2 変数関数のTaylor 級数


1 変数の場合と同様に,関数 \(\displaystyle f(x,y) \) の \(\displaystyle (x,y)=(a+h,b+k) \) に於ける値 \(\displaystyle f(a+h,b+k) \) を,(\(\displaystyle x,y)=(a,b) \) での情報を使って,\(\displaystyle h \) と \(\displaystyle k \) の多項式によって近似するのが Taylor の定理である。

Taylor の定理

ここで,\(\displaystyle o(\sqrt{h^2+k^2}^{\;n}) \) の部分は,\(\displaystyle f(a+h, b+k) \) を \(\displaystyle h \) と \(\displaystyle k \) の \(\displaystyle n \) 次式で近似した場合の「誤差」に相当するものであり, \(\displaystyle (h,k) → (0,0) \) のときに殆ど無視できるくらいに小さな値をとる。


とくに \(\displaystyle n \to \infty \) のときに誤差部分が \(\displaystyle 0 \) に収束する場合,次のように \(\displaystyle f(x, y) \) の \(\displaystyle (x,y)=(a,b) \) におけるTaylor 級数を得る。

Taylor 級数


Taylor 級数の例と,近似の様子

以上により,求める Taylor 級数は,

となる。

\(\displaystyle z=f(x,y) \) のグラフと,\(\displaystyle z= \) (右辺の \( n \) 次以下の項: \( n = 0,\ldots,9\) )のグラフ[白い半透明な曲面]とを重ね合わせてアニメーションにすると以下のようになる。 \( n \) が大きくなるにつれて,次第によい近似を与えていることがわかるであろう。