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泰勒公式

泰勒公式 (Taylor's Formula)

泰勒公式→分析数学核心工具→用多项式逼近光滑函数:f(x)=∑k=0nf(k)(a)k!(x−a)k+Rn(x)f(x)=\sum_{k=0}^n\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k+R_n(x)→余项RnR_n量化逼近误差。经济(微观/宏观/计量)/金融(资产定价)/统计无处不在:边际近似、DSGE对数线性化、Delta方法皆依赖之。英国Brook Taylor 1715年提出。

公式形式与余项

一维展开:ff在aa处nn阶可导→f(x)=f(a)+f′(a)(x−a)+f′′(a)2!(x−a)2+⋯+f(n)(a)n!(x−a)n+Rn(x)f(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{f''(a)}{2!}(x-a)^2+\cdots+\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n+R_n(x)。Maclaurin公式:a=0a=0特例→f(x)=∑k=0nf(k)(0)k!xk+Rn(x)f(x)=\sum_{k=0}^n\frac{f^{(k)}(0)}{k!}x^k+R_n(x)。

余项:Lagrange余项→Rn=f(n+1)(ξ)(n+1)!(x−a)n+1R_n=\frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}(ξ\xi介于a,xa,x间)→可用于误差界。Peano余项→Rn=o((x−a)n)R_n=o((x-a)^n)→仅需nn阶可导→定性分析常用。积分余项:Rn=1n!∫axf(n+1)(t)(x−t)ndtR_n=\frac{1}{n!}\int_a^x f^{(n+1)}(t)(x-t)^n dt。

常见展开:ex=1+x+x22!+⋯+Rne^x=1+x+\frac{x^2}{2!}+\cdots+R_n;ln⁡(1+x)=x−x22+x33−⋯\ln(1+x)=x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}-\cdots(∣x∣<1|x|<1);(1+x)α=1+αx+α(α−1)2!x2+⋯(1+x)^\alpha=1+\alpha x+\frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2+\cdots→二项式级数。

多元推广

多元一阶:f(x)≈f(a)+∇f(a)⊤(x−a)f(\mathbf{x})\approx f(\mathbf{a})+\nabla f(\mathbf{a})^\top(\mathbf{x}-\mathbf{a})→梯度方向导数。二阶:f(x)≈f(a)+∇f⊤(x−a)+12(x−a)⊤H(a)(x−a)f(\mathbf{x})\approx f(\mathbf{a})+\nabla f^\top(\mathbf{x}-\mathbf{a})+\frac{1}{2}(\mathbf{x}-\mathbf{a})^\top\mathbf{H}(\mathbf{a})(\mathbf{x}-\mathbf{a})→海森矩阵H\mathbf{H}刻画曲率→凸优化分类驻点(KKT条件)必需。

函数形式:f(x)=∑∣α∣≤nDαf(a)α!(x−a)α+Rnf(\mathbf{x})=\sum_{|\alpha|\le n}\frac{D^\alpha f(\mathbf{a})}{\alpha!}(\mathbf{x}-\mathbf{a})^\alpha+R_n→多重指标α=(α1,…,αp)\alpha=(\alpha_1,\ldots,\alpha_p)→DαD^\alpha偏导。

经济学应用

边际分析→一阶近似:效用ΔU≈MU⋅Δx\Delta U\approx MU\cdot\Delta x;成本ΔC≈MC⋅Δq\Delta C\approx MC\cdot\Delta q→包络定理本质:值函数导数的一阶泰勒。

比较静态→二阶:一阶逼近力不足→二阶补足曲率→风险溢价:π≈−12u′′(W)u′(W)σ2\pi\approx-\frac{1}{2}\frac{u''(W)}{u'(W)}\sigma^2→Arrow-Pratt近似→绝对风险厌恶RA=−u′′/u′R_A=-u''/u'与泰勒二阶项直接关联。

Delta方法:渐近理论核心→对统计量TnT_n满足n(Tn−θ)→dN(0,Σ)\sqrt{n}(T_n-\theta)\xrightarrow{d}N(0,\Sigma)→n(g(Tn)−g(θ))→dN(0,g′(θ)2Σ)\sqrt{n}(g(T_n)-g(\theta))\xrightarrow{d}N(0,g'(\theta)^2\Sigma)→一阶泰勒展开g(Tn)≈g(θ)+g′(θ)(Tn−θ)g(T_n)\approx g(\theta)+g'(\theta)(T_n-\theta)→标准误变换/弹性推断。

DSGE对数线性化:宏观DNK/RBC模型→非线性均衡条件难闭式→稳态附近对数泰勒展开→线性理性预期差分系统→Blanchard-Kahn求解→脉冲响应函数。典型:ext≈exˉ(1+x^t)e^{x_t}\approx e^{\bar{x}}(1+\hat{x}_t)→x^t=ln⁡(xt/xˉ)\hat{x}_t=\ln(x_t/\bar{x})对数偏差。

确定性等价:期望效用→E[u(W)]≈u(E[W])+u′′(E[W])2Var(W)E[u(W)]\approx u(E[W])+\frac{u''(E[W])}{2}\mathrm{Var}(W)→泰勒二阶→方差不影响当且仅当u′′=0u''=0(风险中性)。

收敛性与局限

解析函数→泰勒级数全局收敛(ex,sin⁡x,cos⁡xe^x,\sin x,\cos x)→收敛半径有限(ln⁡(1+x)\ln(1+x)半径1)。非解析光滑→级数不收敛(f(x)=e−1/x2,f(0)=0f(x)=e^{-1/x^2},f(0)=0→各阶导0→泰勒级数全零不恢复原函数)→此谓平坦函数。应用中有限阶逼近已足→关注余项可控性。

记忆:泰勒是"局部多项式近似"→一阶=切线、二阶=曲率→凸函数(f′′≥0f''\ge0)二阶项非负→与Jensen不等式f(E[X])≤E[f(X)]f(E[X])\le E[f(X)]异曲同工:Jensen全局、泰勒局部。核心:给定光滑性与展开点→前nn项多项式最佳逼近→余项控制逼近质量。

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