טורי טיילור
בתחום האנליזה (חדו"א) יש שלוש פעולות בסיסיות: גזירה, אסכום (אינטגרציה) ופיתוח לטור חזקות. בשתי הפעולות הראשונות דשים הלוך ושוב בתיכון וגם באקדמיה. אנסה להסביר מעט יותר על הפעולה השלישית שבדרך כלל לא מתעסקים בה בתיכון. ראשית, כמה הגדרות קצרות: אם (an) היא סדרה, אז לסימון (1) בקובץ המצורף קוראים "הטור שאבריו הם (an)". נתבונן בסדרה שמוגדרת ב-(2). סדרה זו נקראת "סדרת הסכומים החלקיים". כעת, אומרים שהטור (1)
מתכנס אם קיים גבול לסדרת הסכומים החלקיים. אם נסמן גבול זה ב-s, אז אומרים ש"סכום הטור הוא s", ומסמנים זאת ב-(3). אם גבול סדרת הסכומים החלקיים לא קיים, אומרים שהטור
מתבדר. כעת, אפשר לדבר גם על סדרות של פונקציות. תהי (fn) סדרת פונקציות. כלומר, לכל n, הביטוי fn הוא פונקציה. כעת, אם לכל הפונקציות הללו תחום הגדרה משותף, נאמר D, נקבל שלכל x ב-D הביטוי ((fn(x) היא סדרה. אפשר גם להגדיר טור של פונקציות, ולטור הזה נגדיר סדרת סכומים חלקיים. כלומר, לכל x ב-D הגדרנו טור משלו, והטור הזה יכול להתכנס או להתבדר. העובדה שהטור מתכנס עבור x מסויים אינה מחייבת שהטור יתכנס עבור x שונה! כאשר הטור מתכנס עבור x כלשהו וערכו s, אומרים שסכום הטור בנקודה x הוא s. הדיון הקצר הזה מסוכם ב-(4). מקרה פרטי מיוחד של טורים הוא "טור חזקות". טור חזקות הוא טור של פונקציות (fn), כאשר fn(x) = an*x^n. כלומר, כל אבר בסדרה תורם חזקה מסדר מסויים, ולחזקה הזו יש מקדם. את הטורים הללו מתחילים לסכום מ-n=0, בדרך כלל. שים לב שטור חזקות הוא, למעשה, הכללה ישירה של רב אבר (פולינום). או בתיאור ציורי: טור חזקות הוא "רב אבר מסדר אינסופי". כמה תכונות של טורי חזקות שנעשה בהן שימוש: (1) טורי חזקות תמיד מתכנסים בקטע סימטרי סביב 0. (2) טורי חזקות תמיד מתכנסים ב-0, וסכומם הוא האבר הראשון של הטור. (n=0) (3) אם טור חזקות מגדיר פונקציה f בקטע מסויים, אז f גזירה, וניתן להחליף את סימן הסכום בסימן הגזירה. (ראה נוסחה (6)) לפעולה השלישית קוראים "גזירה אבר אבר". כעת, נחזור לטורי טיילור: חישוב רבי אברים הוא משימה די קלה. בהינתן רב אבר מסויים, אין טרחה מרובה בחישוב ערך רב האבר בכל נקודה שלו: רב האבר מורכב מסכומים ומכפלות, פעולות שאין לנו קושי לבצע. הבעיה מתעוררת כאשר אנו נדרשים לחשב פונקציות מסובכות יותר, כמו סינוס, או לוגריתם. היה נחמד אם היינו מצליחים למצוא רב אבר (P(x, כך שלמשל מתקיים:
e^x = P(x)
ואז היינו יכולים לחשב בקלות את ערך הפונקציה e^x. לצערנו, לא קיים כזה רב אבר. לכן, נאלץ להסתפק בדבר הטוב הבא. ננסה למצוא טור חזקות (S(x כך ש-S(x) = e^x. ובכן, נניח שמצאנו כזה טור S. לכן, אם נציב x=0, נקבל שהאבר הראשון בטור, a0 שווה בדיוק ל-e^0=1. כעת, נגזור את השוויון, ושוב נציב 0, ונקבל שהאבר השני שווה ל-e^0=1. נגזור שוב את השוויון, נציב 0 ונקבל ש-2 כפול האבר השלישי שווה ל-e^0=1. וכך הלאה. ניתן להראות שאחרי n גזירות, נקבל שהאבר ה-n+1-י הוא אחד חלקי n!. (נוסחה (7)) כלומר, אם אכן ניתן למצוא טור חזקות S כך ש-(e^x = S(x, אז בהכרח האבר ה-k-י של הטור הוא אחד חלקי !k. כעת, נסה לחזור על התהליך בעצמך, עם פונקציה כללית f. אתה תגלה שאם אכן ניתן למצוא טור כזה, אז הוא בהכרח בצורה (8). הטור הזה נקרא "טור טיילור של f סביב 0", או "טור מקלורן של f". לתהליך של מציאת הטור קוראים "פיתוח f לטור חזקות סביב 0". שים לב שאם במקום לגזור את f ולהציב 0 היינו מציבים נקודה אחרת, היינו כבר מתחילים להסתבך, כי אז לא היו מתאפסים כל המקדמים האחרים בטור. לכן, אם אנחנו רוצים לחשב את המקדמים באמצעות נקודות אחרות, אפשר להעזר בטור חזקות אחר, סביב הנקודה שבה אנו גוזרים. אם, למשל, נוח לנו לחשב את הנגזרת סביב נקודה מסויימת a, אז הפיתוח הוא כמו בנוסחה (9). תנסה להציב a=0 ותראה ששתי הנוסחאות מזדהות. עד לכאן ההסבר. בקשר ליישומים: מכיוון שמחשב יכול לבצע במהירות פעולות חיבור וכפל, הוא יכול להעזר בפיתוח טיילור לחשב פונקציות שונות. אפשר להראות שתקבל דיוק מצויין לכל שימוש פשוט עבור 10 האברים הראשונים בטור. והערה קטנה: לפני שאתה מנסה לפתח פונקציות כמו סינוס וקוסינוס, על x להיות
ברדיאנים. לכן, למשל החישוב:
sin 90 = a0 + a1*90 + a2*90^2 + a3*90^3 + ...
(כאשר an הוא המקדם המתאים בפיתוח טיילור) לא ייתן 1. (בדוק!) מקווה שעזרתי, אהד.