攻略! テイラー展開・マクローリン展開

この記事では基礎的なマクローリン展開の演習問題をまとめました。

テイラー展開・マクローリン展開については

をご覧ください。

問題

問題

次の関数を x=0x = 0 周りでテイラー展開しなさい。剰余項は書かなくてよい。

  1. tan⁡x\tan x(3次まで)
  2. sin⁡2x\sin^2 x(4次まで)
  3. log⁡(cos⁡x)\log (\cos x)(4次まで)
  4. xex−1\dfrac{x}{e^x-1}(3次まで)
  5. arctan⁡x\arctan x(4次まで)

解答

普通に微分する

問題1の解答

f(x)=tan⁡xf(x) = \tan x とおく。

(tan⁡x)′=1+tan⁡2x(\tan x)' = 1 + \tan^2 x であった。よって f′(0)=1f'(0) = 1 である。

f′′(x)=(1+tan⁡2x)′=2tan⁡x(tan⁡x)′f′′′(x)=2{(tan⁡x)′}2+2tan⁡x(tan⁡x)′′\begin{aligned} f'' (x) &= (1 + \tan^2 x)'\\ &= 2 \tan x (\tan x)'\\ f'''(x) &= 2 \{ (\tan x)' \}^2 + 2 \tan x (\tan x)'' \end{aligned} より f′′(0)=0f′′′(0)=2⋅12+0=2\begin{aligned} f''(0) &=0\\ f'''(0) &= 2 \cdot 1^2 + 0\\ &= 2 \end{aligned}

よって tan⁡x=x+13x3+o(x3) \tan x = x + \dfrac{1}{3} x^3 + o(x^3) である。

テイラー展開を代入する

式にテイラー展開をそのまま代入してみましょう。

問題2の解答

(sin⁡x)2=(x−13!x3+o(x4))2=x2−2⋅x⋅13!x3+o(x4)=x2−13x4+o(x4)\begin{aligned} &(\sin x)^2\\ &= \left( x - \dfrac{1}{3!} x^3 + o (x^4) \right)^2\\ &= x^2 - 2 \cdot x \cdot \dfrac{1}{3!} x^3 + o(x^4)\\ &= x^2 - \dfrac{1}{3} x^4 + o (x^4) \end{aligned}

別解

(sin⁡x)2=1−2cos⁡2x2=12−12{1−12!⋅(2x)2+14!⋅(2x)4+o(x4)}=12−12+x2−13x4+o(x4)=x2−13x4+o(x4)\begin{aligned} &(\sin x)^2\\ &= \dfrac{1-2\cos 2x}{2}\\ &= \dfrac{1}{2} - \dfrac{1}{2} \left\{ 1 - \dfrac{1}{2!} \cdot (2x)^2 + \dfrac{1}{4!} \cdot (2x)^4 + o(x^4) \right\}\\ &= \dfrac{1}{2} - \dfrac{1}{2} + x^2 - \dfrac{1}{3} x^4 + o (x^4)\\ &= x^2 - \dfrac{1}{3} x^4 + o (x^4) \end{aligned}

テイラー展開にテイラー展開を代入する

テイラー展開の入れ子にして計算をすることもよくあるパターンです。

問題3の解答

log⁡(cos⁡x)=log⁡(1+(−12x2+124x4+o(x4)))=(−12x2+124x4+o(x4))−12(−12x2+124x4+o(x4))2+o(x4)=−12x2+124x4+12⋅(−12x2)2+o(x4)=−12x2−112x4+o(x4)\begin{aligned} &\log (\cos x)\\ &= \log \left( 1 + \left( - \dfrac{1}{2} x^2 + \dfrac{1}{24} x^4 + o(x^4) \right) \right)\\ &= \left( - \dfrac{1}{2} x^2 + \dfrac{1}{24} x^4 + o(x^4) \right)\\ &\qquad -\dfrac{1}{2} \left( -\dfrac{1}{2} x^2 + \dfrac{1}{24} x^4 + o(x^4) \right)^2 + o(x^4)\\ &= -\dfrac{1}{2}x^2 + \dfrac{1}{24} x^4 + \dfrac{1}{2} \cdot \left( -\dfrac{1}{2}x^2 \right)^2 + o (x^4)\\ &= -\dfrac{1}{2} x^2 - \dfrac{1}{12} x^4 + o(x^4) \end{aligned}

(1+x)α(1+x)^{\alpha} の展開を活用する

(1+x)α=1+αx+α(α−1)2x2+α(α−1)(α−2)3!x3+⋯=∑n=0∞(αn)xn\begin{aligned} (1+x)^{\alpha} &= 1 + \alpha x + \dfrac{\alpha (\alpha - 1)}{2} x^2\\ &\qquad + \dfrac{\alpha(\alpha - 1)(\alpha - 2)}{3!} x^3 + \cdots\\ &= \sum_{n=0}^{\infty} \begin{pmatrix} \alpha\\ n \end{pmatrix} x^n \end{aligned} を活用しましょう。

問題4の解答

xex−1=xx+12!x2+13!x3+⋯=11+12!x+13!x2+⋯={1+(12!x+13!x2+14!x3+15!x4+o(x4))}−1=1−(12!x+13!x2+14!x3+o(x3))+(12!x+13!x2+o(x2))2−(12!x+o(x2))3=1−(12x+16x2+124x3)+(14x2+16x3)−18x3+o(x3)=1−12x+112x2+o(x3)\begin{aligned} &\dfrac{x}{e^x-1}\\ &= \dfrac{x}{x + \dfrac{1}{2!}x^2 + \dfrac{1}{3!} x^3 + \cdots}\\ &= \dfrac{1}{1 + \dfrac{1}{2!} x + \dfrac{1}{3!} x^2 + \cdots}\\ &= \left\{ 1 + \left( \dfrac{1}{2!} x + \dfrac{1}{3!} x^2 + \dfrac{1}{4!} x^3 + \dfrac{1}{5!} x^4 + o(x^4) \right) \right\}^{-1} \\ &= 1 - \left( \dfrac{1}{2!} x + \dfrac{1}{3!} x^2 + \dfrac{1}{4!} x^3 + o(x^3) \right)\\ &\quad + \left( \dfrac{1}{2!} x + \dfrac{1}{3!} x^2 + o(x^2) \right)^2 - \left( \dfrac{1}{2!} x + o(x^2) \right)^3 \\ &= 1 - \left( \dfrac{1}{2} x + \dfrac{1}{6} x^2 + \dfrac{1}{24} x^3 \right)\\ &\qquad + \left( \dfrac{1}{4} x^2 + \dfrac{1}{6} x^3 \right) - \dfrac{1}{8} x^3 + o(x^3)\\ &= 1 - \dfrac{1}{2} x + \dfrac{1}{12} x^2 + o(x^3) \end{aligned}

項別積分する

問題5の解答

y=arctan⁡xy = \arctan x の辺々微分をすると y′=11+x2y' = \dfrac{1}{1+x^2} であり, 11+x2=1−x2+o(x3) \dfrac{1}{1+x^2} = 1 - x^2 + o(x^3) である。

項別に積分すると arctan⁡x=x−13x3+o(x4) \arctan x = x - \dfrac{1}{3} x^3 + o(x^4) となる。

項別微分・項別積分についてより知りたい方は 項別微分・項別積分 をご覧ください。

ここでの計算テクニックは複素解析でも役立ちます。