多元泰勒公式不能通過在每個坐標中寫出互不相關的一元展開得到。位移同時改變所有坐標,因此出現混合偏導數。多重線性導數組織這些相互作用,餘項估計則告訴我們無窮泰勒展開是否等於函數。
1 作為多重線性映射的高階導數
在實數域工作,維數 n ≥ 1 n\ge1 n ≥ 1 有限。標量函數在開集上屬於 Ck,是指至 k k k 階的各坐標偏導數均存在且連續。把一個 j 重線性標量映射與它在各坐標基向量組上的有限個系數對應起來。高階導數由這個系數映射求導而得;下面的範數估計保證它與在多重線性映射空間中求導一致。
對 j 重線性映射 B B B ,j ≥ 1 j\ge1 j ≥ 1 ,多重線性給出精確的有限展開
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 .
記 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 ∥.
因此多重線性算子範數
∥ 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,且滿足 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。有限展開還說明 B B B 在緊的閉單位球乘積上連續,所以該上確界能取得。這些不等式表明,有限個系數的收斂或可微性等價於相應的算子範數結論。特別地,對系數映射使用有限維可微判據,再作歸納,可由 Ck 函數的連續坐標導數構造至 k k k 階的連續多重線性導數。
具體地,對 1 ≤ j ≤ k 1\le j\le k 1 ≤ j ≤ k ,歸納給出
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 .
將 C2 坐標矩形定理應用於相應的低階導數,連續混合偏導數便可交換一對相鄰求導次序。每個排列都是有限次相鄰交換的複合,所以這些多重線性映射對稱。對 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 ,在開定義域內的線段上令 ϕ ( t ) = f ( a + t h ) \phi(t)=f(a+th) ϕ ( t ) = f ( a + t h ) 。逐次對系數函數使用鏈式法則,證明
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 ] .
當 h ≠ 0 h\ne0 h = 0 時,在範數定義中把每個輸入除以 ∥ h ∥ \|h\| ∥ h ∥ ;當 h = 0 h=0 h = 0 時,多重線性使結果為零。因此兩種情形都有 ∣ 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 。
對由非負整數組成的多重指標 α = ( α 1 , … , α n ) \alpha=(\alpha_1,\ldots,\alpha_n) α = ( α 1 , … , α n ) ,記 ∣ 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 。重複輸入展開中,具有重數 α \alpha α 的有序坐標選擇恰有 j ! / α ! j!/\alpha! j ! / α ! 個。由對稱性,每個選擇對應同一混合偏導數。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 .
這實際計算了混合系數,而非從各坐標分別展開後猜測。特別地,二次混合項為 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 帶積分餘項的泰勒定理
設 f f f 在線段 a a a 至 a + h a+h a + h 的鄰域中為 C k C^k C k ,且 k ≥ 1 k\ge1 k ≥ 1 。反覆使用一元積分得到
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 項為 f ( a ) f(a) f ( a ) 。一種證明是對餘項分部積分並歸納,從 k = 1 k=1 k = 1 時的微積分基本定理開始。每次積分引入一個額外的 ( 1 − t ) (1-t) ( 1 − t ) 因子和起點處的一個導數值。
在積分內減去常值 D k f ( a ) D^kf(a) D k f ( a ) ,利用其連續性得到
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 ) .
為了給出 k k k 次誤差的定量界,假設 C k + 1 C^{k+1} C k + 1 正則性且線段上 ∥ D k + 1 f ∥ ≤ M \|D^{k+1}f\|\le M ∥ D k + 1 f ∥ ≤ M 。對積分公式取 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 .
該界涉及整條線段上的導數,而不只是起點處的導數。
歸納的實際步驟如下。寫 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 )! 。微積分基本定理給出 ϕ ( 1 ) = ϕ ( 0 ) + I 1 \phi(1)=\phi(0)+I_1 ϕ ( 1 ) = ϕ ( 0 ) + I 1 。若 ϕ \phi ϕ 屬 C(k+1),分部積分給出
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 .
所以每次替換 I k I_k I k ,恰增加 ϕ ( k ) ( 0 ) / k ! \phi^{(k)}(0)/k! ϕ ( k ) ( 0 ) / k ! ,並留下 I k + 1 I_{k+1} I k + 1 ,由此歸納證明有限公式。對 k 次 Peano 結論,假設在 a a a 的固定開鄰域上為 Ck,並在已顯示的積分中減去 D k f ( a ) D^kf(a) D k f ( a ) 。常值部分的積分為 D k f ( a ) [ h , … , h ] / k ! D^kf(a)[h,\ldots,h]/k! D k f ( a ) [ h , … , h ] / k ! ,剩餘誤差的界為
∥ 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 ) .
這是固定局部球上的算子範數連續性論證;Peano 結論不需要 C(k+1)。若另有 C(k+1),對 ( 1 − t ) k / k ! (1-t)^k/k! ( 1 − t ) k / k ! 積分,才得到獨立的定量係數 1 / ( k + 1 ) ! 1/(k+1)! 1/ ( k + 1 )! 。下文有限階多重指標定理及完整積分/Lagrange 證明保留這些不同的正則性假設;標量 Lagrange 中間點不是向量值中值等式。
1. 記號與線段條件
設d d d 為正整數,m m m 為非負整數。設U ⊂ R d U\subset\mathbb R^d U ⊂ R d 為開集,a ∈ U a\in U a ∈ U ,h ∈ R d h\in\mathbb R^d h ∈ R d ,並假設
[ 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 .
對於下面的積分餘項與Lagrange餘項公式,假設f : U → R f:U\to\mathbb R f : U → R 在該線段的某個開鄰域V ⊂ U V\subset U V ⊂ U 上屬於C m + 1 C^{m+1} C m + 1 。這表示直到m + 1 m+1 m + 1 階的所有迭代座標偏導數都在V V V 上存在且連續。不要求整個U U U 為凸集。位移h h h 亦不必是單位向量。
多重指標 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 , … } 。記
∣ 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 .
指數為零時,相應因子按1計算,即使該座標為零亦如此;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 個座標單位向量。以位移為變量的m m m 階Taylor多項式是
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 .
它的次數可以小於m m m 。偏導數連續這一條件使求導次序不影響結果;下面將說明理由。
2. 一元工具與閉區間端點
在一元積分餘項定理中,「導數在閉區間上連續」是指區間內部的各階導數連續延伸至端點,端點處取相應的單側導數。Taylor多項式中的導數值就是這些端點值。能延伸至開區間上是一個充分但更強的條件。在當前多元情形中,這一條件自動滿足:開集{ 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 ] 。
費馬必要條件。 在可微的內點局部最大值或最小值處,f ′ ( a ) = 0 f'(a)=0 f ′ ( a ) = 0 。
證明。 在局部最大值處,充分小的正增量給出非正差商,負增量給出非負差商。雙側導數的極限要同時滿足兩種符號,只能為零。對函數取負處理最小值。□ \square □
內點條件很重要:f ( x ) = x f(x)=x f ( x ) = x 在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上的極值出現在端點,儘管導數為 1。逆命題不成立:x 3 x^3 x 3 在零處導數為零,但那裡不是極值。
Rolle 定理。 若 a < b a<b a < b ,f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上連續、在 ( a , b ) (a,b) ( a , b ) 上可微,且 f ( a ) = f ( b ) f(a)=f(b) f ( a ) = f ( b ) ,則存在 c ∈ ( a , b ) c\in(a,b) c ∈ ( a , b ) 使 f ′ ( c ) = 0 f'(c)=0 f ′ ( c ) = 0 。
證明。 極值定理保證最大值和最小值存在。若函數為常數,任意內點均符合要求。否則某值不同於相等的端點值,因此最大值或最小值之一出現在內部。可在該處應用費馬條件。□ \square □
中值定理。 在相同的連續與可微條件下,不要求端點值相等,則存在 c ∈ ( a , b ) c\in(a,b) c ∈ ( a , b ) 滿足 f ( b ) − f ( a ) = f ′ ( c ) ( b − a ) f(b)-f(a)=f'(c)(b-a) f ( b ) − f ( a ) = f ′ ( c ) ( b − a ) 。
從 f f f 減去割線 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 ) ,再應用 Rolle 定理即可。這一證明不假定 f ′ f' f ′ 連續。推論包括:導數在區間上為零則函數為常數;導數非負則函數不減;區間上 ∣ f ′ ∣ ≤ M |f'|\le M ∣ f ′ ∣ ≤ M 則其中各點滿足 ∣ f ( y ) − f ( x ) ∣ ≤ M ∣ y − x ∣ |f(y)-f(x)|\le M|y-x| ∣ f ( y ) − f ( x ) ∣ ≤ M ∣ y − x ∣ 。不能由一點的導數值推出整個區間上的導數界。
在 a a a 處的 n n n 階 Taylor 多項式為 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 ! ;若高階導數值為零,它的次數可以小於 n n n 。
定理:Taylor 積分餘項
設 n ≥ 0 n\ge0 n ≥ 0 ,f f f 在 a a a 與 x x x 之間的閉區間上具有直到 n + 1 n+1 n + 1 階的連續導數,則
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,若該區間上 ∣ f ( n + 1 ) ( t ) ∣ ≤ M |f^{(n+1)}(t)|\le M ∣ f ( n + 1 ) ( t ) ∣ ≤ M ,則 ∣ 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 )! 。
證明。 當 n = 0 n=0 n = 0 時,恆等式就是微積分基本定理 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 。當 n ≥ 1 n\ge1 n ≥ 1 時,對餘項分部積分,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 處的邊界項為零,在 a a a 處的貢獻為 − f ( n ) ( a ) ( x − a ) n / n ! -f^{(n)}(a)(x-a)^n/n! − f ( n ) ( a ) ( x − a ) n / n ! ;余下的積分是 ( n − 1 ) (n-1) ( n − 1 ) 階餘項。由歸納法得到恆等式。這裡使用有向積分,所以 x < a x<a x < a 時也成立。取絕對值,必要時反轉積分上下限,再積分 ∣ x − t ∣ n |x-t|^n ∣ x − t ∣ n ,即得所述界。最高階導數連續保證各次分部積分及估計有效。
此定理給出充分的正則性條件,並非最弱假設。Taylor 級數要在固定的 x x x 處表示 f f f ,必須當 n → ∞ n\to\infty n → ∞ 時餘項趨於零。若不控制有限階誤差界對 n n n 的依賴,僅憑該界不能證明餘項趨零。
3. 重複方向求導與係數的完整計數
固定h h h ,在導數存在處定義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 ) 。這裏始終沿同一個固定方向重複求導,不是在變化方向下求導。
一階方向導數。 若q q q 在x x x 附近屬於C 1 C^1 C 1 ,把從x x x 至x + s h x+sh x + s h 的增量分為依次沿d d d 個座標的增量。當s s s 充分小時,所有這些短線段都在定義域內的某個球中。對每個h j ≠ 0 h_j\ne0 h j = 0 的座標,一元中值定理給出第j j j 段上的一點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 ) .
當s → 0 s\to0 s → 0 時,z j , s → x z_{j,s}\to x z j , s → x ;h j = 0 h_j=0 h j = 0 的座標沒有增量。除以s ≠ 0 s\ne0 s = 0 ,利用偏導數連續性,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 )
這個論證亦適用於負的s s s ,因為中值定理所用的是兩個座標端點之間的區間。
為甚麼混合偏導數可以交換。 對C 2 C^2 C 2 函數q q q ,固定不同座標i , j i,j i , j ,取充分小的正數u , v u,v u , v ,使以x x x 為頂點的相應座標矩形位於定義域內。其雙差分為
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 ) .
先對[ 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 ) 應用中值定理,再對∂ i q \partial_iq ∂ i q 沿第j j j 個座標的差應用中值定理,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 .
交換兩個座標的角色,則在同一矩形的另一個點上有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 ,由連續性得到∂ 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 ) 。對更高階導數,把這一結果應用於一對相鄰求導操作之前的內層導數,再對所得恆等式作剩餘的外層求導。所涉及的總階數都不超過m + 1 m+1 m + 1 。任何排列都可以透過有限次相鄰交換得到,因此,只要各座標的求導次數相同,所有求導次序的結果都相同。
斷言。 對每個0 ≤ k ≤ m + 1 0\le k\le m+1 0 ≤ k ≤ m + 1 及每個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 )
完整歸納證明。 當k = 0 k=0 k = 0 時,唯一的多重指標是0 0 0 ,右邊就是f ( x ) f(x) f ( x ) 。假設(2)對某個0 ≤ k ≤ m 0\le k\le m 0 ≤ k ≤ m 成立。這個有限和中的每個∂ α f \partial^\alpha f ∂ α f 都屬於C 1 C^1 C 1 。利用(1)、求導的線性性以及偏導數的可交換性,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 後,產生它的二元組恰好是( 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 ,沒有其他情況。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 )! .
未列入內層求和的座標滿足β j = 0 \beta_j=0 β j = 0 ,它們對座標總和的貢獻亦是零。因此得到的恰好是k + 1 k+1 k + 1 階的(2),歸納完成。從計數角度看,k ! / α ! k!/\alpha! k ! / α ! 是長度為k k k 、其中座標j j j 出現α j \alpha_j α j 次的有序座標選擇序列數;上面的遞推實際證明了這個計數,而非預先假定它。
現在令g ( t ) = f ( a + t h ) g(t)=f(a+th) g ( t ) = f ( a + t h ) 。在任意t t t 處對t t t 求導,就是在點a + t h a+th a + t h 沿方向h h h 對f f f 求導。從g ( 0 ) ( t ) = f ( a + t h ) g^{(0)}(t)=f(a+th) g ( 0 ) ( t ) = f ( a + t h ) 開始,依次使用這一事實,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 )
這些導數都在包含[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 的某個開區間上連續。
4. Taylor定理與兩種精確餘項
定理。 在第1節的假設下,
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 ,還存在一個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 )
積分形式的證明。 上面的一元定理可用於g g g 從0至1的區間。為把其歸納在當前座標中完整寫出,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 ) .
微積分基本定理給出I 0 = g ( 1 ) − g ( 0 ) I_0=g(1)-g(0) I 0 = g ( 1 ) − g ( 0 ) 。對1 ≤ r ≤ m 1\le r\le m 1 ≤ r ≤ m ,分部積分恰好給出
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 ! ,上述遞推便給出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 ! 。歸納得到直到r = m r=m r = m 的恆等式,並包括m = 0 m=0 m = 0 。現在由(3)在0處的公式,
∑ 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 階公式得到(4),因為( m + 1 ) ! / m ! = m + 1 (m+1)!/m!=m+1 ( m + 1 )! / m ! = m + 1 ,且求和為有限和。特別地,多項式的階數是m m m ,餘項中的導數階數是m + 1 m+1 m + 1 。
嚴格中間點形式的證明。 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 ! ,定義
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 .
於是H ( 1 ) = 0 H(1)=0 H ( 1 ) = 0 ,且對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 ) 滿足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 ] 上再次應用Rolle定理,得到c 2 ∈ ( 0 , c 1 ) c_2\in(0,c_1) c 2 ∈ ( 0 , c 1 ) 滿足H ′ ′ ( c 2 ) = 0 H''(c_2)=0 H ′′ ( c 2 ) = 0 。具體地,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 ,另一零點H ( r ) ( 0 ) = 0 H^{(r)}(0)=0 H ( r ) ( 0 ) = 0 就容許在[ 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 ) 滿足H ( r + 1 ) ( c r + 1 ) = 0 H^{(r+1)}(c_{r+1})=0 H ( r + 1 ) ( c r + 1 ) = 0 。應用m + 1 m+1 m + 1 次之後,θ = c m + 1 ∈ ( 0 , 1 ) \theta=c_{m+1}\in(0,1) θ = c m + 1 ∈ ( 0 , 1 ) 滿足
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 .
當m = 0 m=0 m = 0 時,第一次應用已經是最後一次。代入(3)便得到(5)。
(5)中每一項使用同一個θ \theta θ ,是因為只對一個標量線函數g g g 應用了一次一元結論。若分別對各個偏導數或不同的座標路徑應用中值論證,得到的點可能不同,不能悄然把它們替換成同一個點。這裏的共同點結論針對實標量函數,不是向量值函數各分量共用一點的結論。
若h = 0 h=0 h = 0 ,則g g g 為常函數,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。不要求在只有一個點的線段上尋找嚴格的幾何中間點。即使h ≠ 0 h\ne0 h = 0 ,線函數亦可能為常函數,Rolle證明仍然適用。當m = 0 m=0 m = 0 時,公式化為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 以及標量線段中值公式。
5. 誤差界與較弱的局部Taylor結論
若對所有∣ α ∣ = m + 1 |\alpha|=m+1 ∣ α ∣ = m + 1 及線段上的每個x x x 都有∣ ∂ α f ( x ) ∣ ≤ M |\partial^\alpha f(x)|\le M ∣ ∂ α f ( x ) ∣ ≤ M ,則由(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 )
這是因為∫ 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 ) ;將m + 1 m+1 m + 1 個∑ j ∣ h j ∣ \sum_j|h_j| ∑ j ∣ h j ∣ 相乘,再按有序座標選擇分類,所得係數正是(2)中已經證明的計數。只有a a a 處的導數界不能推出(6)。另一種情形是,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 ,則有∣ 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)的充分條件,並非所有局部Taylor近似都需要這一條件。若m ≥ 1 m\ge1 m ≥ 1 且f f f 僅在a a a 的某個鄰域上屬於C m C^m C m ,則
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 )
證明這一較弱結論不需要多加一階導數:對充分短的線段應用階數為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 ) 對應的積分等於D h m f ( a ) / m ! D_h^mf(a)/m! D h m f ( a ) / m ! ,由(2)恰為m m m 次齊次項。在被積函數內減去這個常量後,誤差的絕對值不超過
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.
這樣的α \alpha α 只有有限多個,而∥ t h ∥ ≤ ∥ h ∥ \|th\|\le\|h\| ∥ t h ∥ ≤ ∥ h ∥ ,所以在a a a 處的連續性同時控制整段上的所有點。Cauchy–Schwarz不等式給出∑ j ∣ h j ∣ ≤ d ∥ h ∥ \sum_j|h_j|\le\sqrt d\|h\| ∑ j ∣ h j ∣ ≤ d ∥ h ∥ ,從而證明(7)。當m = 0 m=0 m = 0 時,僅由連續性就有f ( a + h ) = f ( a ) + o ( 1 ) f(a+h)=f(a)+o(1) f ( a + h ) = f ( a ) + o ( 1 ) 。這些較弱結論既不聲稱具有m + 1 m+1 m + 1 階餘項,亦不聲稱函數等於某個無窮級數。
3 混合展開例題
令 f ( x , y ) = e x cos y f(x,y)=e^x\cos y f ( x , y ) = e x cos y 並在原點展開。取總次數至多為 3 的項:
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 .
一種求法是將 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 + ⋯ 與 1 − y 2 / 2 + ⋯ 1-y^2/2+\cdots 1 − y 2 /2 + ⋯ 相乘,保留總次數至多為 3 的項。導數檢驗給出 f x y y ( 0 , 0 ) = − 1 f_{xyy}(0,0)=-1 f x y y ( 0 , 0 ) = − 1 ,其系數為 − 1 / ( 1 ! 2 ! ) = − 1 / 2 -1/(1!2!)=-1/2 − 1/ ( 1 ! 2 !) = − 1/2 。
為了得到具體餘項界,限制到 ( t x , t y ) (tx,ty) ( t x , t y ) 。四階導數是帶二項式權重的各項之和,當 0 ≤ t ≤ 1 0\le t\le1 0 ≤ t ≤ 1 時,其絕對值以 e ∣ x ∣ ( ∣ x ∣ + ∣ y ∣ ) 4 e^{|x|}(|x|+|y|)^4 e ∣ x ∣ ( ∣ x ∣ + ∣ y ∣ ) 4 為界。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 .
此界刻意求簡單而非尖銳。它適用於坐標同時變化,並顯示四階誤差的量級。
4 解析性的充分判據
導數增長判據。 設 n ≥ 1 n\ge1 n ≥ 1 、r 0 , C , R > 0 r_0,C,R>0 r 0 , C , R > 0 ,實標量函數 f ∈ C ∞ ( B ( a , r 0 ) ) f\in C^\infty(B(a,r_0)) f ∈ C ∞ ( B ( a , r 0 )) 。對 j = 0 j=0 j = 0 ,約定 ∥ D 0 f ( x ) ∥ = ∣ f ( x ) ∣ \|D^0f(x)\|=|f(x)| ∥ D 0 f ( x ) ∥ = ∣ f ( x ) ∣ 。假設每個整數 j ≥ 0 j\ge0 j ≥ 0 和同一個球內的每個 x x x 均滿足 ∥ D j f ( x ) ∥ ≤ C j ! R − j \|D^jf(x)\|\le Cj!R^{-j} ∥ D j f ( x ) ∥ ≤ C j ! R − j 。則當 ∥ h ∥ < min ( r 0 , R ) \|h\|<\min(r_0,R) ∥ h ∥ < min ( r 0 , R ) 時,
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 ] .
證明與精確的收斂區域。 閉線段位於球內。k 次積分餘項的界為 C ( ∥ h ∥ / R ) k + 1 C(\|h\|/R)^{k+1} C ( ∥ h ∥/ R ) k + 1 ,趨於零。每個齊次項的絕對值至多為 C ( ∥ h ∥ / R ) j C(\|h\|/R)^j C ( ∥ h ∥/ R ) j 。對每個 0 < ρ < min ( r 0 , R ) 0<\rho<\min(r_0,R) 0 < ρ < min ( r 0 , R ) ,這些估計在 ∥ h ∥ ≤ ρ \|h\|\le\rho ∥ h ∥ ≤ ρ 上一致成立;幾何優級數證明齊次項級數在那裏絕對且一致收斂。
這尚未說明所有單個單項式的絕對值之和在同一個歐氏球範圍內收斂。把坐標基向量代入 D j f ( a ) D^jf(a) D j f ( a ) ,對 ∣ 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 。由多項式定理,明確有
∑ ∣ 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 .
因此未分組的多重指標級數至少在 ∥ h ∥ < r 0 \|h\|<r_0 ∥ h ∥ < r 0 、∑ i ∣ h i ∣ < R \sum_i|h_i|<R ∑ i ∣ h i ∣ < R 時絕對收斂。把每次有限個同次單項式分組,就恢復已證明的齊次展開等式。要給出實際鄰域,可選 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 ) 。在閉立方體 ∣ h i ∣ ≤ r |h_i|\le r ∣ h i ∣ ≤ r 上,所有所需估計均有可求和的幾何優級數控制。於是得到局部收斂冪級數表示,證明 f f f 在 a a a 處實解析,同時沒有混淆兩個收斂區域。
僅在 a a a 處的導數界不能代替鄰域界。冪級數章節的平坦函數在零處各階導數均為零,卻在其他點為正。將它與第一坐標複合,在任意有限維空間中都有同樣的障礙;下文的一元零延拓證明提供其光滑性的實際依據。
以下逆向結論中,取正整數 n n n 、中心 a ∈ R n a\in\mathbb R^n a ∈ R n 、s > 0 s>0 s > 0 及實係數 c α c_\alpha c α 。在所述有限絕對係數界下,於 ∣ h i ∣ < s |h_i|<s ∣ h i ∣ < s 定義 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 。這定義了待證明正則性的函數,並未預先假設它為 C ∞ C^\infty C ∞ 。
逆向結論:絕對係數控制允許逐項求導。 假設存在 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 ∣ < ∞.
把這個絕對和解釋為有限子和的上確界,或按總次數遞增枚舉多重指標。對每個閉立方體 ∣ h i ∣ ≤ r < s |h_i|\le r<s ∣ h i ∣ ≤ r < s ,M 判別法保證原級數一致收斂。對一個偏導數及 m = ∣ α ∣ ≥ 1 m=|\alpha|\ge1 m = ∣ α ∣ ≥ 1 ,若 α j = 0 \alpha_j=0 α j = 0 ,該項為零;否則,對 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 .
當 q = r / s < 1 q=r/s<1 q = r / s < 1 時,m q m − 1 m q^{m-1} m q m − 1 一致有界,例如可用收斂標量級數 ∑ 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。因此求導後的項具有可求和的係數優級數,在該立方體上一致收斂。
為甚麼這種收斂確實給出導數?令 P N P_N P N 為總次數至多 N N N 的單項式有限和。固定第 j 個坐標以外的所有坐標,讓該坐標在 [ − r , r ] [-r,r] [ − r , r ] 中變化。P N P_N P N 和 ∂ j P N \partial_jP_N ∂ j P N 均一致收斂,在該坐標為零處的值也收斂。一元一致導數定理證明極限具有這個偏導數。導數多項式的一致極限在整個立方體上連續。對每個坐標這樣做,再用連續偏導數的可微判據,得到內部的 C1 正則性。
對給定的更高求導階數 ℓ \ell ℓ ,下降階乘係數至多為 m ℓ m^\ell m ℓ ;在 ∣ h i ∣ ≤ r |h_i|\le r ∣ h i ∣ ≤ r 上,各項以 ∣ 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 為界,相關指數不足時則該項為零。這個多項式乘幾何因子一致有界;在嚴格介於 r r r 和 s s s 之間的嵌套立方體上逐次使用同一論證,得到各階導數存在且連續。在 h = 0 h=0 h = 0 處代入,只剩匹配的單項式,因此 ∂ α f ( a ) = α ! c α \partial^\alpha f(a)=\alpha!c_\alpha ∂ α f ( a ) = α ! c α 。這裏實際證明了逐項求導規則,而非從形式記號直接假定它。
定義
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.
下面給出光滑但不解析的完整論證。對 x ≠ 0 x\ne0 x = 0 ,令 t = 1 / x t=1/x t = 1/ x ,並遞歸定義多項式
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 ,乘積和鏈式法則說明 P j ( 1 / x ) e − 1 / x 2 P_j(1/x)e^{-1/x^2} P j ( 1/ x ) e − 1/ x 2 的導數是 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 。為控制原點,對任意固定冪 p ≥ 0 p\ge0 p ≥ 0 和整數 N > p N>p N > p ,非負項指數級數給出 u > 0 u>0 u > 0 時 e u ≥ u N / N ! e^u\ge u^N/N! e u ≥ u N / N ! ,所以當 u → ∞ u\to\infty u → ∞ 時,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 的多項式乘 e − 1 / x 2 e^{-1/x^2} e − 1/ x 2 均趨零,再多乘一個 1 / x 1/x 1/ x 仍然如此。
對非零 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 ,並令 g j ( 0 ) = 0 g_j(0)=0 g j ( 0 ) = 0 。每個 g j g_j g j 在零處連續,且該處差商為
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.
在零點以外,其導數是 g j + 1 g_{j+1} g j + 1 ;在零點,剛證明的差商給出同一導數值 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 開始歸納,得到 f ∈ C ∞ ( R ) f\in C^\infty(\mathbb R) f ∈ C ∞ ( R ) ,且每個 j j j 都有 f ( j ) ( 0 ) = 0 f^{(j)}(0)=0 f ( j ) ( 0 ) = 0 。全部 Taylor 係數為零,但每個非零 x x x 處 f ( x ) > 0 f(x)>0 f ( x ) > 0 ,所以不可能在任何鄰域由零 Taylor 級數表示。這裏使用的指數恆等式和正項級數界,在初等函數章節中獨立於本反例構造。
練習與完整解答
E1 基礎。 求 log ( 1 + x + y ) \log(1+x+y) log ( 1 + x + y ) 在零處總次數為 2 的泰勒多項式,並指出對數有定義的鄰域。
S1. 令 u = x + y u=x+y u = x + y 。多項式為 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 。函數在 1 + x + y > 0 1+x+y>0 1 + x + y > 0 的地方有定義;例如 ∣ x ∣ + ∣ y ∣ < 1 |x|+|y|<1 ∣ x ∣ + ∣ y ∣ < 1 是合適鄰域。由於 ∣ u ∣ < 1 |u|<1 ∣ u ∣ < 1 ,級數本身也在那裡收斂。
E2 混合項。 展開 ( x + 2 y ) 3 (x+2y)^3 ( x + 2 y ) 3 ,並用三次泰勒公式的多重指標規則表示系數。
S2. 展開為 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 。零處相應三階導數為 6、12、24、48,分別除以 3 ! 3! 3 ! 、2 ! 1 ! 2!1! 2 ! 1 ! 、1 ! 2 ! 1!2! 1 ! 2 ! 、3 ! 3! 3 ! ,得到系數 1、6、12、8。
E3 餘項。 若從 a a a 到 a + h a+h a + h 的線段上 ∥ D 3 f ∥ ≤ 12 \|D^3f\|\le12 ∥ D 3 f ∥ ≤ 12 ,當 ∥ h ∥ = 0.1 \|h\|=0.1 ∥ h ∥ = 0.1 時估計二次泰勒多項式的誤差。
S3. 界為 12 ( 0.1 ) 3 / 3 ! = 0.002 12(0.1)^3/3!=0.002 12 ( 0.1 ) 3 /3 ! = 0.002 。僅在 a a a 點有界不足以支持同一結論。
E4 解析性。 解釋為甚麼 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 時為零,雖然所有混合導數都存在且連續,卻在 ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 處不解析。
S4. 含 y y y 的導數均為零;由指數衰減論證,x x x 方向導數以零連續延拓。因此 ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 處所有泰勒系數均為零。但任意接近的 x ≠ 0 x\ne0 x = 0 點處函數值為正,故泰勒級數不能在任何鄰域等於該函數。若存在解析表示,將它限制到 y = 0 y=0 y = 0 也會在一元情形得到同樣的矛盾。
總結
多重線性導數組織同時發生的方向變化,多重指標正確計算混合項。積分型泰勒餘項提供小 o 及定量界。解析性需要無窮階的鄰域控制或收斂級數論證,而非僅在一點存在各階導數。