6 Taylor-Entwicklung

6.8 Taylor-Entwicklung um beliebigen Punkt

Nachdem wir gesehen haben, wie sehr es bei der Anwendung der Taylor-Entwicklungen zur Berechnung von Funktionswerten in der Nähe von Entwicklungspunkten, an denen die Funktion bekannt ist, auf die Nähe zur Entwicklungsstelle ankommt, wenden wir uns schließlich dem Problem der geschickten Wahl der Entwicklungsstelle math formula zu, die wir zunächst immer speziell gleich math formula gesetzt haben, was die Mathematiker Maclaurin-Form der Entwicklung nennen.

Wir erhalten die allgemeine Taylor-Entwicklung um eine Stelle math formula aus unserer bisherigen Form ganz einfach, indem wir math formula überall durch math formula setzen und die erhaltene Funktion von math formula in der Umgebung von math formula entwickeln. So ergibt sich für unendlich oft differenzierbare Funktionen math formula die Form und Eindeutigkeit der allgemeinen

Taylor-Entwicklung um den Punkt math formula: math formula



für den Konvergenzradius R das hinreichende Quotienten-Kriterium:

math formula


und für den Fehler beim Abbrechen nach dem m-ten Glied: die

Lagrange-Form des Restglieds math formula wieder mit math formula.



Als Beispiel entwickeln wir die Sinus-Funktion math formula jetzt um den Punkt math formula :

math formula


Zum Beweis: math formula , math formula , math formula , math formula , ...
       mit math formula , math formula , math formula , math formula , math formula , ...
insgesamt: math formula
mit dem Konvergenzradius math formula .

Wir wollen sogleich überprüfen, wie das näher bei math formula liegende Entwicklungszentrum math formula unsere in Abschnitt 6.7 mit dem Entwicklungszentrum math formula durchgeführte Berechnung von math formula verbessert:

math formula


Wir erhalten: math formula , wobei die Restgliedabschätzung mit math formula ergibt

math formula


Das ist zu vergleichen mit der früher erhaltenen Fehlerabschätzung von math formula, d.h. durch die günstigere Wahl des Entwicklungszentrums konnte der Fehler bei vergleichbarem Rechenaufwand um mehr als vier Größenordnungen herabgesetzt werden.

Für andere gesuchte Zwischenwerte können wir den Sinus auch um math formula entwickeln:

math formula


denn math formula , math formula , math formula , math formula , ...
        mit math formula , math formula , math formula , math formula , math formula , ...
insgesamt: math formula
mit dem Konvergenzradius math formula

Jetzt können wir auch eine Entwicklung des natürlichen Logarithmus angeben etwa um math formula :

math formula


Wenn wir darin math formula durch math formula ersetzen gelangen wir wieder zu unserer früheren Taylor-Entwicklung von math formula um den Punkt math formula .

Aufgabe 6.12:

Bestimmen Sie die Taylor-Entwicklungen und Konvergenzbereiche von:

a)      math formula um den Punkt math formula Lösung
b)      math formula um den Punkt math formula Lösung
c)      math formula um den Punkt math formula Lösung und
d)      beweisen Sie die oben angegebene Entwicklung von math formula um den Punkt math formulaLösung




Aufgabe 6.13:

Berechnen Sie math formula bis auf math formula, jetzt aber mit der Taylor-Reihe um math formula, und vergleichen Sie mit der früheren Rechnung aus Aufgabe 6.11 Rechnung bei math formula Lösung



Sie werden im Verlauf Ihres Studiums noch viele andere Entwicklungen kennen lernen und selbst durchführen. Auch für Felder gibt es Taylor-Entwicklungen, z.B. die berühmte Multipol-Entwicklung. Sie werden die in den Naturwissenschaften häufigen periodischen Funktionen nach Fourier "im quadratischen Mittel" mit Cosinus und Sinus als Basisfunktionen entwickeln und später auch nichtperiodische Funktionen mit Hilfe der Exponentialfunktion "nach Fourier transfomieren". Komplexe Funktionen können sogar in einer gewissen Umgebung von bestimmten Singularitäten nach Laurent entwickelt werden. Schließlich werden Sie in der Quantenmechanik verschiedene störungstheoretische Entwicklungen um die wenigen exakt lösbaren Systeme durchführen, wie den harmonischen Oszillator. Die theoretische Physik ist zu einem beträchtlichen Teil die hohe Kunst des Entwickelns.