偶函数在零点的泰勒展开式相关知识点

 

步骤1: 理解偶函数的定义

• 偶函数是指满足 f(x)=f(−x)f(x) = f(-x)f(x)=f(−x) 的函数。这意味着偶函数关于 yyy 轴对称。

步骤2: 理解泰勒展开

• 泰勒展开是一种将函数表示为无穷级数的方法，它在函数在某一点的所有导数都存在的情况下非常有效。对于函数 f(x)f(x)f(x) 在零点的泰勒展开式，可以表示为：

f(x)=f(0)+f′(0)1!x+f′′(0)2!x2+f′′′(0)3!x3+⋯f(x) = f(0) + \frac{f'(0)}{1!} x + \frac{f''(0)}{2!} x^2 + \frac{f'''(0)}{3!} x^3 + \cdotsf(x)=f(0)+1!f′(0)​x+2!f′′(0)​x2+3!f′′′(0)​x3+⋯

步骤3: 考虑偶函数的泰勒展开式

• 对于偶函数，由于 f(x)=f(−x)f(x) = f(-x)f(x)=f(−x)，可以推导出其所有奇数阶导数在零点处均为零，即 f′(0)=f′′′(0)=f(2n+1)(0)=0f'(0) = f'''(0) = f^{(2n+1)}(0) = 0f′(0)=f′′′(0)=f(2n+1)(0)=0。

步骤4: 写出偶函数在零点的泰勒展开式

• 因为所有奇数阶导数在零点处为零，所以偶函数在零点的泰勒展开式只包含偶数项：

f(x)=f(0)+f′′(0)2!x2+f(4)(0)4!x4+⋯f(x) = f(0) + \frac{f''(0)}{2!} x^2 + \frac{f^{(4)}(0)}{4!} x^4 + \cdotsf(x)=f(0)+2!f′′(0)​x2+4!f(4)(0)​x4+⋯

最终答案 偶函数在零点的泰勒展开式是：

f(x)=f(0)+f′′(0)2!x2+f(4)(0)4!x4+⋯f(x) = f(0) + \frac{f''(0)}{2!} x^2 + \frac{f^{(4)}(0)}{4!} x^4 + \cdotsf(x)=f(0)+2!f′′(0)​x2+4!f(4)(0)​x4+⋯

关键概念 偶函数的泰勒展开。

关键概念解释 泰勒展开是一种将函数表示为多项式的技术。对于偶函数，由于其关于 yyy 轴对称，其奇数阶导数在零点处均为零。因此，偶函数的泰勒展开式只包含偶数项。这种特性使得偶函数的泰勒展开比一般函数的泰勒展开更为简洁。

为什么其所有奇数阶导数在零点处均为零

步骤1: 理解偶函数的对称性

• 偶函数满足 f(x)=f(−x)f(x) = f(-x)f(x)=f(−x)。这意味着偶函数关于 yyy 轴对称。

步骤2: 偶函数的导数性质

• 我们通过对偶函数的对称性进行推导，来说明其奇数阶导数在零点处为零。

步骤3: 考虑一阶导数 f′(x)f'(x)f′(x) 的对称性

• 假设 f(x)f(x)f(x) 是偶函数，那么 f(−x)=f(x)f(-x) = f(x)f(−x)=f(x)。对这个等式两边关于 xxx 求导：

ddx[f(−x)]=ddx[f(x)]\frac{d}{dx} [f(-x)] = \frac{d}{dx} [f(x)]dxd​[f(−x)]=dxd​[f(x)]

步骤4: 利用链式法则求导

• 右边是 f′(x)f'(x)f′(x)，左边根据链式法则是 −f′(−x)-f'(-x)−f′(−x)，因为导数涉及到负号：

−f′(−x)=f′(x)-f'(-x) = f'(x)−f′(−x)=f′(x)

• 这意味着 f′(x)f'(x)f′(x) 是奇函数，即 f′(−x)=−f′(x)f'(-x) = -f'(x)f′(−x)=−f′(x)。特别地，当 x=0x = 0x=0 时：

f′(0)=−f′(0)f'(0) = -f'(0)f′(0)=−f′(0)

• 这只能说明 f′(0)=0f'(0) = 0f′(0)=0。

步骤5: 推广到高阶导数

• 偶函数的二阶导数是偶函数，三阶导数是奇函数，四阶导数是偶函数，依此类推。继续推导高阶导数：

对于 f(n)(x)f^{(n)}(x)f(n)(x)：

• 如果 nnn 为奇数，f(n)(x)f^{(n)}(x)f(n)(x) 是奇函数，即 f(n)(−x)=−f(n)(x)f^{(n)}(-x) = -f^{(n)}(x)f(n)(−x)=−f(n)(x)，因此 f(n)(0)=0f^{(n)}(0) = 0f(n)(0)=0。

• 如果 nnn 为偶数，f(n)(x)f^{(n)}(x)f(n)(x) 是偶函数，即 f(n)(−x)=f(n)(x)f^{(n)}(-x) = f^{(n)}(x)f(n)(−x)=f(n)(x)，这不影响其在零点的值。

最终答案 所有奇数阶导数在零点处均为零是因为偶函数的对称性导致其奇数阶导数为奇函数，而奇函数在零点的值为零。