n変数関数のテイラーの定理 ― トピック一覧   [数学についてのwebノート]

定理:1階のテイラーの定理/2階のテイラーの定理・一次の近似多項式/3階のテイラーの定理・二次の近似多項式/m階のテイラーの定理(一般形) 
定理:n変数関数の2次テイラー展開・2次多項式近似の剰余項の評価/n変数関数のm次テイラー展開・m次多項式近似の剰余項の評価 


テイラーの定理関連ページ:1変数関数のテイラーの定理/テイラー展開・マクローリン展開/2変数関数のテイラーの定理     
総目次



定理:n変数関数の1階のテイラーの定理(平均値の定理)


[文献]
・神谷浦井『経済学のための数学入門6.3.4定理6.3.4(p.232).1次の項・二次の項までの展開
※対照せよ→2変数関数の平均値の定理(1階のテイラーの定理)  
行列・ベクトル・Σを用いない表現
設定
n変数実数値関数y=f (x1,x2,…,xn)C1とする。
本題
 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)

を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *


を、剰余項と呼ぶ。

Σの表現
設定 n変数実数値関数y=f (x1,x2,…,xn)C1とする。
本題  f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)
を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *



を、剰余項と呼ぶ。


ベクトル表現
設定
x,a,h:n次元数ベクトル
     つまり、x(x1, x2, x3, …, xn)  
         a(a1, a2, a3, …, an)    
         h(h1, h2, h3, …, hn) 
f : n変数実数値関数
 つまり、f :RnDR 
n変数実数値関数y=f (x)C1とする。
grad f () : 〜におけるf勾配ベクトル 

本題
(表現1)
 f (a+h)= f (a) + grad f (a+θh) h 
を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *

grad f (a+θh) h
を、剰余項と呼ぶ。

(表現2)
 f (x)= f (a) + grad f (a+θ(x-a)) (x-a) 
を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *

grad f (a+θ(x-a)) (x-a) を、剰余項と呼ぶ。



→[トピック一覧:多変数関数のテイラーの定理]
総目次



定理:n変数関数の2階のテイラーの定理・一次の近似多項式


→[行列・ベクトル・Σを使わない表現/Σの表現/ベクトル行列表現/2次形式] [文献]
・岡田『経済学・経営学のための数学』3.2定理3.2(
活用例:極値問題―2階十分条件  
※対照→2変数関数の2階のテイラーの定理・1次近似多項式 
行列・ベクトル・Σを用いない表現
設定
n変数実数値関数y=f (x1,x2,…,xn)C2とする。
本題

 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)
              +
                 
                  
 を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *

上記等式中の
   f (a1,a2,…,an)+
を、
「(a1,a2,…,an)におけるf1次の近似多項式
「(a1,a2,…,an)におけるf1次のテイラー多項式と呼ぶ。
また、
    
    
        
を、その剰余項と呼ぶ。

[→2階のテイラーの定理冒頭]
Σの表現 [文献]
・松坂『解析入門3』14.2-C-定理2(p.155):一般;14.3-C(pp.167-171):ヘッセ行列が定める二次形式を用いた表現。
・高橋『微分と積分2』定理4.7(p.97)。

・杉浦『解析入門』定理7.2(p.147):一般
・黒田『微分積分学8.6 (p.306):2次の項までのテイラー展開の表現。勾配ベクトル・ヘッセ行列が定める二次形式の活用。

・神谷浦井『経済学のための数学入門6.3.4定理6.3.4(p.232).1次の項・二次の項までの展開。括弧の前の上についている記号は、転置記号。
・岡田『経済学・経営学のための数学』3.2定理3.2(p.120)
設定
n変数実数値関数y=f (x1,x2,…,xn)C2とする。
本題
 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)
              +
                 
                  
 を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *

上記等式中の
   f (a1,a2,…,an)+
を、
「(a1,a2,…,an)におけるf1次の近似多項式
「(a1,a2,…,an)におけるf1次のテイラー多項式と呼ぶ。
また、
  
を、その剰余項と呼ぶ。

[→2階のテイラーの定理冒頭]
ベクトル・行列表現
設定
x,a,h :n次元数ベクトル(縦ベクトル)
     つまり、xt(x1, x2, x3, …, xn)  
         at(a1, a2, a3, …, an)    
         ht(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :RnDR 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)C2とする。
grad f () : 〜におけるf勾配ベクトル 
Hf()    :〜におけるfヘッセ行列
本題
 f (a+h)= f (a) + grad f (a) h + (1/2) th Hf(a+θh)h
を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *

上記等式中の
   f(a)+grad f (a)h
を、
「(a1,a2,…,an)におけるf1次の近似多項式
「(a1,a2,…,an)におけるf1次のテイラー多項式と呼ぶ。
また、
  (1/2) th Hf(a+θh)h
を、その剰余項と呼ぶ。


[→2階のテイラーの定理冒頭]
ベクトル・行列・2次形式を用いた表現
設定
x,a,h :n次元数ベクトル
     つまり、xt(x1, x2, x3, …, xn)  
         at(a1, a2, a3, …, an)    
         ht(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :RnDR 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)C2とする。
grad f () : 〜におけるf勾配ベクトル 
Hf()    :〜におけるfヘッセ行列
   
Hf() [h]   :「〜におけるfヘッセ行列によって定まる
                 ht(h1, h2, h3, …, hn)についての二次形式  
本題

 f (a+h)= f (a) + grad f (a) h + (1/2) Hf(a+θh) [h]  
を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *

上記等式中の
   f(a)+grad f (a)h
を、
「(a1,a2,…,an)におけるf1次の近似多項式
「(a1,a2,…,an)におけるf1次のテイラー多項式と呼ぶ。
また、
(1/2) Hf(a+θh) [h]  
を、その剰余項と呼ぶ。

[→2階のテイラーの定理冒頭]




→[トピック一覧:多変数関数のテイラーの定理]
総目次





定理:n変数関数の3階のテイラーの定理・2次近似多項式


→[行列・ベクトル・Σを使わない表現/Σの表現/ベクトル行列表現/2次形式]
 ※対照→2変数関数の3階のテイラーの定理・2次近似多項式
行列・ベクトル・Σを用いない表現
設定

n変数実数値関数y=f (x1,x2,…,xn)C3とする。
本題
 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)
                     +            
                        
                          
                       +
                          
                          :
                          
                          
                          
                          :
                          
                          
                          
                          :
                          
  を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *

上記等式中の
   f (a1,a2,…,an)
                     +            
                        
                          
を、「(a1,a2,…,an)におけるf2次の近似多項式」「(a1,a2,…,an)におけるf2次のテイラー多項式と呼ぶ。
また、
 
    
      :
     
   
    
     :
     
   
    
     :
     
を、その剰余項と呼ぶ。
[→3階のテイラー定理冒頭]
Σの表現
[文献]
・松坂『解析入門3』14.2-C-定理2(p.155):一般;14.3-C(pp.167-171):ヘッセ行列が定める二次形式を用いた表現。
・高橋『微分と積分2』定理4.7(p.97)。

・杉浦『解析入門』定理7.2(p.147):一般
・黒田『微分積分学8.6 (p.306):2次の項までのテイラー展開の表現。勾配ベクトル・ヘッセ行列が定める二次形式の活用。

神谷浦井『経済学のための数学入門6.3.4定理6.3.4(p.232).1次の項・二次の項までの展開。括弧の前の上についている記号は、転置記号。
岡田『経済学・経営学のための数学』3.2定理3.2(p.120)

設定
n変数実数値関数y=f (x1,x2,…,xn)C3とする。
本題  f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)
                     +
                      +
                  
 を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *

上記等式中の
   f (a1,a2,…,an)
を、「(a1,a2,…,an)におけるf2次の近似多項式」「(a1,a2,…,an)におけるf2次のテイラー多項式と呼ぶ。
また、

を、その剰余項と呼ぶ。
[→3階のテイラー定理冒頭]
ベクトル・行列表現
設定
x,a,h :n次元数ベクトル(縦ベクトル)
     つまり、xt(x1, x2, x3, …, xn)  
         at(a1, a2, a3, …, an)    
         ht(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :RnDR 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)C3とする。
grad f () : 〜におけるf勾配ベクトル 
Hf()    :〜におけるfヘッセ行列
本題  f (a+h)= f(a)+gradf(a)h+(1/2)th Hf(a)h +
を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *

上記等式中の
   f(a)+grad f (a)h+(1/2)th Hf(a)h
を、「(a1,a2,…,an)におけるf2次の近似多項式」「(a1,a2,…,an)におけるf2次のテイラー多項式と呼ぶ。
また、

を、その剰余項と呼ぶ。
[→3階のテイラー定理冒頭]
ベクトル・行列・2次形式を用いた表現
設定
x,a,h :n次元数ベクトル
     つまり、xt(x1, x2, x3, …, xn)  
         at(a1, a2, a3, …, an)    
         ht(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :RnDR 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)C3とする。
grad f () : 〜におけるf勾配ベクトル 
Hf()    :〜におけるfヘッセ行列
Hf() [h]   :「〜におけるfヘッセ行列によって定まるht(h1, h2, h3, …, hn)についての二次形式

本題  f(a+h)= f(a)+grad f (a)h+(1/2)Hf(a)[h]+
を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *

上記等式中の
   f(a)+grad f (a)h+(1/2)Hf(a)[h]
を、「(a1,a2,…,an)におけるf2次の近似多項式」「(a1,a2,…,an)におけるf2次のテイラー多項式と呼ぶ。
また、

を、その剰余項と呼ぶ。

[→3階のテイラー定理冒頭]





→[トピック一覧:多変数関数のテイラーの定理]
総目次




定理:n変数関数の2次テイラー展開・2次多項式近似の剰余項の評価

要旨 (a1,a2,…,an)におけるfの2次近似多項式の剰余項は、
 (a1,a2,…,an)までの距離の2乗より、高位の無限小
[文献]
・黒田『微分積分学8.6 (p.306):2次の項までのテイラー展開の表現。勾配ベクトル・ヘッセ行列の活用。
神谷浦井『経済学のための数学入門6.3.4定理6.3.5(p.234).
活用例:極値問題―2階十分条件
※対照→2変数関数の2次テイラー展開 
行列・ベクトル・Σを用いない表現
設定
n変数実数値関数y=f (x1,x2,…,xn)C2とする。
本題 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)
             +
              +            
                   
                     :
                     …
                +o((h1,h2,…,hn)2) (h1,h2,…,hn)0 
これを、ランダウのoの定義に遡って書き下すと、次のようになる。
  f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)
               +
                +            
                   
                    …
                    :
                     …
                +R3  
とおくと、
  (1) R3  0  ( (h1,h2,…,hn) 0 )
  かつ 
  (2) (h1,h2,…,hn)2  ( (h1,h2,…,hn) 0 )
  かつ 
  (3) R3 / (h1,h2,…,hn)2  0 ( (h1,h2,…,hn) 0 )  
が満たされる。[(2)は自明だから、ここでは重要でない]    
勾配ベクトル・ヘッセ行列・2次形式を用いた表現
設定
f (x1,x2,…,xn)n変数実数値関数C2
grad f () : 〜におけるf勾配ベクトル 
Hf()    :〜におけるfヘッセ行列
Hf() [h1,h2,…,hn]   :「〜におけるfヘッセ行列によって定まる(h1, h2, h3, …, hn)についての二次形式
本題 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)
             + gradf(a1,a2,…,an)(h1, h2, h3, …, hn)
               +(1/2)Hf(a1,a2,…,an)[h1,h2,…,hn]+o((h1,h2,…,hn)2)  (h1,h2,…,hn)0  
これを、ランダウのoの定義に遡って書き下すと、次のようになる。
f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)gradf(a1,a2,…,an)(h1, h2, h3, …, hn)+(1/2)Hf(a1,a2,…,an)[h1,h2,…,hn]R3  
とおくと、
  (1) R3  0  ( (h1,h2,…,hn) 0 )
  かつ 
  (2) (h1,h2,…,hn)2  ( (h1,h2,…,hn) 0 )
  かつ 
  (3) R3 / (h1,h2,…,hn)2  0 ( (h1,h2,…,hn) 0 )  
が満たされる  
Σの表現
設定
n変数実数値関数y=f (x1,x2,…,xn)C2とする。
本題  f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)o((h1,h2,…,hn)2) ‖(h1,h2,…,hn)0 
これを、ランダウのoの定義に遡って書き下すと、次のようになる。

f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)R3  
とおくと、
  (1) R3  0  ( (h1,h2,…,hn) 0 )
  かつ 
  (2) (h1,h2,…,hn)2  ( (h1,h2,…,hn) 0 )
  かつ 
  (3) R3 / (h1,h2,…,hn)2  0 ( (h1,h2,…,hn) 0 )  
が満たされる。[(2)は自明だから、ここでは重要でない]

ベクトル・行列表現
設定

x,a,h :n次元数ベクトル(縦ベクトル)
     つまり、xt(x1, x2, x3, …, xn)  
         at(a1, a2, a3, …, an)    
         ht(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :RnDR 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)C2とする。
grad f () : 〜におけるf勾配ベクトル 
Hf()    :〜におけるfヘッセ行列

本題  f (a+h)= f(a)+gradf(a)h+(1/2)th Hf(a)h +o(h2) h0    
これを、ランダウのoの定義に遡って書き下すと、次のようになる。

f (a+h)= f(a)+gradf(a)h+(1/2)th Hf(a)h R3  
とおくと、
  (1) R3  0  ( h 0 )
  かつ 
  (2) h2  ( h 0 )
  かつ 
  (3) R3 / h2  0 ( h 0 )  
が満たされる。[(2)は自明だから、ここでは重要でない]

ベクトル・行列・2次形式を用いた表現
設定
x,a,h :n次元数ベクトル
     つまり、xt(x1, x2, x3, …, xn)  
         at(a1, a2, a3, …, an)    
         ht(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :RnDR 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)C2とする。
grad f () : 〜におけるf勾配ベクトル 
Hf()    :〜におけるfヘッセ行列
Hf() [h]   :「〜におけるfヘッセ行列によって定まるht(h1, h2, h3, …, hn)についての二次形式
本題  f(a+h)= f(a)+grad f (a)h+(1/2)Hf(a)[h]+o(h2) h0   

これを、ランダウのoの定義に遡って書き下すと、次のようになる。

f (a+h)= f(a)+gradf(a)h+(1/2)Hf(a)[h] R3  
とおくと、
  (1) R3  0  ( h 0 )
  かつ 
  (2) h2  ( h 0 )
  かつ 
  (3) R3 / h2  0 ( h 0 )  
が満たされる。[(2)は自明だから、ここでは重要でない]






→[トピック一覧:多変数関数のテイラーの定理]
総目次





定理:n変数関数のテイラーの定理,テイラー多項式 − 一般形




※対照→2変数関数のテイラーの定理(一般)
Σを用いない表現
設定
n変数実数値関数y=f (x1,x2,…,xn)C mとする。

本題

 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)
                     +            
                        
                          
                     +…
                     …+
                       +
を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *


上記等式中の
     f (a1,a2,…,an)
              +…
               …+
を、「(a1,a2,…,an)におけるf(m-1)次の近似多項式」「(a1,a2,…,an)におけるf(m-1)次のテイラー多項式と呼ぶ。
また、

を、その剰余項と呼ぶ。

Σの表現
設定
n変数実数値関数y=f (x1,x2,…,xn)C mとする。
本題
 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)
               +
                +
                 +…
                  …+
                +
                  
 を満たす実数θ0,1が存在する。

 * * * * * * *


上記等式中の
     f (a1,a2,…,an)
             +
              +…
               …+
を、「(a1,a2,…,an)におけるf(m-1)次の近似多項式」「(a1,a2,…,an)におけるf(m-1)次のテイラー多項式と呼ぶ。
また、
   
を、その剰余項と呼ぶ。

[文献]
岡田『経済学・経営学のための数学』3.2定理3.2(p.120)
・高橋『微分と積分2』定理4.7(p.97)。

下記は、特殊な記号をつかう。
・杉浦『解析入門』定理7.2(p.147):一般
・黒田『微分積分学8.6 (p.306):2次の項までのテイラー展開の表現。勾配ベクトル・ヘッセ行列が定める二次形式の活用。
・松坂『解析入門3』14.2-C-定理2(p.155):一般
・;加藤『微分積分学原論』定理16.8(p.202)



設定


本題






→[トピック一覧:多変数関数のテイラーの定理]
総目次




定理:n変数関数のm次テイラー展開。m次多項式近似の剰余項の評価。


要旨

 (a1,a2,…,an)におけるfm次近似多項式の剰余項は、
 (a1,a2,…,an)までの距離のm乗より、高位の無限小

[文献]
・松坂『解析入門3』14.2-C-定理3(p.157)
・高橋『微分と積分2』定理4.7(p.97)。
※対照→2変数関数のテイラー展開
非ベクトル表現
設定
n変数実数値関数y=f (x1,x2,…,xn)C mとする
本題
 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)
               +
                +
                 +…
                  :
                  …+
                    +o((h1,h2,…,hn)m) ‖(h1,h2,…,hn)0    

ベクトル表現
設定
x,a,h :n次元数ベクトル
     つまり、xt(x1, x2, x3, …, xn)  
         at(a1, a2, a3, …, an)    
         ht(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :RnDR 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)C3とする。

本題
 f (a+h)= f (a)+…+
                    +o(hm) h0    








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