8.2 Rozvoj funkce více proměnných
V případě nekonečněkrát diferencovatelné funkce dvou proměnných v obecném bodě ($x_0,y_0$) lze obecný tvar Taylorova rozvoje zapsat jako
$$ \begin{align} f(x,y)&=f(x_0,y_0)+\left.\frac{\partial f}{\partial x}\right|_{x_0,y_0}(x-x_0)+\left.\frac{\partial f}{\partial y}\right|_{x_0,y_0}(y-y_0)\\ &+\frac{1}{2!}\left[\left.\frac{\partial^2f}{\partial x^2}\right|_{x_0,y_0}(x-
x_0)^2+\left.\frac{2\,\partial^2f} {\partial x\,\partial y}\right|_{x_0,y_0}(x-x_0)(y-y_0)+ \left.\frac{\partial^2f}{\partial y^2}\right|_{x_0,y_0}(y-y_0)^2\right]\\
&+\frac{1}{3!}\left[\left.\frac{\partial^3f}{\partial x^3}\right|_{x_0,y_0}(x-x_0)^3+ \left.\frac{3\,\partial^3f}{\partial x^2\,\partial y}\right|_{x_0,y_0}(x-x_0)^2(y-y_0)\right.\\
&\left.\qquad\qquad\qquad\quad +\left.\frac{3\,\partial^3f}{\partial x\,\partial y^2}\right|_{x_0,y_0}(x-x_0)(y-y_0)^2+ \left.\frac{\partial^3f}{\partial y^3}\right|_{x_0,y_0}(y-y_0)^3\right]+\,\ldots\,, \end{align} $$
8.2
kde řád derivace opět charakterizuje řád Taylorova rozvoje, stupeň mocniny určuje stupeň členu Taylorova polynomu. Obecně lze tedy Taylorův rozvoj funkce více proměnných zapsat:
$$ f(x_1,\dots,x_k)=\sum_{n_1=0}^\infty\sum_{n_2=0}^\infty\cdots\sum_{n_k=0}^\infty \left.\left(\frac{\partial^{n_1+\cdots+n_k}f}{\partial x_1^{n_1}\cdots\partial x_k^{n_k}}\right)\right|_{(x_{01},\dots,x_{0k})}\frac{(x_1-x_{01})^{n_1}\cdots (x_k-x_{0k})^{n_k}}{n_1!\cdots n_k!}. $$
8.3
Příklady
8.9
Spočítejte všechny nenulové členy Taylorova rozvoje funkce $f(x,y)=x^2y$ a pro jednotlivé řády rozvoje vyčíslete vždy hodnotu
$f\left({2,\!1};\,{2,\!9}\right)$. Výsledky porovnejte s hodnotou udanou kalkulačkou.
$T_0=12$, $T_1=12,\!8$, $T_2=12,\!79$, $T_3=12,\!789$ (kalkulačkou $12,\!789$)
8.10
Pomocí Taylorova rozvoje funkce $f(x,y)=\sqrt{1+4x^2+y^2}$ do prvního, druhého a třetího řádu vyčíslete vždy přibližnou hodnotu
$f\left({1,\!1};\,{2,\!05}\right)$. Výsledky porovnejte s hodnotou udanou kalkulačkou.
$T_1=3,\!1\overline{66}$, $T_2=3,\!169\,120$, $T_3=3,\!168\,984$ (kalkulačkou $3,\!168\,990…$)
8.11
Spočítejte všechny nenulové členy Taylorova rozvoje funkce $f(x,y,z)=x^3+y^3+z^3–3\,xyz$ a pro jednotlivé řády rozvoje vyčíslete vždy hodnotu
$f\left({0,\!95};\,{1,\!05};\,{1,\!1}\right)$. Výsledky porovnejte s hodnotou udanou kalkulačkou.
$T_0=0$, $T_1=0$, $T_2=0,\!0525$, $T_3=0,\!054\,25$ (kalkulačkou $0,\!054\,25$)
8.12
Pomocí Taylorova rozvoje funkce $f(x,y,z)=\dfrac{1}{xyz}$ do prvního, druhého, třetího a čtvrtého řádu vyčíslete vždy přibližnou hodnotu $f\left({0,\!9};\,{2,\!1};\,{3,\!1}\right)$. Výsledky porovnejte s hodnotou udanou kalkulačkou.
$T_1=0,\!169\,\overline{444}$, $T_2=0,\!170\,602…$,
$T_3=0,\!170\,634…$, $T_4=0,\!170\,648…$, (kalkulačkou $0,\!170\,678…$)
8.13
Vypočítejte Taylorův polynom druhého stupně funkce $f(x,y)=\text{e}^{-(x^2+y^2)}$ v bodech
-
$P_1=(0,0)$,$T_1(0,0)=1-x^2-y^2$
-
$P_2=(1,2)$.$T_2(1,2)=\text{e}^{-5}\left[x(x+8y-20)+y(7y-40)+56\right]$
8.14
Vypočítejte Taylorův polynom funkce z příkladu 8.10
-
třetího stupně v bodě $(0,0)$,$T_3(0,0)=1+2x^2+\dfrac{y^2}{2}$
-
druhého stupně v bodě $(1,2)$.$T_2(1,2)=\dfrac{1}{3}\left[4x+y-8(x-1)(y-2)-5\right]+\dfrac{5}{27}\left[2(x-1)^2+\dfrac{1}{2}(y-2)^2\right]$
8.15
Vypočítejte Taylorův polynom třetího stupně funkce z příkladu 8.12 v bodě $(1,1,1)$.
$\begin{align} T_3(1,1,1)=&-x^3-y^3-z^3-x^2y-x^2z-xy^2-xz^2-y^2z-yz^2-xyz \,+ \\&+6(x^2+y^2+z^2+xy+xz+yz)-15(x+y+z)+20 \end{align}$
8.16
Napište Taylorův polynom 2. stupně funkce $f(x,y)=\sqrt{x^2-y^2–2}$ v bodě $(2,1)$.
$2x-y-2+\dfrac{1}{2}\left[-3(x-2)^2+4(x-2)(y-1)-2(y-1)^2\right]$
8.17
Napište Taylorův polynom 2. stupně funkce $f(x,y)=\sqrt{\text{e}^{2x}-y^2+1}$ v bodě $(0,1)$.
$2+x-y+\dfrac{1}{2}\left[x^2+2x(y-1)-2(y-1)^2\right]$
8.18
Napište Taylorův polynom 2. stupně funkce $f(x,y)=\sqrt{\dfrac{x}{y}-1}$ v bodě $(2,1)$.
$1+\dfrac{x}{2}-y+\dfrac{1}{2}\left[-\dfrac{1}{4}(x-2)^2+(y-1)^2\right]$
8.19
Napište Taylorův polynom 2. stupně funkce $f(x,y)=\dfrac{y^2}{\sqrt{x^2+1}}$ v bodě $(0,1)$.
$1+2(y-1)+\dfrac{1}{2}\left[-x^2+2(y-1)^2\right]$
8.20
Napište Taylorův polynom třetího stupně funkce $f(x,y,z)=\dfrac{1}{x^2yz}$ v bodě $(1,1,1)$.
$\begin{align} T_3(1,1,1)= &-4x^3-y^3-z^3–3x^2y-3x^2z-2xy^2–2xz^2–2y^2z-yz^2–2xyz\,+ \\ &+7(3x^2+z^2+2xy+2xz)+8y^2+9yz-2(21x+11z)-23y+36 \end{align}$