1) fx(x, y)=e ^ x、fy(x, y)=−1、fxx(x, y)=e ^ x、fxy(x, y)=0、fyy(x, y)=0

(2) fx(1, 0)=e、fy(1, 0)=−1、fxx(1, 0)=e、fxy(1, 0)=0、fyy(1, 0)=0

(3) f(1, 0)=e なので、 h=x−1、k=y として、

 f(h,k)=e+(he+k(-1))+(h^2・e+2hk・0+k^2・0)/2

    =(h+1)e - k+h^2・e/2


(コメント) f(x,y)=e ^ x−y という式に「f(x,y)=e ^(x−y) かも?」という違和感を感じつつ解き
      ました。大学の微積分の講義スケジュールからすると、この時期は積分をやって
      いると思うのですが、コロナ禍の影響で進度が遅れているのでしょうか?



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