テイラーの定理 (入門版―ラグランジュの剰余項) 

関数f(x)閉区間[a,b]でnまで連続導関数をもち、開区間(a,b)(n+1)階微分可能とする。
f(b)=f(a)+f ' (a) (b−a) + f '' (a) (b−a)2/(2! )+…+ f (n) (a) (b−a)n/ (n! ) + Rn+1 テイラーの定理 とおくと、
 ・Rn+1=f (n+1) (c) (ba)n+1 / ( (n+1)! ) を満たすcが、開区間a, b)内に存在する、(つまり、Rn+1=f (n+1) (c) (ba)n+1 / ( (n+1)! ) かつa<c<bを満たすcが存在する)
 ・ないしは、ca+θ( b−a )と書いて、( a<c<b0<θ<1だから )
  Rn+1=f (n+1) ( a +θ( b−a ) ) (b−a)n+1 /(n+1)! を満たすθが開区間(0,1)内に存在する。(つまり、Rn+1=f (n+1) ( a +θ( b−a ) ) (b−a)n+1 /(n+1)! かつ 0<θ<1を満たすθが存在する)
・この Rn+1ラグランジュの剰余項 Lagrange form of the remainderと呼ぶ。

※以下のように書いても全く同じ。
 f(b)=f(a)+f ' (a) (b−a)+f '' (a) (b−a)2/ (2! )+…+f (n-1) (a) (b−a)n-1/(n-1)!Rnテイラーの定理とおくと、
  ・Rn= f (n) (c) (b−a)n /(n! )を満たすcが、開区間a, b)内に存在する。(つまり、「Rn= f (n) (c) (b−a)n /(n! ) かつ a<c<b」を満たすcが存在する)
  ・ないしは、ca +θ( b−a )と書いて(a<c<b 0<θ<1 だから)
   Rn= f (n) ( a +θ( b−a )) (b−a)n /(n! ) を満たすθが開区間(0,1)内に存在する。 (つまり、Rn= f (n) ( a +θ( b−a ) ) (b−a)n /(n! ) かつ 0<θ<1を満たすcが存在する)
 ※ f(n) の意味、 nの意味、Σの意味、 

【解釈】  
  開区間a, b)内のどこかに存在するcを用いると、f(b)をこのように「(n項までの級数)+(cを用いた剰余項)」で表せる! というのが、メインメッセージ。


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(証明1) 

[参照:和達『微分積分』pp.64-65.]  
  [関数g(x)の設定]     
    以下のように、関数 g (x)を、 
      ロールの定理が適用可能となるように、  
      すなわち、閉区間[a,b]で連続開区間(a,b)で微分可能g(a)=g(b)となるように、  
    つくる。 
    Kを定数として、   
      g (x)=−f (b)f (x)f ' (x) (bx) + f '' ( x ) (b−x)2/ (2! )+…+ f (n) ( x ) (b−x )n/ (n! )+ K(b−x )n+1 
    とする。ここで、
       
    とする。  
  [ロールの定理の適用]     
    g (b)=−f (b)f (b)f ' (b)・0 + f '' ( b )2/ (2! )+… + f (n) ( b )n/(n! ) + K・0n+1 =0
    g (a)=−f (b)f (a)f ' (a) (b−a) + f '' ( a ) (b−a)2/ (2! )+…+ f (n) ( a ) (b−a )n/ (n! ) + K(b−a)n+1=0 (∵Kを代入せよ)
    より、確かに、g(a)= g(b)となる。
    ロールの定理から、

       g'(c) = 0 をみたすcが、開区間a,b)内に少なくとも一つ存在する、 …(1)  
    との結論を得る。  

  [g(x)導関数]    
  ところで、 
  g (x)=−f (b)f (x)f ' (x) (b−x) + f '' (x) (b−x)2/ (2! )+…+ f (n) ( x ) (bx )n/ (n! ) + K(bx )n+1 
  の導関数は、
  g' (x)f ' (x) f ' (x) (b−x) + (1/2! ) f '' ( x ) (b−x)2 +…+(1/n! ) f (n) ( x ) (b−x )n K (b−x )n+1   ∵和の微分定数倍の微分
    =f ' (x)+{ f '' ( x ) (bx) + f ' (x) (b−x) } + (1/2! ){ f ''' ( x ) (b−x )2f '' ( x ) ( (b−x)2 )}+……+(1/n! ) f (n+1) ( x ) (b−x)nf (n) ( x ) ( (b−x )n) K (b−x)n+1   ∵積の微分 
    = f ' (x) + { f '' ( x ) (b−x) + f ' (x) (−1) }+ (1/2! ){ f ''' ( x ) (b−x ) 2f '' ( x ) ( −2(b−x))}+…+(1/n! ) {f (n+1) ( x ) (b−x )nf (n) ( x ) (−n (b−x )) n−1}+K{−(n+1) (b−x )n}   ∵合成関数の微分
    =f ' (x)+{ f '' ( x ) (b−x) −f ' (x) }+{ f ''' ( x ) (b−x ) 2/ (2! )−f '' ( x ) (b−x) }+……+{ f (n+1) ( x ) (b−x)n/ (n! )−f (n) ( x ) (b−x ) n−1/ ( (n-1)! )}−(n+1)K (b−x )n 
    =f ' (x)+{ −f ' (x)f '' (x) (b−x) }+{−f '' (x) (b−x) + f ''' (x) (b−x) 2/ (2! )}+……+{−f (n) (x) (b−x) n−1/ ((n-1)!) + f (n+1) (x) (b−x)n/ (n! )}− (n+1)K (b−x )n 
    = f (n+1) (x) (b−x)n/(n! )− (n+1)K (b−x)n  
  (1)より、 
  g'(c)= f (n+1) (c) (b−c )n / (n! )− (n+1)K(b−c ) n =0   …※ 
  をみたすcが、開区間a,b)内に少なくとも一つ存在する。
  ※はすなわち
    (n+1)K(b−c)n = f (n+1) (c) (b−c )n/ (n! ) 
    K = f (n+1) (c) (b−c)n / (n! (n+1) (b−c )n )
    K = f (n+1) ( c ) / ((n+1) ! )   …(2) 
    ゆえに、(2)をみたすcが、開区間a, b)内に少なくとも一つ存在する、ということになる。
    g (a)=−f (b)f (a)f ' (a) (b−a) + f '' (a) (b−a)2/ (2! ) + … + f (n) ( a ) (b−a )n/ (n! ) + K(b−a )n+1=0
    のKに(2)を代入して、
    −f (b)f (a)f ' (a) (b−a) + f '' (a) (b−a)2/ (2! )+…+ f (n) (a) (b−a )n/ (n! ) + f (n+1) (c) (b−a )n+1/ ((n +1) ! )=0 
    f (b)=f (a)f ' (a) (b−a) + f '' (a) (b−a)2/ (2! )+…+ f (n) (a) (b−a)n/ (n! ) + f (n+1) (c) (b−a )n+1/ ((n+1) ! ) 
    よって、これを満たすcが、開区間a, b)内に少なくとも一つ存在する、ということになる。


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 (証明2)

 [参照:吹田・新保『理工系の…』p.46.] 
  関数f(x) 閉区間[a,b]nまで連続導関数をもち、開区間(a,b)(n1)階微分可能とする。
  未知の定数
Rn+1を用いて、
  
f(b)=f(a)+f ' (a) (ba)f '' (a) (ba)2/ (2! )+…+f (n) (a) (ba)n/ (n! )Rn+1 
        
(1)
  とおく。
  (つまり、
(1)が必ず成り立つように、未知の定数Rn+1を決めると考えればよい)
  以下、この未知の定数
Rn+1を求める。
  [関数g(x)の設定] 
    以下のように、関数
g(x)を、
      
ロールの定理が適用可能となるように、
      すなわち、
閉区間[a,b]連続開区間 (a,b)微分可能g(a)= g(b)となるように、
    つくる。 
    
Rn+1を定数として、 
      
g (x)= f (x) f ' (x) (bx)f '' ( x ) (bx)2/ (2! )+…+f (n) ( x ) (bx )n/ (n! )Rn+1 { (bx )n+1 / (ba )n+1} 
    とする。 (
(1)の右辺との違いはRn+1の係数だけ) 
  [ロールの定理の適用] 
      
g (b)= f (b) f ' ( b ) (bb)f '' ( b ) (bb)2/ (2! )+…+f (n) ( b ) (bb )n/ (n! )Rn+1 { (b b )n+1 / (ba )n+1} 
        
= f (b) f ' ( b )0+f '' ( b )2/ (2! )+…+f (n) ( b )n/ (n! )Rn+1 { n+1 / (ba )n+1} 
        
= f (b)+0+0+…+0+0 
        
= f (b) 
      
g (a)= f (a) f ' (a) (ba)f '' ( a ) (ba)2/ (2! )+…+f (n) ( a ) (ba )n/ (n! )Rn+1 { (ba )n+1 / (ba )n+1} 
        
= f (a) f ' (a) (ba)f '' ( a ) (ba)2/ (2! )+…+f (n) ( a ) (ba )n/ (n! )Rn+1  (これは(1)の右辺)
        
= f (b) ∵(1)
   より、確かに、g(a)= g(b) = f(b)となる。 
    
ロールの定理から、
       
g' ( c ) =0 をみたすcが、開区間a, b)内に少なくとも一つ存在する、 (2)  
    との結論を得る。  

  [g(x)の導関数]
    g' (x)f ' (x) f ' (x) (bx) (1/2! ) f '' ( x ) (bx)2 +…+(1/n! ) f (n) ( x ) (bx )n +{ Rn+1 / (ba )n+1} (bx )n+1  
            ∵和の微分定数倍の微分 
      =
f ' (x)+{ f '' ( x ) (bx) f ' (x) (bx) }+ (1/2! ) f ''' ( x ) (bx ) 2f '' ( x ) ( (bx) 2)}+…
                …+
(1/n! ) f (n+1) ( x ) (bx )n f (n) ( x ) ( (bx )n) +{ Rn+1 / (ba )n+1} (bx )n+1   ∵積の微分
      =
f ' (x)+{ f '' ( x ) (bx) f ' (x) (−1) }+ (1/2! ) f ''' ( x ) (bx ) 2f '' ( x ) ( 2(bx))}+…
          …+
(1/n! ) f (n+1) ( x ) (bx )n f (n) ( x ) (n (bx )) n1}+{ Rn+1 / (ba )n+1}{(n+1) (bx )n ∵合成関数の微分
      =
f ' (x)+{ f '' ( x ) (bx) f ' (x) }+{ (1/2! ) f ''' ( x ) (bx ) 2(2/2! )f '' ( x ) (bx) }+…
          …+{
(1/n! )f (n+1) ( x ) (bx )n (n /n! )f (n) ( x ) (bx ) n1}−Rn+1{(n+1) (bx )n / (ba )n+1} 
      =
f ' (x)+{ f '' ( x ) (bx) f ' (x) }+{ f ''' ( x ) (bx ) 2/ (2!)f '' ( x ) (bx) }+…
          …+{
f (n+1) ( x ) (bx )n/ (n! )f (n) ( x ) (bx ) n1/( (n-1)!) }−Rn+1{(n+1) (bx )n / (ba )n+1} 
      =
f ' (x)+{ f ' (x) f '' ( x ) (bx)}+{−f '' ( x ) (bx) f ''' ( x ) (bx ) 2/ (2! ) }+…
          …+{−
f (n) ( x ) (bx ) n1/ ( (n-1)! ) f (n+1) ( x ) (bx )n/ (n! )}−Rn+1{(n+1) (bx )n / (ba )n+1} 
      
= f (n+1) ( x ) (bx )n/ (n! )Rn+1{(n+1) (bx )n / (ba )n+1} 
   
(2)より、
    
g' ( c ) = f (n+1) ( c ) (b c )n/ (n!)Rn+1{(n+1) (b c )n / (ba )n+1}=0 () 

   をみたすcが、開区間a, b)内に少なくとも一つ存在する。

   ()はすなわち、
       
Rn+1{(n+1) (b c )n / (ba )n+1}=f (n+1) ( c ) (b c )n/ (n!) 
       
Rn+1f (n+1) ( c ) (b c )n(ba )n+1/ (n!(n+1) (b c )n) 
       
Rn+1f (n+1) ( c ) (ba )n+1/ ( (n+1) ! ) (3) 
   ゆえに、
(3)をみたすcが、開区間a, b)内に少なくとも一つ存在する、ということになる。 


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