多元泰勒公式不能通过在每个坐标中写出互不相关的一元展开得到。位移同时改变所有坐标,因此出现混合偏导数。多重线性导数组织这些相互作用,余项估计则告诉我们无穷泰勒展开是否等于函数。
1 作为多重线性映射的高阶导数
在实数域工作,维数 n ≥ 1 n\ge1 n ≥ 1 有限。标量函数在开集上属于 Ck,是指至 k k k 阶的各坐标偏导数均存在且连续。把一个 j 重线性标量映射与它在各坐标基向量组上的有限个系数对应起来。高阶导数由这个系数映射求导而得;下面的范数估计保证它与在多重线性映射空间中求导一致。
对 j 重线性映射 B B B ,j ≥ 1 j\ge1 j ≥ 1 ,多重线性给出精确的有限展开
B [ v 1 , … , v j ] = ∑ i 1 , … , i j = 1 n B [ e i 1 , … , e i j ] ( v 1 ) i 1 ⋯ ( v j ) i j . B[v_1,\ldots,v_j]=\sum_{i_1,\ldots,i_j=1}^n B[e_{i_1},\ldots,e_{i_j}](v_1)_{i_1}\cdots(v_j)_{i_j}. B [ v 1 , … , v j ] = i 1 , … , i j = 1 ∑ n B [ e i 1 , … , e i j ] ( v 1 ) i 1 ⋯ ( v j ) i j .
记 M B = max i 1 , … , i j ∣ B [ e i 1 , … , e i j ] ∣ M_B=\max_{i_1,\ldots,i_j}|B[e_{i_1},\ldots,e_{i_j}]| M B = max i 1 , … , i j ∣ B [ e i 1 , … , e i j ] ∣ 。由三角不等式和 Cauchy–Schwarz 不等式,
∣ B [ v 1 , … , v j ] ∣ ≤ M B ∏ r = 1 j ∑ i ∣ ( v r ) i ∣ ≤ n j / 2 M B ∏ r = 1 j ∥ v r ∥ . |B[v_1,\ldots,v_j]|\le M_B\prod_{r=1}^j\sum_i|(v_r)_i|\le n^{j/2}M_B\prod_{r=1}^j\|v_r\|. ∣ B [ v 1 , … , v j ] ∣ ≤ M B r = 1 ∏ j i ∑ ∣ ( v r ) i ∣ ≤ n j /2 M B r = 1 ∏ j ∥ v r ∥.
因此多重线性算子范数
∥ B ∥ = sup { ∣ B [ v 1 , … , v j ] ∣ : ∥ v r ∥ ≤ 1 ( 1 ≤ r ≤ j ) } \|B\|=\sup\{|B[v_1,\ldots,v_j]|:\|v_r\|\le1\ (1\le r\le j)\} ∥ B ∥ = sup { ∣ B [ v 1 , … , v j ] ∣ : ∥ v r ∥ ≤ 1 ( 1 ≤ r ≤ j )}
有限,且满足 M B ≤ ∥ B ∥ ≤ n j / 2 M B M_B\le\|B\|\le n^{j/2}M_B M B ≤ ∥ B ∥ ≤ n j /2 M B 。下界由代入基向量得到。有限展开还说明 B B B 在紧的闭单位球乘积上连续,所以该上确界能取得。这些不等式表明,有限个系数的收敛或可微性等价于相应的算子范数结论。特别地,对系数映射使用有限维可微判据,再作归纳,可由 Ck 函数的连续坐标导数构造至 k k k 阶的连续多重线性导数。
具体地,对 1 ≤ j ≤ k 1\le j\le k 1 ≤ j ≤ k ,归纳给出
D j f ( x ) [ v 1 , … , v j ] = ∑ i 1 , … , i j = 1 n ∂ i 1 ⋯ ∂ i j f ( x ) ( v 1 ) i 1 ⋯ ( v j ) i j . D^jf(x)[v_1,\ldots,v_j]=\sum_{i_1,\ldots,i_j=1}^n\partial_{i_1}\cdots\partial_{i_j}f(x)(v_1)_{i_1}\cdots(v_j)_{i_j}. D j f ( x ) [ v 1 , … , v j ] = i 1 , … , i j = 1 ∑ n ∂ i 1 ⋯ ∂ i j f ( x ) ( v 1 ) i 1 ⋯ ( v j ) i j .
将 C2 坐标矩形定理应用于相应的低阶导数,连续混合偏导数便可交换一对相邻求导次序。每个排列都是有限次相邻交换的复合,所以这些多重线性映射对称。对 j = 2 j=2 j = 2 ,公式是 D 2 f ( a ) [ u , v ] = u T H f ( a ) v D^2f(a)[u,v]=u^TH_f(a)v D 2 f ( a ) [ u , v ] = u T H f ( a ) v 。
固定 h h h ,在开定义域内的线段上令 ϕ ( t ) = f ( a + t h ) \phi(t)=f(a+th) ϕ ( t ) = f ( a + t h ) 。逐次对系数函数使用链式法则,证明
ϕ ( j ) ( t ) = D j f ( a + t h ) [ h , … , h ] . \phi^{(j)}(t)=D^jf(a+th)[h,\ldots,h]. ϕ ( j ) ( t ) = D j f ( a + t h ) [ h , … , h ] .
当 h ≠ 0 h\ne0 h = 0 时,在范数定义中把每个输入除以 ∥ h ∥ \|h\| ∥ h ∥ ;当 h = 0 h=0 h = 0 时,多重线性使结果为零。因此两种情形都有 ∣ D j f ( x ) [ h , … , h ] ∣ ≤ ∥ D j f ( x ) ∥ ∥ h ∥ j |D^jf(x)[h,\ldots,h]|\le\|D^jf(x)\|\|h\|^j ∣ D j f ( x ) [ h , … , h ] ∣ ≤ ∥ D j f ( x ) ∥∥ h ∥ j 。
对由非负整数组成的多重指标 α = ( α 1 , … , α n ) \alpha=(\alpha_1,\ldots,\alpha_n) α = ( α 1 , … , α n ) ,记 ∣ α ∣ = ∑ i α i |\alpha|=\sum_i\alpha_i ∣ α ∣ = ∑ i α i 、α ! = ∏ i α i ! \alpha!=\prod_i\alpha_i! α ! = ∏ i α i ! 、h α = ∏ i h i α i h^\alpha=\prod_i h_i^{\alpha_i} h α = ∏ i h i α i 。重复输入展开中,具有重数 α \alpha α 的有序坐标选择恰有 j ! / α ! j!/\alpha! j ! / α ! 个。由对称性,每个选择对应同一混合偏导数。因此
1 j ! D j f ( a ) [ h , … , h ] = ∑ ∣ α ∣ = j ∂ α f ( a ) α ! h α . \frac1{j!}D^jf(a)[h,\ldots,h]=\sum_{|\alpha|=j}\frac{\partial^\alpha f(a)}{\alpha!}h^\alpha. j ! 1 D j f ( a ) [ h , … , h ] = ∣ α ∣ = j ∑ α ! ∂ α f ( a ) h α .
这实际计算了混合系数,而非从各坐标分别展开后猜测。特别地,二次混合项为 f x y h k f_{xy}hk f x y hk ,不是 f x y h k / 2 f_{xy}hk/2 f x y hk /2 。
2 带积分余项的泰勒定理
设 f f f 在线段 a a a 至 a + h a+h a + h 的邻域中为 C k C^k C k ,且 k ≥ 1 k\ge1 k ≥ 1 。反复使用一元积分得到
f ( a + h ) = ∑ j = 0 k − 1 D j f ( a ) [ h , … , h ] j ! + 1 ( k − 1 ) ! ∫ 0 1 ( 1 − t ) k − 1 D k f ( a + t h ) [ h , … , h ] d t . f(a+h)=\sum_{j=0}^{k-1}\frac{D^jf(a)[h,\ldots,h]}{j!}
+\frac1{(k-1)!}\int_0^1(1-t)^{k-1}D^kf(a+th)[h,\ldots,h]dt. f ( a + h ) = j = 0 ∑ k − 1 j ! D j f ( a ) [ h , … , h ] + ( k − 1 )! 1 ∫ 0 1 ( 1 − t ) k − 1 D k f ( a + t h ) [ h , … , h ] d t .
其中 j = 0 j=0 j = 0 项为 f ( a ) f(a) f ( a ) 。一种证明是对余项分部积分并归纳,从 k = 1 k=1 k = 1 时的微积分基本定理开始。每次积分引入一个额外的 ( 1 − t ) (1-t) ( 1 − t ) 因子和起点处的一个导数值。
在积分内减去常值 D k f ( a ) D^kf(a) D k f ( a ) ,利用其连续性得到
f ( a + h ) = ∑ ∣ α ∣ ≤ k ∂ α f ( a ) α ! h α + o ( ∥ h ∥ k ) . f(a+h)=\sum_{|\alpha|\le k}\frac{\partial^\alpha f(a)}{\alpha!}h^\alpha+o(\|h\|^k). f ( a + h ) = ∣ α ∣ ≤ k ∑ α ! ∂ α f ( a ) h α + o ( ∥ h ∥ k ) .
为了给出 k k k 次误差的定量界,假设 C k + 1 C^{k+1} C k + 1 正则性且线段上 ∥ D k + 1 f ∥ ≤ M \|D^{k+1}f\|\le M ∥ D k + 1 f ∥ ≤ M 。对积分公式取 k + 1 k+1 k + 1 得到
∣ R k ( h ) ∣ ≤ M ∥ h ∥ k + 1 ( k + 1 ) ! . |R_k(h)|\le\frac{M\|h\|^{k+1}}{(k+1)!}. ∣ R k ( h ) ∣ ≤ ( k + 1 )! M ∥ h ∥ k + 1 .
该界涉及整条线段上的导数,而不只是起点处的导数。
归纳的实际步骤如下。写 I k = ∫ 0 1 ( 1 − t ) k − 1 ϕ ( k ) ( t ) d t / ( k − 1 ) ! I_k=\int_0^1(1-t)^{k-1}\phi^{(k)}(t)dt/(k-1)! I k = ∫ 0 1 ( 1 − t ) k − 1 ϕ ( k ) ( t ) d t / ( k − 1 )! 。微积分基本定理给出 ϕ ( 1 ) = ϕ ( 0 ) + I 1 \phi(1)=\phi(0)+I_1 ϕ ( 1 ) = ϕ ( 0 ) + I 1 。若 ϕ \phi ϕ 属 C(k+1),分部积分给出
I k + 1 = [ ( 1 − t ) k ϕ ( k ) ( t ) k ! ] 0 1 + I k = − ϕ ( k ) ( 0 ) k ! + I k . I_{k+1}=\left[\frac{(1-t)^k\phi^{(k)}(t)}{k!}\right]_0^1+I_k=-\frac{\phi^{(k)}(0)}{k!}+I_k. I k + 1 = [ k ! ( 1 − t ) k ϕ ( k ) ( t ) ] 0 1 + I k = − k ! ϕ ( k ) ( 0 ) + I k .
所以每次替换 I k I_k I k ,恰增加 ϕ ( k ) ( 0 ) / k ! \phi^{(k)}(0)/k! ϕ ( k ) ( 0 ) / k ! ,并留下 I k + 1 I_{k+1} I k + 1 ,由此归纳证明有限公式。对 k 次 Peano 结论,假设在 a a a 的固定开邻域上为 Ck,并在已显示的积分中减去 D k f ( a ) D^kf(a) D k f ( a ) 。常值部分的积分为 D k f ( a ) [ h , … , h ] / k ! D^kf(a)[h,\ldots,h]/k! D k f ( a ) [ h , … , h ] / k ! ,剩余误差的界为
∥ h ∥ k k ! sup 0 ≤ t ≤ 1 ∥ D k f ( a + t h ) − D k f ( a ) ∥ = o ( ∥ h ∥ k ) . \frac{\|h\|^k}{k!}\sup_{0\le t\le1}\|D^kf(a+th)-D^kf(a)\|=o(\|h\|^k). k ! ∥ h ∥ k 0 ≤ t ≤ 1 sup ∥ D k f ( a + t h ) − D k f ( a ) ∥ = o ( ∥ h ∥ k ) .
这是固定局部球上的算子范数连续性论证;Peano 结论不需要 C(k+1)。若另有 C(k+1),对 ( 1 − t ) k / k ! (1-t)^k/k! ( 1 − t ) k / k ! 积分,才得到独立的定量系数 1 / ( k + 1 ) ! 1/(k+1)! 1/ ( k + 1 )! 。下文有限阶多重指标定理及完整积分/Lagrange 证明保留这些不同的正则性假设;标量 Lagrange 中间点不是向量值中值等式。
1. 记号与线段条件
设d d d 为正整数,m m m 为非负整数。设U ⊂ R d U\subset\mathbb R^d U ⊂ R d 为开集,a ∈ U a\in U a ∈ U ,h ∈ R d h\in\mathbb R^d h ∈ R d ,并假设
[ a , a + h ] = { a + t h : 0 ≤ t ≤ 1 } ⊂ U . [a,a+h]=\{a+th:0\le t\le1\}\subset U. [ a , a + h ] = { a + t h : 0 ≤ t ≤ 1 } ⊂ U .
对于下面的积分余项与Lagrange余项公式,假设f : U → R f:U\to\mathbb R f : U → R 在该线段的某个开邻域V ⊂ U V\subset U V ⊂ U 上属于C m + 1 C^{m+1} C m + 1 。这表示直到m + 1 m+1 m + 1 阶的所有迭代坐标偏导数都在V V V 上存在且连续。不要求整个U U U 为凸集。位移h h h 也不必是单位向量。
多重指标 是α = ( α 1 , … , α d ) ∈ N 0 d \alpha=(\alpha_1,\ldots,\alpha_d)\in\mathbb N_0^d α = ( α 1 , … , α d ) ∈ N 0 d ,其中N 0 = { 0 , 1 , 2 , … } \mathbb N_0=\{0,1,2,\ldots\} N 0 = { 0 , 1 , 2 , … } 。记
∣ α ∣ = ∑ j = 1 d α j , α ! = ∏ j = 1 d α j ! , h α = ∏ j = 1 d h j α j , ∂ α f = ∂ 1 α 1 ⋯ ∂ d α d f . |\alpha|=\sum_{j=1}^d\alpha_j,\qquad \alpha!=\prod_{j=1}^d\alpha_j!,\qquad h^\alpha=\prod_{j=1}^dh_j^{\alpha_j},\qquad \partial^\alpha f=\partial_1^{\alpha_1}\cdots\partial_d^{\alpha_d}f. ∣ α ∣ = j = 1 ∑ d α j , α ! = j = 1 ∏ d α j ! , h α = j = 1 ∏ d h j α j , ∂ α f = ∂ 1 α 1 ⋯ ∂ d α d f .
指数为零时,相应因子按1计算,即使该坐标为零也如此;0 ! = 1 0!=1 0 ! = 1 ,h 0 = 1 h^0=1 h 0 = 1 ,∂ 0 f = f \partial^0f=f ∂ 0 f = f 。以e j e_j e j 表示第j j j 个坐标单位向量。以位移为变量的m m m 阶Taylor多项式是
T m , a ( h ) = ∑ ∣ α ∣ ≤ m ∂ α f ( a ) α ! h α . T_{m,a}(h)=\sum_{|\alpha|\le m}\frac{\partial^\alpha f(a)}{\alpha!}h^\alpha. T m , a ( h ) = ∣ α ∣ ≤ m ∑ α ! ∂ α f ( a ) h α .
它的次数可以小于m m m 。偏导数连续这一条件使求导顺序不影响结果;下面将说明理由。
2. 一元工具与闭区间端点
在一元积分余项定理中,“导数在闭区间上连续”是指区间内部的各阶导数连续延伸到端点,端点处取相应的单侧导数。Taylor多项式中的导数值就是这些端点值。能延伸到开区间上是一个充分但更强的条件。在当前多元情形中,这一条件自动满足:开集{ t ∈ R : a + t h ∈ V } \{t\in\mathbb R:a+th\in V\} { t ∈ R : a + t h ∈ V } 包含[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 。
费马必要条件。 在可微的内点局部最大值或最小值处,f ′ ( a ) = 0 f'(a)=0 f ′ ( a ) = 0 。
证明。 在局部最大值处,充分小的正增量给出非正差商,负增量给出非负差商。双侧导数的极限要同时满足两种符号,只能为零。对函数取负处理最小值。□ \square □
内点条件很重要:f ( x ) = x f(x)=x f ( x ) = x 在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上的极值出现在端点,尽管导数为 1。逆命题不成立:x 3 x^3 x 3 在零处导数为零,但那里不是极值。
Rolle 定理。 若 a < b a<b a < b ,f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上连续、在 ( a , b ) (a,b) ( a , b ) 上可微,且 f ( a ) = f ( b ) f(a)=f(b) f ( a ) = f ( b ) ,则存在 c ∈ ( a , b ) c\in(a,b) c ∈ ( a , b ) 使 f ′ ( c ) = 0 f'(c)=0 f ′ ( c ) = 0 。
证明。 极值定理保证最大值和最小值存在。若函数为常数,任意内点均符合要求。否则某值不同于相等的端点值,因此最大值或最小值之一出现在内部。可在该处应用费马条件。□ \square □
中值定理。 在相同的连续与可微条件下,不要求端点值相等,则存在 c ∈ ( a , b ) c\in(a,b) c ∈ ( a , b ) 满足 f ( b ) − f ( a ) = f ′ ( c ) ( b − a ) f(b)-f(a)=f'(c)(b-a) f ( b ) − f ( a ) = f ′ ( c ) ( b − a ) 。
从 f f f 减去割线 f ( a ) + [ f ( b ) − f ( a ) ] ( x − a ) / ( b − a ) f(a)+[f(b)-f(a)](x-a)/(b-a) f ( a ) + [ f ( b ) − f ( a )] ( x − a ) / ( b − a ) ,再应用 Rolle 定理即可。这一证明不假定 f ′ f' f ′ 连续。推论包括:导数在区间上为零则函数为常数;导数非负则函数不减;区间上 ∣ f ′ ∣ ≤ M |f'|\le M ∣ f ′ ∣ ≤ M 则其中各点满足 ∣ f ( y ) − f ( x ) ∣ ≤ M ∣ y − x ∣ |f(y)-f(x)|\le M|y-x| ∣ f ( y ) − f ( x ) ∣ ≤ M ∣ y − x ∣ 。不能由一点的导数值推出整个区间上的导数界。
在 a a a 处的 n n n 阶 Taylor 多项式为 T n ( x ) = ∑ k = 0 n f ( k ) ( a ) ( x − a ) k / k ! T_n(x)=\sum_{k=0}^nf^{(k)}(a)(x-a)^k/k! T n ( x ) = ∑ k = 0 n f ( k ) ( a ) ( x − a ) k / k ! ;若高阶导数值为零,它的次数可以小于 n n n 。
定理:Taylor 积分余项
设 n ≥ 0 n\ge0 n ≥ 0 ,f f f 在 a a a 与 x x x 之间的闭区间上具有直到 n + 1 n+1 n + 1 阶的连续导数,则
f ( x ) = T n ( x ) + 1 n ! ∫ a x f ( n + 1 ) ( t ) ( x − t ) n d t . f(x)=T_n(x)+\frac1{n!}\int_a^x f^{(n+1)}(t)(x-t)^n\,dt. f ( x ) = T n ( x ) + n ! 1 ∫ a x f ( n + 1 ) ( t ) ( x − t ) n d t .
因此,若该区间上 ∣ f ( n + 1 ) ( t ) ∣ ≤ M |f^{(n+1)}(t)|\le M ∣ f ( n + 1 ) ( t ) ∣ ≤ M ,则 ∣ f ( x ) − T n ( x ) ∣ ≤ M ∣ x − a ∣ n + 1 / ( n + 1 ) ! |f(x)-T_n(x)|\le M|x-a|^{n+1}/(n+1)! ∣ f ( x ) − T n ( x ) ∣ ≤ M ∣ x − a ∣ n + 1 / ( n + 1 )! 。
证明。 当 n = 0 n=0 n = 0 时,恒等式就是微积分基本定理 f ( x ) − f ( a ) = ∫ a x f ′ ( t ) d t f(x)-f(a)=\int_a^xf'(t)dt f ( x ) − f ( a ) = ∫ a x f ′ ( t ) d t 。当 n ≥ 1 n\ge1 n ≥ 1 时,对余项分部积分,取 u = ( x − t ) n / n ! u=(x-t)^n/n! u = ( x − t ) n / n ! 、d v = f ( n + 1 ) ( t ) d t dv=f^{(n+1)}(t)dt d v = f ( n + 1 ) ( t ) d t 。在 x x x 处的边界项为零,在 a a a 处的贡献为 − f ( n ) ( a ) ( x − a ) n / n ! -f^{(n)}(a)(x-a)^n/n! − f ( n ) ( a ) ( x − a ) n / n ! ;余下的积分是 ( n − 1 ) (n-1) ( n − 1 ) 阶余项。由归纳法得到恒等式。这里使用有向积分,所以 x < a x<a x < a 时也成立。取绝对值,必要时反转积分上下限,再积分 ∣ x − t ∣ n |x-t|^n ∣ x − t ∣ n ,即得所述界。最高阶导数连续保证各次分部积分及估计有效。
此定理给出充分的正则性条件,并非最弱假设。Taylor 级数要在固定的 x x x 处表示 f f f ,必须当 n → ∞ n\to\infty n → ∞ 时余项趋于零。若不控制有限阶误差界对 n n n 的依赖,仅凭该界不能证明余项趋零。
3. 重复方向求导与系数的完整计数
固定h h h ,在导数存在处定义D h q ( x ) = d d s q ( x + s h ) ∣ s = 0 D_hq(x)=\left.\frac{d}{ds}q(x+sh)\right|_{s=0} D h q ( x ) = d s d q ( x + s h ) s = 0 。令D h 0 f = f D_h^0f=f D h 0 f = f ,D h k + 1 f = D h ( D h k f ) D_h^{k+1}f=D_h(D_h^kf) D h k + 1 f = D h ( D h k f ) 。这里始终沿同一个固定方向重复求导,不是在变化方向下求导。
一阶方向导数。 若q q q 在x x x 附近属于C 1 C^1 C 1 ,把从x x x 到x + s h x+sh x + s h 的增量分为依次沿d d d 个坐标的增量。当s s s 充分小时,所有这些短线段都在定义域内的某个球中。对每个h j ≠ 0 h_j\ne0 h j = 0 的坐标,一元中值定理给出第j j j 段上的一点z j , s z_{j,s} z j , s ,使
q ( x + s h ) − q ( x ) = ∑ j : h j ≠ 0 s h j ∂ j q ( z j , s ) . q(x+sh)-q(x)=\sum_{j:h_j\ne0}s h_j\partial_jq(z_{j,s}). q ( x + s h ) − q ( x ) = j : h j = 0 ∑ s h j ∂ j q ( z j , s ) .
当s → 0 s\to0 s → 0 时,z j , s → x z_{j,s}\to x z j , s → x ;h j = 0 h_j=0 h j = 0 的坐标没有增量。除以s ≠ 0 s\ne0 s = 0 ,利用偏导数连续性,得到
D h q ( x ) = ∑ j = 1 d h j ∂ j q ( x ) . (1) D_hq(x)=\sum_{j=1}^dh_j\partial_jq(x). \tag{1} D h q ( x ) = j = 1 ∑ d h j ∂ j q ( x ) . ( 1 )
这个论证也适用于负的s s s ,因为中值定理所用的是两个坐标端点之间的区间。
为什么混合偏导数可以交换。 对C 2 C^2 C 2 函数q q q ,固定不同坐标i , j i,j i , j ,取充分小的正数u , v u,v u , v ,使以x x x 为顶点的相应坐标矩形位于定义域内。其双差分为
Δ = q ( x + u e i + v e j ) − q ( x + u e i ) − q ( x + v e j ) + q ( x ) . \Delta=q(x+ue_i+ve_j)-q(x+ue_i)-q(x+ve_j)+q(x). Δ = q ( x + u e i + v e j ) − q ( x + u e i ) − q ( x + v e j ) + q ( x ) .
先对[ 0 , u ] [0,u] [ 0 , u ] 上的s ↦ q ( x + s e i + v e j ) − q ( x + s e i ) s\mapsto q(x+se_i+ve_j)-q(x+se_i) s ↦ q ( x + s e i + v e j ) − q ( x + s e i ) 应用中值定理,再对∂ i q \partial_iq ∂ i q 沿第j j j 个坐标的差应用中值定理,得到
Δ u v = ∂ j ∂ i q ( x + ξ e i + η e j ) , 0 < ξ < u , 0 < η < v . \frac{\Delta}{uv}=\partial_j\partial_iq(x+\xi e_i+\eta e_j),\qquad 0<\xi<u,\quad0<\eta<v. uv Δ = ∂ j ∂ i q ( x + ξ e i + η e j ) , 0 < ξ < u , 0 < η < v .
交换两个坐标的角色,则在同一矩形的另一个点上有Δ / ( u v ) = ∂ i ∂ j q ( x + ξ ~ e i + η ~ e j ) \Delta/(uv)=\partial_i\partial_jq(x+\widetilde\xi e_i+\widetilde\eta e_j) Δ/ ( uv ) = ∂ i ∂ j q ( x + ξ e i + η e j ) 。令u , v ↓ 0 u,v\downarrow0 u , v ↓ 0 ,由连续性得到∂ j ∂ i q ( x ) = ∂ i ∂ j q ( x ) \partial_j\partial_iq(x)=\partial_i\partial_jq(x) ∂ j ∂ i q ( x ) = ∂ i ∂ j q ( x ) 。对更高阶导数,把这一结果应用于一对相邻求导操作之前的内层导数,再对所得恒等式作剩余的外层求导。所涉及的总阶数都不超过m + 1 m+1 m + 1 。任何排列都可以通过有限次相邻交换得到,因此,只要各坐标的求导次数相同,所有求导顺序的结果都相同。
断言。 对每个0 ≤ k ≤ m + 1 0\le k\le m+1 0 ≤ k ≤ m + 1 及每个x ∈ V x\in V x ∈ V ,
D h k f ( x ) = ∑ ∣ α ∣ = k k ! α ! h α ∂ α f ( x ) . (2) D_h^kf(x)=\sum_{|\alpha|=k}\frac{k!}{\alpha!}h^\alpha\partial^\alpha f(x). \tag{2} D h k f ( x ) = ∣ α ∣ = k ∑ α ! k ! h α ∂ α f ( x ) . ( 2 )
完整归纳证明。 当k = 0 k=0 k = 0 时,唯一的多重指标是0 0 0 ,右边就是f ( x ) f(x) f ( x ) 。假设(2)对某个0 ≤ k ≤ m 0\le k\le m 0 ≤ k ≤ m 成立。这个有限和中的每个∂ α f \partial^\alpha f ∂ α f 都属于C 1 C^1 C 1 。利用(1)、求导的线性性以及偏导数的可交换性,得到
D h k + 1 f ( x ) = ∑ ∣ α ∣ = k ∑ j = 1 d k ! α ! h α h j ∂ α + e j f ( x ) = ∑ ∣ β ∣ = k + 1 ( ∑ j : β j ≥ 1 k ! ( β − e j ) ! ) h β ∂ β f ( x ) . \begin{aligned}
D_h^{k+1}f(x)
&=\sum_{|\alpha|=k}\sum_{j=1}^d\frac{k!}{\alpha!}h^\alpha h_j\partial^{\alpha+e_j}f(x)\\
&=\sum_{|\beta|=k+1}\left(\sum_{j:\beta_j\ge1}\frac{k!}{(\beta-e_j)!}\right)h^\beta\partial^\beta f(x).
\end{aligned} D h k + 1 f ( x ) = ∣ α ∣ = k ∑ j = 1 ∑ d α ! k ! h α h j ∂ α + e j f ( x ) = ∣ β ∣ = k + 1 ∑ j : β j ≥ 1 ∑ ( β − e j )! k ! h β ∂ β f ( x ) .
固定β \beta β 后,产生它的二元组恰好是( α , j ) = ( β − e j , j ) (\alpha,j)=(\beta-e_j,j) ( α , j ) = ( β − e j , j ) ,其中β j ≥ 1 \beta_j\ge1 β j ≥ 1 ,没有其他情况。而且
( β − e j ) ! = β ! β j , ∑ j : β j ≥ 1 k ! ( β − e j ) ! = k ! β ! ∑ j : β j ≥ 1 β j = k ! ( k + 1 ) β ! = ( k + 1 ) ! β ! . (\beta-e_j)!=\frac{\beta!}{\beta_j},\qquad
\sum_{j:\beta_j\ge1}\frac{k!}{(\beta-e_j)!}
=\frac{k!}{\beta!}\sum_{j:\beta_j\ge1}\beta_j
=\frac{k!(k+1)}{\beta!}
=\frac{(k+1)!}{\beta!}. ( β − e j )! = β j β ! , j : β j ≥ 1 ∑ ( β − e j )! k ! = β ! k ! j : β j ≥ 1 ∑ β j = β ! k ! ( k + 1 ) = β ! ( k + 1 )! .
未列入内层求和的坐标满足β j = 0 \beta_j=0 β j = 0 ,它们对坐标总和的贡献也是零。因此得到的恰好是k + 1 k+1 k + 1 阶的(2),归纳完成。从计数角度看,k ! / α ! k!/\alpha! k ! / α ! 是长度为k k k 、其中坐标j j j 出现α j \alpha_j α j 次的有序坐标选择序列数;上面的递推实际证明了这个计数,而非预先假定它。
现在令g ( t ) = f ( a + t h ) g(t)=f(a+th) g ( t ) = f ( a + t h ) 。在任意t t t 处对t t t 求导,就是在点a + t h a+th a + t h 沿方向h h h 对f f f 求导。从g ( 0 ) ( t ) = f ( a + t h ) g^{(0)}(t)=f(a+th) g ( 0 ) ( t ) = f ( a + t h ) 开始,依次使用这一事实,得到
g ( k ) ( t ) = D h k f ( a + t h ) = ∑ ∣ α ∣ = k k ! α ! h α ∂ α f ( a + t h ) , 0 ≤ k ≤ m + 1. (3) g^{(k)}(t)=D_h^kf(a+th)=\sum_{|\alpha|=k}\frac{k!}{\alpha!}h^\alpha\partial^\alpha f(a+th),\qquad0\le k\le m+1. \tag{3} g ( k ) ( t ) = D h k f ( a + t h ) = ∣ α ∣ = k ∑ α ! k ! h α ∂ α f ( a + t h ) , 0 ≤ k ≤ m + 1. ( 3 )
这些导数都在包含[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 的某个开区间上连续。
4. Taylor定理与两种精确余项
定理。 在第1节的假设下,
f ( a + h ) = T m , a ( h ) + R m ( a , h ) , f(a+h)=T_{m,a}(h)+R_m(a,h), f ( a + h ) = T m , a ( h ) + R m ( a , h ) ,
其中
R m ( a , h ) = 1 m ! ∫ 0 1 ( 1 − t ) m D h m + 1 f ( a + t h ) d t = ∑ ∣ α ∣ = m + 1 m + 1 α ! h α ∫ 0 1 ( 1 − t ) m ∂ α f ( a + t h ) d t . (4) \begin{aligned}
R_m(a,h)
&=\frac1{m!}\int_0^1(1-t)^mD_h^{m+1}f(a+th)\,dt\\
&=\sum_{|\alpha|=m+1}\frac{m+1}{\alpha!}h^\alpha\int_0^1(1-t)^m\partial^\alpha f(a+th)\,dt. \tag{4}
\end{aligned} R m ( a , h ) = m ! 1 ∫ 0 1 ( 1 − t ) m D h m + 1 f ( a + t h ) d t = ∣ α ∣ = m + 1 ∑ α ! m + 1 h α ∫ 0 1 ( 1 − t ) m ∂ α f ( a + t h ) d t . ( 4 )
若h ≠ 0 h\ne0 h = 0 ,还存在一个θ ∈ ( 0 , 1 ) \theta\in(0,1) θ ∈ ( 0 , 1 ) 使
R m ( a , h ) = D h m + 1 f ( a + θ h ) ( m + 1 ) ! = ∑ ∣ α ∣ = m + 1 ∂ α f ( a + θ h ) α ! h α . (5) \begin{aligned}
R_m(a,h)
&=\frac{D_h^{m+1}f(a+\theta h)}{(m+1)!}\\
&=\sum_{|\alpha|=m+1}\frac{\partial^\alpha f(a+\theta h)}{\alpha!}h^\alpha. \tag{5}
\end{aligned} R m ( a , h ) = ( m + 1 )! D h m + 1 f ( a + θ h ) = ∣ α ∣ = m + 1 ∑ α ! ∂ α f ( a + θ h ) h α . ( 5 )
积分形式的证明。 上面的一元定理可用于g g g 从0到1的区间。为把其归纳在当前坐标中完整写出,令
I r = 1 r ! ∫ 0 1 ( 1 − t ) r g ( r + 1 ) ( t ) d t ( 0 ≤ r ≤ m ) . I_r=\frac1{r!}\int_0^1(1-t)^rg^{(r+1)}(t)\,dt\qquad(0\le r\le m). I r = r ! 1 ∫ 0 1 ( 1 − t ) r g ( r + 1 ) ( t ) d t ( 0 ≤ r ≤ m ) .
微积分基本定理给出I 0 = g ( 1 ) − g ( 0 ) I_0=g(1)-g(0) I 0 = g ( 1 ) − g ( 0 ) 。对1 ≤ r ≤ m 1\le r\le m 1 ≤ r ≤ m ,分部积分恰好给出
I r = [ ( 1 − t ) r r ! g ( r ) ( t ) ] 0 1 + 1 ( r − 1 ) ! ∫ 0 1 ( 1 − t ) r − 1 g ( r ) ( t ) d t = − g ( r ) ( 0 ) r ! + I r − 1 . \begin{aligned}
I_r&=\left[\frac{(1-t)^r}{r!}g^{(r)}(t)\right]_0^1+\frac1{(r-1)!}\int_0^1(1-t)^{r-1}g^{(r)}(t)\,dt\\
&=-\frac{g^{(r)}(0)}{r!}+I_{r-1}.
\end{aligned} I r = [ r ! ( 1 − t ) r g ( r ) ( t ) ] 0 1 + ( r − 1 )! 1 ∫ 0 1 ( 1 − t ) r − 1 g ( r ) ( t ) d t = − r ! g ( r ) ( 0 ) + I r − 1 .
所以I 0 = g ( 1 ) − ∑ k = 0 0 g ( k ) ( 0 ) / k ! I_0=g(1)-\sum_{k=0}^0g^{(k)}(0)/k! I 0 = g ( 1 ) − ∑ k = 0 0 g ( k ) ( 0 ) / k ! 是起始情形。若I r − 1 = g ( 1 ) − ∑ k = 0 r − 1 g ( k ) ( 0 ) / k ! I_{r-1}=g(1)-\sum_{k=0}^{r-1}g^{(k)}(0)/k! I r − 1 = g ( 1 ) − ∑ k = 0 r − 1 g ( k ) ( 0 ) / k ! ,上述递推便给出I r = g ( 1 ) − ∑ k = 0 r g ( k ) ( 0 ) / k ! I_r=g(1)-\sum_{k=0}^rg^{(k)}(0)/k! I r = g ( 1 ) − ∑ k = 0 r g ( k ) ( 0 ) / k ! 。归纳得到直到r = m r=m r = m 的恒等式,并包括m = 0 m=0 m = 0 。现在由(3)在0处的公式,
∑ k = 0 m g ( k ) ( 0 ) k ! = ∑ k = 0 m ∑ ∣ α ∣ = k ∂ α f ( a ) α ! h α = T m , a ( h ) . \sum_{k=0}^m\frac{g^{(k)}(0)}{k!}=\sum_{k=0}^m\sum_{|\alpha|=k}\frac{\partial^\alpha f(a)}{\alpha!}h^\alpha=T_{m,a}(h). k = 0 ∑ m k ! g ( k ) ( 0 ) = k = 0 ∑ m ∣ α ∣ = k ∑ α ! ∂ α f ( a ) h α = T m , a ( h ) .
由(3)的m + 1 m+1 m + 1 阶公式得到(4),因为( m + 1 ) ! / m ! = m + 1 (m+1)!/m!=m+1 ( m + 1 )! / m ! = m + 1 ,且求和为有限和。特别地,多项式的阶数是m m m ,余项中的导数阶数是m + 1 m+1 m + 1 。
严格中间点形式的证明。 令R = g ( 1 ) − ∑ k = 0 m g ( k ) ( 0 ) / k ! R=g(1)-\sum_{k=0}^mg^{(k)}(0)/k! R = g ( 1 ) − ∑ k = 0 m g ( k ) ( 0 ) / k ! ,定义
H ( t ) = g ( t ) − ∑ k = 0 m g ( k ) ( 0 ) k ! t k − R t m + 1 . H(t)=g(t)-\sum_{k=0}^m\frac{g^{(k)}(0)}{k!}t^k-Rt^{m+1}. H ( t ) = g ( t ) − k = 0 ∑ m k ! g ( k ) ( 0 ) t k − R t m + 1 .
于是H ( 1 ) = 0 H(1)=0 H ( 1 ) = 0 ,且对0 ≤ r ≤ m 0\le r\le m 0 ≤ r ≤ m 有H ( r ) ( 0 ) = 0 H^{(r)}(0)=0 H ( r ) ( 0 ) = 0 。在[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上用Rolle定理,得到c 1 ∈ ( 0 , 1 ) c_1\in(0,1) c 1 ∈ ( 0 , 1 ) 满足H ′ ( c 1 ) = 0 H'(c_1)=0 H ′ ( c 1 ) = 0 。若m ≥ 1 m\ge1 m ≥ 1 ,利用H ′ ( 0 ) = 0 H'(0)=0 H ′ ( 0 ) = 0 在[ 0 , c 1 ] [0,c_1] [ 0 , c 1 ] 上再次应用Rolle定理,得到c 2 ∈ ( 0 , c 1 ) c_2\in(0,c_1) c 2 ∈ ( 0 , c 1 ) 满足H ′ ′ ( c 2 ) = 0 H''(c_2)=0 H ′′ ( c 2 ) = 0 。具体地,只要1 ≤ r ≤ m 1\le r\le m 1 ≤ r ≤ m 且H ( r ) ( c r ) = 0 H^{(r)}(c_r)=0 H ( r ) ( c r ) = 0 、c r > 0 c_r>0 c r > 0 ,另一零点H ( r ) ( 0 ) = 0 H^{(r)}(0)=0 H ( r ) ( 0 ) = 0 就允许在[ 0 , c r ] [0,c_r] [ 0 , c r ] 上用Rolle定理,得到c r + 1 ∈ ( 0 , c r ) c_{r+1}\in(0,c_r) c r + 1 ∈ ( 0 , c r ) 满足H ( r + 1 ) ( c r + 1 ) = 0 H^{(r+1)}(c_{r+1})=0 H ( r + 1 ) ( c r + 1 ) = 0 。应用m + 1 m+1 m + 1 次之后,θ = c m + 1 ∈ ( 0 , 1 ) \theta=c_{m+1}\in(0,1) θ = c m + 1 ∈ ( 0 , 1 ) 满足
0 = H ( m + 1 ) ( θ ) = g ( m + 1 ) ( θ ) − ( m + 1 ) ! R . 0=H^{(m+1)}(\theta)=g^{(m+1)}(\theta)-(m+1)!R. 0 = H ( m + 1 ) ( θ ) = g ( m + 1 ) ( θ ) − ( m + 1 )! R .
当m = 0 m=0 m = 0 时,第一次应用已经是最后一次。代入(3)便得到(5)。
(5)中每一项使用同一个θ \theta θ ,是因为只对一个标量线函数g g g 应用了一次一元结论。若分别对各个偏导数或不同的坐标路径应用中值论证,得到的点可能不同,不能悄然把它们替换成同一个点。这里的共同点结论针对实标量函数,不是向量值函数各分量共用一点的结论。
若h = 0 h=0 h = 0 ,则g g g 为常函数,T m , a ( 0 ) = f ( a ) T_{m,a}(0)=f(a) T m , a ( 0 ) = f ( a ) ,R m ( a , 0 ) = 0 R_m(a,0)=0 R m ( a , 0 ) = 0 ,而且(4)仍然成立。不要求在只有一个点的线段上寻找严格的几何中间点。即使h ≠ 0 h\ne0 h = 0 ,线函数也可能为常函数,Rolle证明仍然适用。当m = 0 m=0 m = 0 时,公式化为f ( a + h ) − f ( a ) = ∫ 0 1 ∇ f ( a + t h ) ⋅ h d t f(a+h)-f(a)=\int_0^1\nabla f(a+th)\cdot h\,dt f ( a + h ) − f ( a ) = ∫ 0 1 ∇ f ( a + t h ) ⋅ h d t 以及标量线段中值公式。
5. 误差界与较弱的局部Taylor结论
若对所有∣ α ∣ = m + 1 |\alpha|=m+1 ∣ α ∣ = m + 1 及线段上的每个x x x 都有∣ ∂ α f ( x ) ∣ ≤ M |\partial^\alpha f(x)|\le M ∣ ∂ α f ( x ) ∣ ≤ M ,则由(4)可得
∣ R m ( a , h ) ∣ ≤ M ∑ ∣ α ∣ = m + 1 ∣ h α ∣ α ! = M ( m + 1 ) ! ( ∑ j = 1 d ∣ h j ∣ ) m + 1 . (6) |R_m(a,h)|\le M\sum_{|\alpha|=m+1}\frac{|h^\alpha|}{\alpha!}
=\frac{M}{(m+1)!}\left(\sum_{j=1}^d|h_j|\right)^{m+1}. \tag{6} ∣ R m ( a , h ) ∣ ≤ M ∣ α ∣ = m + 1 ∑ α ! ∣ h α ∣ = ( m + 1 )! M ( j = 1 ∑ d ∣ h j ∣ ) m + 1 . ( 6 )
这是因为∫ 0 1 ( 1 − t ) m d t = 1 / ( m + 1 ) \int_0^1(1-t)^m\,dt=1/(m+1) ∫ 0 1 ( 1 − t ) m d t = 1/ ( m + 1 ) ;将m + 1 m+1 m + 1 个∑ j ∣ h j ∣ \sum_j|h_j| ∑ j ∣ h j ∣ 相乘,再按有序坐标选择分类,所得系数正是(2)中已经证明的计数。只有a a a 处的导数界不能推出(6)。另一种情形是,若直接知道∣ D h m + 1 f ( a + t h ) ∣ ≤ K ∥ h ∥ m + 1 |D_h^{m+1}f(a+th)|\le K\|h\|^{m+1} ∣ D h m + 1 f ( a + t h ) ∣ ≤ K ∥ h ∥ m + 1 ,则有∣ R m ∣ ≤ K ∥ h ∥ m + 1 / ( m + 1 ) ! |R_m|\le K\|h\|^{m+1}/(m+1)! ∣ R m ∣ ≤ K ∥ h ∥ m + 1 / ( m + 1 )! 。
C m + 1 C^{m+1} C m + 1 是(4)、(5)的充分条件,并非所有局部Taylor近似都需要这一条件。若m ≥ 1 m\ge1 m ≥ 1 且f f f 仅在a a a 的某个邻域上属于C m C^m C m ,则
f ( a + h ) = T m , a ( h ) + o ( ∥ h ∥ m ) ( h → 0 ) . (7) f(a+h)=T_{m,a}(h)+o(\|h\|^m)\qquad(h\to0). \tag{7} f ( a + h ) = T m , a ( h ) + o ( ∥ h ∥ m ) ( h → 0 ) . ( 7 )
证明这一较弱结论不需要多加一阶导数:对充分短的线段应用阶数为m − 1 m-1 m − 1 的(4)。其中常量D h m f ( a ) D_h^mf(a) D h m f ( a ) 对应的积分等于D h m f ( a ) / m ! D_h^mf(a)/m! D h m f ( a ) / m ! ,由(2)恰为m m m 次齐次项。在被积函数内减去这个常量后,误差的绝对值不超过
ε ( h ) m ! ( ∑ j = 1 d ∣ h j ∣ ) m , ε ( h ) = max ∣ α ∣ = m sup 0 ≤ t ≤ 1 ∣ ∂ α f ( a + t h ) − ∂ α f ( a ) ∣ ⟶ 0. \frac{\varepsilon(h)}{m!}\left(\sum_{j=1}^d|h_j|\right)^m,\qquad
\varepsilon(h)=\max_{|\alpha|=m}\sup_{0\le t\le1}|\partial^\alpha f(a+th)-\partial^\alpha f(a)|\longrightarrow0. m ! ε ( h ) ( j = 1 ∑ d ∣ h j ∣ ) m , ε ( h ) = ∣ α ∣ = m max 0 ≤ t ≤ 1 sup ∣ ∂ α f ( a + t h ) − ∂ α f ( a ) ∣ ⟶ 0.
这样的α \alpha α 只有有限多个,而∥ t h ∥ ≤ ∥ h ∥ \|th\|\le\|h\| ∥ t h ∥ ≤ ∥ h ∥ ,所以在a a a 处的连续性同时控制整段上的所有点。Cauchy–Schwarz不等式给出∑ j ∣ h j ∣ ≤ d ∥ h ∥ \sum_j|h_j|\le\sqrt d\|h\| ∑ j ∣ h j ∣ ≤ d ∥ h ∥ ,从而证明(7)。当m = 0 m=0 m = 0 时,仅由连续性就有f ( a + h ) = f ( a ) + o ( 1 ) f(a+h)=f(a)+o(1) f ( a + h ) = f ( a ) + o ( 1 ) 。这些较弱结论既不声称具有m + 1 m+1 m + 1 阶余项,也不声称函数等于某个无穷级数。
3 混合展开例题
令 f ( x , y ) = e x cos y f(x,y)=e^x\cos y f ( x , y ) = e x cos y 并在原点展开。取总次数至多为 3 的项:
T 3 = 1 + x + x 2 − y 2 2 + x 3 6 − x y 2 2 . T_3=1+x+\frac{x^2-y^2}{2}+\frac{x^3}{6}-\frac{xy^2}{2}. T 3 = 1 + x + 2 x 2 − y 2 + 6 x 3 − 2 x y 2 .
一种求法是将 1 + x + x 2 / 2 + x 3 / 6 + ⋯ 1+x+x^2/2+x^3/6+\cdots 1 + x + x 2 /2 + x 3 /6 + ⋯ 与 1 − y 2 / 2 + ⋯ 1-y^2/2+\cdots 1 − y 2 /2 + ⋯ 相乘,保留总次数至多为 3 的项。导数检验给出 f x y y ( 0 , 0 ) = − 1 f_{xyy}(0,0)=-1 f x yy ( 0 , 0 ) = − 1 ,其系数为 − 1 / ( 1 ! 2 ! ) = − 1 / 2 -1/(1!2!)=-1/2 − 1/ ( 1 ! 2 !) = − 1/2 。
为了得到具体余项界,限制到 ( t x , t y ) (tx,ty) ( t x , t y ) 。四阶导数是带二项式权重的各项之和,当 0 ≤ t ≤ 1 0\le t\le1 0 ≤ t ≤ 1 时,其绝对值以 e ∣ x ∣ ( ∣ x ∣ + ∣ y ∣ ) 4 e^{|x|}(|x|+|y|)^4 e ∣ x ∣ ( ∣ x ∣ + ∣ y ∣ ) 4 为界。因此
∣ f ( x , y ) − T 3 ( x , y ) ∣ ≤ e ∣ x ∣ ( ∣ x ∣ + ∣ y ∣ ) 4 24 . |f(x,y)-T_3(x,y)|\le\frac{e^{|x|}(|x|+|y|)^4}{24}. ∣ f ( x , y ) − T 3 ( x , y ) ∣ ≤ 24 e ∣ x ∣ ( ∣ x ∣ + ∣ y ∣ ) 4 .
此界刻意求简单而非尖锐。它适用于坐标同时变化,并显示四阶误差的量级。
4 解析性的充分判据
导数增长判据。 设 n ≥ 1 n\ge1 n ≥ 1 、r 0 , C , R > 0 r_0,C,R>0 r 0 , C , R > 0 ,实标量函数 f ∈ C ∞ ( B ( a , r 0 ) ) f\in C^\infty(B(a,r_0)) f ∈ C ∞ ( B ( a , r 0 )) 。对 j = 0 j=0 j = 0 ,约定 ∥ D 0 f ( x ) ∥ = ∣ f ( x ) ∣ \|D^0f(x)\|=|f(x)| ∥ D 0 f ( x ) ∥ = ∣ f ( x ) ∣ 。假设每个整数 j ≥ 0 j\ge0 j ≥ 0 和同一个球内的每个 x x x 均满足 ∥ D j f ( x ) ∥ ≤ C j ! R − j \|D^jf(x)\|\le Cj!R^{-j} ∥ D j f ( x ) ∥ ≤ C j ! R − j 。则当 ∥ h ∥ < min ( r 0 , R ) \|h\|<\min(r_0,R) ∥ h ∥ < min ( r 0 , R ) 时,
f ( a + h ) = ∑ j = 0 ∞ D j f ( a ) [ h , … , h ] j ! . f(a+h)=\sum_{j=0}^\infty\frac{D^jf(a)[h,\ldots,h]}{j!}. f ( a + h ) = j = 0 ∑ ∞ j ! D j f ( a ) [ h , … , h ] .
证明与精确的收敛区域。 闭线段位于球内。k 次积分余项的界为 C ( ∥ h ∥ / R ) k + 1 C(\|h\|/R)^{k+1} C ( ∥ h ∥/ R ) k + 1 ,趋于零。每个齐次项的绝对值至多为 C ( ∥ h ∥ / R ) j C(\|h\|/R)^j C ( ∥ h ∥/ R ) j 。对每个 0 < ρ < min ( r 0 , R ) 0<\rho<\min(r_0,R) 0 < ρ < min ( r 0 , R ) ,这些估计在 ∥ h ∥ ≤ ρ \|h\|\le\rho ∥ h ∥ ≤ ρ 上一致成立;几何优级数证明齐次项级数在那里绝对且一致收敛。
这尚未说明所有单个单项式的绝对值之和在同一个欧氏球范围内收敛。把坐标基向量代入 D j f ( a ) D^jf(a) D j f ( a ) ,对 ∣ α ∣ = j |\alpha|=j ∣ α ∣ = j 得到 ∣ ∂ α f ( a ) ∣ ≤ C j ! R − j |\partial^\alpha f(a)|\le Cj!R^{-j} ∣ ∂ α f ( a ) ∣ ≤ C j ! R − j 。由多项式定理,明确有
∑ ∣ α ∣ = j ∣ ∂ α f ( a ) α ! h α ∣ ≤ C R − j ∑ ∣ α ∣ = j j ! α ! ∏ i ∣ h i ∣ α i = C ( ∑ i ∣ h i ∣ R ) j . \sum_{|\alpha|=j}\left|\frac{\partial^\alpha f(a)}{\alpha!}h^\alpha\right|\le C R^{-j}\sum_{|\alpha|=j}\frac{j!}{\alpha!}\prod_i|h_i|^{\alpha_i}=C\left(\frac{\sum_i|h_i|}{R}\right)^j. ∣ α ∣ = j ∑ α ! ∂ α f ( a ) h α ≤ C R − j ∣ α ∣ = j ∑ α ! j ! i ∏ ∣ h i ∣ α i = C ( R ∑ i ∣ h i ∣ ) j .
因此未分组的多重指标级数至少在 ∥ h ∥ < r 0 \|h\|<r_0 ∥ h ∥ < r 0 、∑ i ∣ h i ∣ < R \sum_i|h_i|<R ∑ i ∣ h i ∣ < R 时绝对收敛。把每次有限个同次单项式分组,就恢复已证明的齐次展开等式。要给出实际邻域,可选 0 < r < min ( r 0 / n , R / n ) 0<r<\min(r_0/\sqrt n,R/n) 0 < r < min ( r 0 / n , R / n ) 。在闭立方体 ∣ h i ∣ ≤ r |h_i|\le r ∣ h i ∣ ≤ r 上,所有所需估计均有可求和的几何优级数控制。于是得到局部收敛幂级数表示,证明 f f f 在 a a a 处实解析,同时没有混淆两个收敛区域。
仅在 a a a 处的导数界不能代替邻域界。幂级数章节的平坦函数在零处各阶导数均为零,却在其他点为正。将它与第一坐标复合,在任意有限维空间中都有同样的障碍;下文的一元零延拓证明提供其光滑性的实际依据。
以下逆向结论中,取正整数 n n n 、中心 a ∈ R n a\in\mathbb R^n a ∈ R n 、s > 0 s>0 s > 0 及实系数 c α c_\alpha c α 。在所述有限绝对系数界下,于 ∣ h i ∣ < s |h_i|<s ∣ h i ∣ < s 定义 f ( a + h ) = ∑ α c α h α f(a+h)=\sum_\alpha c_\alpha h^\alpha f ( a + h ) = ∑ α c α h α 。这定义了待证明正则性的函数,并未预先假设它为 C ∞ C^\infty C ∞ 。
逆向结论:绝对系数控制允许逐项求导。 假设存在 s > 0 s>0 s > 0 ,使
A = ∑ α ∈ N 0 n ∣ c α ∣ s ∣ α ∣ < ∞ . A=\sum_{\alpha\in\mathbb N_0^n}|c_\alpha|s^{|\alpha|}<\infty. A = α ∈ N 0 n ∑ ∣ c α ∣ s ∣ α ∣ < ∞.
把这个绝对和解释为有限子和的上确界,或按总次数递增枚举多重指标。对每个闭立方体 ∣ h i ∣ ≤ r < s |h_i|\le r<s ∣ h i ∣ ≤ r < s ,M 判别法保证原级数一致收敛。对一个偏导数及 m = ∣ α ∣ ≥ 1 m=|\alpha|\ge1 m = ∣ α ∣ ≥ 1 ,若 α j = 0 \alpha_j=0 α j = 0 ,该项为零;否则,对 0 < r < s 0<r<s 0 < r < s ,
∣ α j c α h α − e j ∣ ≤ ∣ c α ∣ s m s m ( r / s ) m − 1 . |\alpha_jc_\alpha h^{\alpha-e_j}|\le\frac{|c_\alpha|s^m}{s}\,m(r/s)^{m-1}. ∣ α j c α h α − e j ∣ ≤ s ∣ c α ∣ s m m ( r / s ) m − 1 .
当 q = r / s < 1 q=r/s<1 q = r / s < 1 时,m q m − 1 m q^{m-1} m q m − 1 一致有界,例如可用收敛标量级数 ∑ m ≥ 1 m q m − 1 = 1 / ( 1 − q ) 2 \sum_{m\ge1}m q^{m-1}=1/(1-q)^2 ∑ m ≥ 1 m q m − 1 = 1/ ( 1 − q ) 2 控制。因此求导后的项具有可求和的系数优级数,在该立方体上一致收敛。
为什么这种收敛确实给出导数?令 P N P_N P N 为总次数至多 N N N 的单项式有限和。固定第 j 个坐标以外的所有坐标,让该坐标在 [ − r , r ] [-r,r] [ − r , r ] 中变化。P N P_N P N 和 ∂ j P N \partial_jP_N ∂ j P N 均一致收敛,在该坐标为零处的值也收敛。一元一致导数定理证明极限具有这个偏导数。导数多项式的一致极限在整个立方体上连续。对每个坐标这样做,再用连续偏导数的可微判据,得到内部的 C1 正则性。
对给定的更高求导阶数 ℓ \ell ℓ ,下降阶乘系数至多为 m ℓ m^\ell m ℓ ;在 ∣ h i ∣ ≤ r |h_i|\le r ∣ h i ∣ ≤ r 上,各项以 ∣ c α ∣ s m s − ℓ m ℓ ( r / s ) m − ℓ |c_\alpha|s^m s^{-\ell}m^\ell(r/s)^{m-\ell} ∣ c α ∣ s m s − ℓ m ℓ ( r / s ) m − ℓ 为界,相关指数不足时则该项为零。这个多项式乘几何因子一致有界;在严格介于 r r r 和 s s s 之间的嵌套立方体上逐次使用同一论证,得到各阶导数存在且连续。在 h = 0 h=0 h = 0 处代入,只剩匹配的单项式,因此 ∂ α f ( a ) = α ! c α \partial^\alpha f(a)=\alpha!c_\alpha ∂ α f ( a ) = α ! c α 。这里实际证明了逐项求导规则,而非从形式记号直接假定它。
定义
f ( x ) = { e − 1 / x 2 , x ≠ 0 , 0 , x = 0. f(x)=\begin{cases}e^{-1/x^2},&x\ne0,\\0,&x=0.\end{cases} f ( x ) = { e − 1/ x 2 , 0 , x = 0 , x = 0.
下面给出光滑但不解析的完整论证。对 x ≠ 0 x\ne0 x = 0 ,令 t = 1 / x t=1/x t = 1/ x ,并递归定义多项式
P 0 ( t ) = 1 , P j + 1 ( t ) = 2 t 3 P j ( t ) − t 2 P j ′ ( t ) . P_0(t)=1,\qquad P_{j+1}(t)=2t^3P_j(t)-t^2P_j'(t). P 0 ( t ) = 1 , P j + 1 ( t ) = 2 t 3 P j ( t ) − t 2 P j ′ ( t ) .
由 d t / d x = − t 2 dt/dx=-t^2 d t / d x = − t 2 ,乘积和链式法则说明 P j ( 1 / x ) e − 1 / x 2 P_j(1/x)e^{-1/x^2} P j ( 1/ x ) e − 1/ x 2 的导数是 P j + 1 ( 1 / x ) e − 1 / x 2 P_{j+1}(1/x)e^{-1/x^2} P j + 1 ( 1/ x ) e − 1/ x 2 。为控制原点,对任意固定幂 p ≥ 0 p\ge0 p ≥ 0 和整数 N > p N>p N > p ,非负项指数级数给出 u > 0 u>0 u > 0 时 e u ≥ u N / N ! e^u\ge u^N/N! e u ≥ u N / N ! ,所以当 u → ∞ u\to\infty u → ∞ 时,u p e − u ≤ N ! u p − N → 0 u^pe^{-u}\le N!u^{p-N}\to0 u p e − u ≤ N ! u p − N → 0 。因此任意 1 / x 1/x 1/ x 的多项式乘 e − 1 / x 2 e^{-1/x^2} e − 1/ x 2 均趋零,再多乘一个 1 / x 1/x 1/ x 仍然如此。
对非零 x x x 令 g j ( x ) = P j ( 1 / x ) e − 1 / x 2 g_j(x)=P_j(1/x)e^{-1/x^2} g j ( x ) = P j ( 1/ x ) e − 1/ x 2 ,并令 g j ( 0 ) = 0 g_j(0)=0 g j ( 0 ) = 0 。每个 g j g_j g j 在零处连续,且该处差商为
g j ( x ) − g j ( 0 ) x = 1 x P j ( 1 / x ) e − 1 / x 2 ⟶ 0. \frac{g_j(x)-g_j(0)}x=\frac1xP_j(1/x)e^{-1/x^2}\longrightarrow0. x g j ( x ) − g j ( 0 ) = x 1 P j ( 1/ x ) e − 1/ x 2 ⟶ 0.
在零点以外,其导数是 g j + 1 g_{j+1} g j + 1 ;在零点,刚证明的差商给出同一导数值 g j + 1 ( 0 ) = 0 g_{j+1}(0)=0 g j + 1 ( 0 ) = 0 。由 g 0 = f g_0=f g 0 = f 开始归纳,得到 f ∈ C ∞ ( R ) f\in C^\infty(\mathbb R) f ∈ C ∞ ( R ) ,且每个 j j j 都有 f ( j ) ( 0 ) = 0 f^{(j)}(0)=0 f ( j ) ( 0 ) = 0 。全部 Taylor 系数为零,但每个非零 x x x 处 f ( x ) > 0 f(x)>0 f ( x ) > 0 ,所以不可能在任何邻域由零 Taylor 级数表示。这里使用的指数恒等式和正项级数界,在初等函数章节中独立于本反例构造。
练习与完整解答
E1 基础。 求 log ( 1 + x + y ) \log(1+x+y) log ( 1 + x + y ) 在零处总次数为 2 的泰勒多项式,并指出对数有定义的邻域。
S1. 令 u = x + y u=x+y u = x + y 。多项式为 u − u 2 / 2 = x + y − x 2 / 2 − x y − y 2 / 2 u-u^2/2=x+y-x^2/2-xy-y^2/2 u − u 2 /2 = x + y − x 2 /2 − x y − y 2 /2 。函数在 1 + x + y > 0 1+x+y>0 1 + x + y > 0 的地方有定义;例如 ∣ x ∣ + ∣ y ∣ < 1 |x|+|y|<1 ∣ x ∣ + ∣ y ∣ < 1 是合适邻域。由于 ∣ u ∣ < 1 |u|<1 ∣ u ∣ < 1 ,级数本身也在那里收敛。
E2 混合项。 展开 ( x + 2 y ) 3 (x+2y)^3 ( x + 2 y ) 3 ,并用三次泰勒公式的多重指标规则表示系数。
S2. 展开为 x 3 + 6 x 2 y + 12 x y 2 + 8 y 3 x^3+6x^2y+12xy^2+8y^3 x 3 + 6 x 2 y + 12 x y 2 + 8 y 3 。零处相应三阶导数为 6、12、24、48,分别除以 3 ! 3! 3 ! 、2 ! 1 ! 2!1! 2 ! 1 ! 、1 ! 2 ! 1!2! 1 ! 2 ! 、3 ! 3! 3 ! ,得到系数 1、6、12、8。
E3 余项。 若从 a a a 到 a + h a+h a + h 的线段上 ∥ D 3 f ∥ ≤ 12 \|D^3f\|\le12 ∥ D 3 f ∥ ≤ 12 ,当 ∥ h ∥ = 0.1 \|h\|=0.1 ∥ h ∥ = 0.1 时估计二次泰勒多项式的误差。
S3. 界为 12 ( 0.1 ) 3 / 3 ! = 0.002 12(0.1)^3/3!=0.002 12 ( 0.1 ) 3 /3 ! = 0.002 。仅在 a a a 点有界不足以支持同一结论。
E4 解析性。 解释为什么 f ( x , y ) = e − 1 / x 2 f(x,y)=e^{-1/x^2} f ( x , y ) = e − 1/ x 2 (x ≠ 0 x\ne0 x = 0 )而在 x = 0 x=0 x = 0 时为零,虽然所有混合导数都存在且连续,却在 ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 处不解析。
S4. 含 y y y 的导数均为零;由指数衰减论证,x x x 方向导数以零连续延拓。因此 ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 处所有泰勒系数均为零。但任意接近的 x ≠ 0 x\ne0 x = 0 点处函数值为正,故泰勒级数不能在任何邻域等于该函数。若存在解析表示,将它限制到 y = 0 y=0 y = 0 也会在一元情形得到同样的矛盾。
总结
多重线性导数组织同时发生的方向变化,多重指标正确计算混合项。积分型泰勒余项提供小 o 及定量界。解析性需要无穷阶的邻域控制或收敛级数论证,而非仅在一点存在各阶导数。