平均値の定理¶
この定理は 直線 AB と同じ傾きをもつ接線が弧 AB上に存在することを意味している。
平均値の定理から分母を払って
f(b)=f(a)+f′(c)(b−a) としたものを一般化したのがテイラーの定理
テイラー展開¶
n=0(1階微分可能)のとき、平均値の定理と一致する。
テイラーの定理の最後の項
(n+1)!1f(n+1)(c)(b−a)n+1(a<c<b) はラグランジュの剰余項と呼ばれる代表的な剰余項である。
cをc=a+θ(b−a)(0<θ<1)と書き、b=xとおけば、テイラー展開と呼ばれる式になる
テイラー級数¶
関数f(x)の点aにおけるテイラー展開は有限個のベキ項と剰余Rn+1の和の形になる。
関数f(x)をより良く近似しようとすると、剰余Rn+1をより小さくする必要がある。
剰余Rnはnの値を増やしていくと、数列R1,R2,⋯,Rn,⋯を作る。もし、数列{Rn}が0に収束する、すなわち
n→∞lim{Rn}=0 ならば、nを増やしてより多くの項で近似するほど、よりよい近似になる。
このとき、
f(x)=f(a)+f′(a)(x−a)+f′′(a)2!(x−a)2+⋯+f(n)(a)n!(x−a)n+⋯ と書く。最後の⋯は無限に和が続くことを意味している。これを テイラー級数 (Taylor series)と呼ぶ。
例:対数変換による変化率の近似¶
定理:時系列分析における、対数差分系列(対数系列logytの差分系列Δlogyt=logyt−logyt−1)が十分小さい変化率の近似になる
log(yt)−log(yt−1)≈yt−1yt−yt−1 証明:対数の計算規則から
log(yt)−log(yt−1)=log(yt−1yt)=log(1+yt−1yt−yt−1) となる。
またテイラー近似により
log(1+x)=x−2x2+3x3−4x4+⋯ となり、第2項以降は小さいxに対しては微小な値になるため
1次のテイラー近似
log(1+x)≈x を利用して
log(1+yt−1yt−yt−1)≈yt−1yt−yt−1 となる
近似誤差について¶
log(1+x)≈xの近似誤差はx=0.5くらいから0.1くらいになってくる
# log(1 + x) \approx x の実験
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
x = np.linspace(0, 1, 20)
approx = np.log(1 + x)
fig, axes = plt.subplots(nrows=2)
axes[0].plot(x, x, color="gray", linestyle="--", label="x")
axes[0].plot(x, approx, label=r"$\log(1 + x)$")
axes[0].legend()
axes[0].set(
title=r"Approximation of $\log(1 + x) \approx x$",
xlabel="x",
ylabel="log(1 + x)"
)
fig.subplots_adjust(hspace=.5)
errors = x - approx
axes[1].plot(x, errors)
axes[1].set(
title=r"Approximation Error of $\log(1 + x) \approx x$",
xlabel="x",
ylabel="x - log(1 + x)"
)
axes[1].grid(True)
fig.show()
例:対数変換した変数の回帰係数の解釈¶
これも同様に変化率の近似として解釈できる
マクローリン展開¶
テイラー展開の特別の場合として、a=0のときの場合を マクローリン展開 という。
例:指数関数¶
オイラーによる指数関数の定義
exp(x)=n→∞lim(1+nx)n のマクローリン級数での表現は
exp(x)=n=0∑∞n!xn=1+x+2!x2+3!x3+4!x4+⋯ となる。こちらも指数関数の定義として扱われることがある。