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)をC1級とする。
本題
 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)+

を満たす実数θ∈(0,1)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)をC1級とする。
本題  f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)+
を満たす実数θ∈(0,1)が存在する。

 * * * * * * *



を、剰余項と呼ぶ。


ベクトル表現
設定
x,a,h:実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 :Rn⊃D→R 
n変数実数値関数y=f (x)をC1級とする。
grad f (〜) : 〜におけるfの勾配ベクトル 

本題
(表現1)
 f (a+h)= f (a) + grad f (a+θh) ・h 
を満たす実数θ∈(0,1)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θ∈(0,1)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)をC2級とする。
本題

 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)+
              +
                 
                  
 を満たす実数θ∈(0,1)が存在する。

 * * * * * * *

上記等式中の
   f (a1,a2,…,an)+
を、
「(a1,a2,…,an)におけるfの1次の近似多項式」
「(a1,a2,…,an)におけるfの1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)をC2級とする。
本題
 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)+
              +
                 
                  
 を満たす実数θ∈(0,1)が存在する。

 * * * * * * *

上記等式中の
   f (a1,a2,…,an)+
を、
「(a1,a2,…,an)におけるfの1次の近似多項式」
「(a1,a2,…,an)におけるfの1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 :実n次元数ベクトル(縦ベクトル)
     つまり、x=t(x1, x2, x3, …, xn)  
         a=t(a1, a2, a3, …, an)    
         h=t(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :Rn⊃D→R 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)をC2級とする。
grad f (〜) : 〜におけるfの勾配ベクトル 
Hf(〜)    :〜におけるfのヘッセ行列
本題
 f (a+h)= f (a) + grad f (a) h + (1/2) th Hf(a+θh)h
を満たす実数θ∈(0,1)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fの1次の近似多項式」
「(a1,a2,…,an)におけるfの1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 :実n次元数ベクトル
     つまり、x=t(x1, x2, x3, …, xn)  
         a=t(a1, a2, a3, …, an)    
         h=t(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :Rn⊃D→R 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)をC2級とする。
grad f (〜) : 〜におけるfの勾配ベクトル 
Hf(〜)    :〜におけるfのヘッセ行列
   
Hf(〜) [h]   :「〜におけるfのヘッセ行列」によって定まる
                 h=t(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θ∈(0,1)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fの1次の近似多項式」
「(a1,a2,…,an)におけるfの1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)をC3級とする。
本題
 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)+
                     +            
                        
                          
                       +
                          
                          :
                          
                          
                          
                          :
                          
                          
                          
                          :
                          
  を満たす実数θ∈(0,1)が存在する。

 * * * * * * *

上記等式中の
   f (a1,a2,…,an)+
                     +            
                        
                          
を、「(a1,a2,…,an)におけるfの2次の近似多項式」「(a1,a2,…,an)におけるfの2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)をC3級とする。
本題  f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)+
                     +
                      +
                  
 を満たす実数θ∈(0,1)が存在する。

 * * * * * * *

上記等式中の
   f (a1,a2,…,an)++
を、「(a1,a2,…,an)におけるfの2次の近似多項式」「(a1,a2,…,an)におけるfの2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 :実n次元数ベクトル(縦ベクトル)
     つまり、x=t(x1, x2, x3, …, xn)  
         a=t(a1, a2, a3, …, an)    
         h=t(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :Rn⊃D→R 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)をC3級とする。
grad f (〜) : 〜におけるfの勾配ベクトル 
Hf(〜)    :〜におけるfのヘッセ行列
本題  f (a+h)= f(a)+gradf(a)h+(1/2)th Hf(a)h +
を満たす実数θ∈(0,1)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fの2次の近似多項式」「(a1,a2,…,an)におけるfの2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 :実n次元数ベクトル
     つまり、x=t(x1, x2, x3, …, xn)  
         a=t(a1, a2, a3, …, an)    
         h=t(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :Rn⊃D→R 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)をC3級とする。
grad f (〜) : 〜におけるfの勾配ベクトル 
Hf(〜)    :〜におけるfのヘッセ行列
Hf(〜) [h]   :「〜におけるfのヘッセ行列」によって定まるh=t(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θ∈(0,1)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fの2次の近似多項式」「(a1,a2,…,an)におけるfの2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)をC2級とする。
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 → 0 ( ‖(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級。
grad f (〜) : 〜におけるfの勾配ベクトル 
Hf(〜)    :〜におけるfのヘッセ行列
Hf(〜) [h1,h2,…,hn]   :「〜におけるfのヘッセ行列」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 → 0 ( ‖(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)をC2級とする。
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 → 0 ( ‖(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 :実n次元数ベクトル(縦ベクトル)
     つまり、x=t(x1, x2, x3, …, xn)  
         a=t(a1, a2, a3, …, an)    
         h=t(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :Rn⊃D→R 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)をC2級とする。
grad f (〜) : 〜におけるfの勾配ベクトル 
Hf(〜)    :〜におけるfのヘッセ行列

本題  f (a+h)= f(a)+gradf(a)h+(1/2)th Hf(a)h +o(‖h‖2) (‖h‖→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 (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) ‖h‖2 → 0 ( ‖h‖→ 0 )
  かつ 
  (3) R3 / ‖h‖2 → 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 :実n次元数ベクトル
     つまり、x=t(x1, x2, x3, …, xn)  
         a=t(a1, a2, a3, …, an)    
         h=t(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :Rn⊃D→R 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)をC2級とする。
grad f (〜) : 〜におけるfの勾配ベクトル 
Hf(〜)    :〜におけるfのヘッセ行列
Hf(〜) [h]   :「〜におけるfのヘッセ行列」によって定まるh=t(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(‖h‖2) (‖h‖→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 (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) ‖h‖2 → 0 ( ‖h‖→ 0 )
  かつ 
  (3) R3 / ‖h‖2 → 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)をC m級とする。

本題

 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)+
                     +            
                        
                          
                     +…
                     …+
                       +
を満たす実数θ∈(0,1)が存在する。

 * * * * * * *


上記等式中の
     f (a1,a2,…,an)+
              +…
               …+
を、「(a1,a2,…,an)におけるfの(m-1)次の近似多項式」「(a1,a2,…,an)におけるfの(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)をC m級とする。
本題
 f (a1+h1,a2+h2,…,an+hn)= f (a1,a2,…,an)
               +
                +
                 +…
                  …+
                +
                  
 を満たす実数θ∈(0,1)が存在する。

 * * * * * * *


上記等式中の
     f (a1,a2,…,an)+
             +
              +…
               …+
を、「(a1,a2,…,an)におけるfの(m-1)次の近似多項式」「(a1,a2,…,an)におけるfの(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fのm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)をC m級とする
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 :実n次元数ベクトル
     つまり、x=t(x1, x2, x3, …, xn)  
         a=t(a1, a2, a3, …, an)    
         h=t(h1, h2, h3, …, hn) 
f     : n変数実数値関数。つまり、f :Rn⊃D→R 
        ただし、n変数実数値関数y=f (x)をC3級とする。

本題
 f (a+h)= f (a)+++…+
                    +o(‖h‖m) (‖h‖→0)    








→[トピック一覧:多変数関数のテイラーの定理]
→総目次