三次方根：从一至八百万 第51章 lg（以10为底）的泰勒展开式

一、对数函数与泰勒展开式基础

1.1 对数函数lg(x)的定义与性质以10为底的对数函数lg(x)，是指数函数的反函数。若，则x叫做以10为底N的对数，记作。其定义域为(0,正无穷)，因为的值域是(0,正无穷)，作为反函数，lg(x)的定义域便是所有正数。值域是(负无穷,正无穷)，这是由于x可以取任意实数，而总能对应一个正数N，使得。lg(x)具有对数函数的基本性质，如，，且当x＞1时，lg(x)＞0；当0＜x＜1时，lg(x)＜0。

1.2 泰勒展开式的原理与意义泰勒展开式的原理是将一个在某点处具有任意阶导数的函数，用该点处的各阶导数值构造一个多项式函数来无限逼近原函数。具体来说，对于函数，若其在处可导，则在附近的泰勒展开式为。它在函数近似中作用显着，可通过有限项多项式近似复杂函数，便于计算。在理论分析中，能揭示函数在某点附近的性态，如极值、凹凸性等，是数学分析和工程计算的重要工具。

二、lg(x)函数在特定点的泰勒展开式推导

2.1 计算lg(x)函数各阶导数要计算lg(x)函数在特定点的各阶导数，首先明确。对于，其一阶导数为，二阶导数为，三阶导数为，以此类推，其阶导数为。由于是常数，lg(x)的各阶导数即为各阶导数除以。在处，的一阶导数为，二阶导数为，三阶导数为，依此类推，阶导数为。这些导数值将为后续的泰勒展开式推导提供必要的基础。

2.2 推导x=1处lg(x)的泰勒展开式在处推导lg(x)的泰勒展开式，依据泰勒公式。已知，即。由2.1节可知，在处的一阶导数为，二阶导数为，三阶导数为，阶导数为。将这些导数值代入泰勒公式，得。整理化简后，即为在处的泰勒展开式。

2.3 推导x=10处lg(x)的泰勒展开式在处推导lg(x)的泰勒展开式，同样利用泰勒公式。设，则，于是。对求导，其一阶导数为，二阶导数为，三阶导数为，以此类推，阶导数为。在处，即处，各阶导数的值为、、、、。将这些值代入泰勒公式，得到。

三、lg(x)泰勒展开式的收敛性分析

3.1 确定泰勒展开式的收敛半径确定lg(x)泰勒展开式的收敛半径，可利用比值判别法。考察lg(x)泰勒展开式的相邻两项之比，其中为展开式的第项系数。若，当时，级数收敛；当时，级数发散；当时，无法确定，需用其他方法判别。对于lg(x)在处的展开式，其系数，计算可得，此时需借助其他判别方法来确定其收敛半径。

3.2 分析展开式的收敛区间对于lg(x)在处的泰勒展开式，由于无法确定收敛区间，需考察级数的绝对收敛与条件收敛。当时，级数各项的绝对值单调递增，且当时，各项的绝对值不趋于0，故此时级数发散。当时，级数各项的绝对值单调递减，且各项的绝对值趋于0，满足交错级数收敛的莱布尼茨判别法，故此时级数绝对收敛。所以，lg(x)在处的泰勒展开式的收敛区间为(负无穷，1)。而在处的展开式，由于类似分析可得收敛区间为(9，11)。

3.3 判断收敛区间外的有效性及误差在收敛区间外，lg(x)的泰勒展开式是无效的。因为当不在收敛区间内时，展开式作为无穷级数将发散，无法收敛到lg(x)的真实值。若要用展开式近似计算，此时误差会非常大，且无法通过增加展开项数来减小误差。要判断误差，可利用泰勒展开式的余项。若展开到阶，则余项表示展开式与真实值之间的差，其大小反映了误差的大小，可根据具体问题估计的取值范围。

四、lg(x)泰勒展开式的应用

4.1 在数值计算中近似计算对数值在数值计算中，利用lg(x)的泰勒展开式可近似计算对数值。以计算lg(2)为例，由lg(x)在x=1处的泰勒展开式，将x=2代入，取前几项可得，与实际值0.3010基本吻合，误差在可接受范围内。

4.2 在计算机中快速计算lg(x)在计算机领域，为快速计算lg(x)，常利用泰勒展开式。计算机先将输入x进行预处理，如将其转换为适合展开的区间内的数，再利用lg(x)的泰勒展开式进行计算。通过选取合适项数，在保证精度的同时提高计算速度，且展开式多项式形式便于计算机用基本的加减乘除运算实现。

4.3 在数值积分和微分方程求解中的应用在数值积分中，泰勒展开式可用于将复杂被积函数近似为多项式，使积分计算简化。如计算，可将lg(x)展开为泰勒级数，再逐项积分。在微分方程求解中，对于含lg(x)的微分方程，可利用泰勒展开式将lg(x)近似为多项式，简化方程形式，便于用常规方法求解，如欧拉法、改进欧拉法等，使求解过程更高效。

4.4 与其他数值方法的比较优势相较于其他数值方法，泰勒展开式优势明显。与插值法相比，泰勒展开式在整个展开区间内都有较好近似效果，而插值法在插值点附近精度高，远离插值点精度下降。与数值积分的梯形公式、辛普森公式等相比，在处理复杂函数时。

泰勒展开式是一种将函数表示为无穷级数的方法，它将，大大简化了，计算过程。

具体来说，泰勒展开式，通过将函数在某一点展开，成幂级数的形式，使得我们，可以用多项式来近似表示该函数。