Taylorreihe

In der Analysis verwendet man Taylorreihen, um Funktionen in der Umgebung bestimmter Punkte durch Potenzreihen darzustellen. Die Taylorreihe (oder Taylor-Reihe) einer Funktion $f$ in einem Punkt ist die Potenzreihenentwicklung der Funktion an diesem Punkt. Sie ist benannt nach dem Mathematiker Brook Taylor. Eng verwandt mit der Taylorreihe sind die Taylor-Polynome, die im Artikel Taylor-Formel beschrieben sind.

Definition

Ist $I$ ein reelles Intervall und $f:I\rightarrow \mathbb {R}$ eine beliebig oft differenzierbare Funktion, dann heißt für a aus I die unendliche Reihe

$f(a)+{\frac {f'(a)}{1!}}(x-a)+{\frac {f''(a)}{2!}}(x-a)^{2}+\ldots +{\frac {f^{(n)}(a)}{n!}}(x-a)^{n}+\ldots$

$=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {f^{(n)}(a)}{n!}}(x-a)^{n}$

die Taylor-Reihe von f mit Entwicklungspunkt a.

Im Spezialfall a = 0 heißt die Taylor-Reihe auch Maclaurin-Reihe.

Hierbei bezeichnet f⁽ⁿ⁾(a) die n-te Ableitung von f an der Stelle a (mit f⁽⁰⁾ := f) und n! = 1 · 2 · ... · n die Fakultät von n.

Der Ausdruck $T_{1}(x):=f(a)+{f'(a)}(x-a)$ (also die Summe der ersten beiden Terme der Taylorreihe) nennt man auch "Linearisierung von f an der Stelle a". Allgemeiner nennt man die Partialsumme

$T_{n}(x):=f(a)+{\frac {f'(a)}{1!}}(x-a)+\cdots +{\frac {f^{(n)}(a)}{n!}}(x-a)^{n},$

die für festes a ein Polynom in der Variablen x darstellt, das n-te Taylorpolynom, und die Taylor-Formel macht eine Aussage über ihre Abweichung (das Restglied) von der Funktion f. Aufgrund der Einfachheit der Polynomdarstellung sowie der guten Anwendbarkeit der Restgliedformel sind Taylorpolynome unverzichtbares Hilfsmittel der Analysis und der Ingenieurwissenschaften geworden.

Eigenschaften

• Die Taylorreihe ist eine Potenzreihe in x. Allgemein muss sie weder einen positiven Konvergenzradius haben, noch muss sie in ihrem Konvergenzbereich mit f übereinstimmen.
• Die Taylorreihe konvergiert genau für diejenigen x aus I gegen f(x), für die das Restglied R_k(x) gegen 0 konvergiert.
• Ist f selbst eine Potenzreihe mit Entwicklungspunkt a, dann stimmt die Taylorreihe mit dieser Potenzreihe überein.
• Die Taylorpolynome sind Partialsummen der Taylorreihe, und wenn die Taylorreihe gegen f konvergiert, dann sind höhere Taylorpolynome automatisch bessere Näherungen, da ihre Restglieder kleiner sind. Für analytische Funktionen gibt es um jeden Wert von x stets eine Umgebung, in der diese Bedingung erfüllt ist.

Beispiele

Taylorreihe mit Konvergenzradius gleich Null

Betrachte die Funktion:

$f(x)={\begin{cases}0&{\mbox{falls }}x\leq 0\\\mathrm {e} ^{-1/x}&{\mbox{falls }}x>0\end{cases}}$

Als reelle Funktion ist f unendlich oft stetig differenzierbar, wobei die Ableitungen in jedem Punkt x <= 0 (insbesondere für x = 0) ausnahmslos 0 sind. Die Taylorreihe um den Nullpunkt ist also die Nullfunktion, und stimmt in keiner Umgebung der 0 mit f überein. Daher ist f nicht analytisch. Die Taylorreihe um einen Punkt a > 0 konvergiert zwischen 0 und 2a gegen f. Auch mit einer Laurentreihe lässt sich diese Funktion nicht approximieren, weil die Laurentreihe, die die Funktion für x>0 korrekt wiedergibt, für x<0 nicht konstant 0 ergibt.

Taylorreihen mit Konvergenzradius größer Null

Viele bekannte Funktionen lassen sich durch Potenzreihen darstellen, die dann gleichzeitig Taylorreihen der Funktion sind. Zum Beispiel gilt für alle reellen Zahlen x:

Exponentialfunktionen und Logarithmen

$e^{x}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {x^{n}}{n!}}$ für alle reellen (oder komplexen) x

$\log(1+x)=\sum _{n=1}^{\infty }(-1)^{n+1}{\frac {x^{n}}{n}}$ für $-1<x\leq +1$

Diese Formel ist jedoch für praktische Rechnungen ungeeignet. Schneller konvergiert diese Reihe:

$\log \left({\frac {1+x}{1-x}}\right)=2\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {x^{2k+1}}{2k+1}}$ für $-1<x\leq +1$

Wählt man $x:={\frac {y-1}{y+1}}$ für ein y>0, dann erhält man damit $\log(y)$.

Trigonometrische Funktionen

Für den Entwicklungspunkt a=0 gilt (Maclaurin-Reihe):

$\sin(x)=\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}{\frac {x^{2n+1}}{(2n+1)!}}\quad {\mbox{ für alle }}x$

$\cos(x)=\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}{\frac {x^{2n}}{(2n)!}}\quad {\mbox{ für alle }}x$

$\tan(x)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\beta _{2n}(-4)^{n}(1-4^{n})}{(2n)!}}x^{2n-1}\quad \mathrm {f{\ddot {u}}r} \ \left|x\right|<{\frac {\pi }{2}}$, dabei ist $\beta _{2n}$ die $2n$te Bernoulli-Zahl.

$\sec(x)=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}E_{2n}}{(2n)!}}x^{2n}\quad {\mbox{ für }}\left|x\right|<{\frac {\pi }{2}}$, dabei ist $E_{2n}$ die $2n$te Eulersche Zahl.

Taylor-Entwicklung um einen Punkt im $\mathbb {R} ^{n}$

Sei $f=f({\vec {r}})$ eine stetig differenzierbare Funktion aus $\mathbb {R}$ und ${\vec {r}}=\sum _{j}\;x_{j}\cdot {\hat {e}}_{j}$

So lässt sich diese Funktion wie folgt um den Punkt ${\vec {r}}\,'$ entwickeln, wobei $|{\vec {r}}\,|\gg |{\vec {r}}\,'|$:

$f\left({\vec {r}}+{\vec {r}}\,'\right)|_{r\,'=0}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{n!}}\left(\sum _{j}x\,'_{j}{\frac {\partial }{\partial x\,'_{j}}}\right)^{n}f\left({\vec {r}}\,'=0\right)$

Auf diese Art Funktionen zu entwickeln ist in der Physik sehr gebräuchlich, z.B. für die Multipol-Entwicklung.