数学基础 · 附录 A 微积分要点 · A3

泰勒展开(一元与多元)

Taylor Expansion in One and Several Variables
已完成速查更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0

泰勒展开是全书最常用的数学工具。正文中的典型用法有:稳定性条件(§1.5、§1.8,展开到二阶);正则分布与巨正则分布的推导(§4.1、§8.1,把热源的熵展开到一阶);拉普拉斯方法与斯特林公式(§2.3);小振动(§P1.3、§6.5,把势能展开到二阶);有效质量(§11.6);索末菲展开(§13.2);临界点附近的范德瓦尔斯方程(§17.6);分子动力学的韦尔莱算法(§32.6)。

§A3.1一元泰勒公式

系数从哪里来。 假设 ff 在 x0x_0 附近可以写成幂级数 f(x0+Δ)=a0+a1Δ+a2Δ2+⋯f(x_0+\Delta) = a_0 + a_1\Delta + a_2\Delta^2 + \cdots。在 Δ=0\Delta = 0 处求 nn 阶导数,nn 次以下的项被求导消灭,nn 次以上的项在 Δ=0\Delta=0 处为零,只剩 n! ann!\,a_n。所以 an=f(n)(x0)/n!a_n = f^{(n)}(x_0)/n!:

f(x0+Δ)=f(x0)+f′(x0)Δ+f′′(x0)2!Δ2+⋯+f(N)(x0)N!ΔN+RN(A3.1)f(x_0+\Delta) = f(x_0) + f'(x_0)\Delta + \frac{f''(x_0)}{2!}\Delta^2 + \cdots + \frac{f^{(N)}(x_0)}{N!}\Delta^N + R_N \tag{A3.1}

余项。 不假设幂级数存在,也可以严格推出 (A3.1) 并得到误差 RNR_N 的表达式。从微积分基本定理出发:f(x0+Δ)=f(x0)+∫0Δf′(x0+s) dsf(x_0+\Delta) = f(x_0) + \int_0^\Delta f'(x_0+s)\,ds。对积分分部积分,取 d(s−Δ)d(s-\Delta) 作为"dvdv":

∫0Δf′(x0+s) ds=[(s−Δ)f′(x0+s)]0Δ−∫0Δ(s−Δ)f′′(x0+s) ds=Δf′(x0)+∫0Δ(Δ−s)f′′(x0+s) ds\int_0^\Delta f'(x_0+s)\,ds = \Big[(s-\Delta)f'(x_0+s)\Big]_0^\Delta - \int_0^\Delta(s-\Delta)f''(x_0+s)\,ds = \Delta f'(x_0) + \int_0^\Delta(\Delta - s)f''(x_0+s)\,ds

继续这样做 NN 次,得到积分形式的余项

RN=∫0Δ(Δ−s)NN! f(N+1)(x0+s) ds=f(N+1)(ξ)(N+1)! ΔN+1(A3.2)R_N = \int_0^\Delta\frac{(\Delta-s)^N}{N!}\,f^{(N+1)}(x_0+s)\,ds = \frac{f^{(N+1)}(\xi)}{(N+1)!}\,\Delta^{N+1} \tag{A3.2}

第二个等号(拉格朗日形式,ξ\xi 介于 x0x_0 与 x0+Δx_0+\Delta 之间)来自积分中值定理:(Δ−s)N(\Delta-s)^N 不变号。要点是:只要 f(N+1)f^{(N+1)} 有界,截断在 NN 阶的误差就是 ΔN+1\Delta^{N+1} 量级,记作 O(ΔN+1)O(\Delta^{N+1})。Δ\Delta 越小,近似越好;在级数收敛的范围内,保留的阶数越高,近似越好。

物理中"小量"的含义。 展开总是对一个无量纲的小参数进行的:Δ/x0\Delta/x_0、kBT/μk_{\mathrm B}T/\mu、ℏω/kBT\hbar\omega/k_{\mathrm B}T、(T−Tc)/Tc(T-T_c)/T_c……。说"xx 很小"之前,先要问"和什么相比"。

§A3.2常用的展开式

下表各式都可以由 (A3.1) 逐项求导得到(括号内为级数收敛的范围):

ex=1+x+x22!+x33!+⋯(一切 x)ln⁡(1+x)=x−x22+x33−⋯(−1<x≤1)(1+x)α=1+αx+α(α−1)2!x2+α(α−1)(α−2)3!x3+⋯(∣x∣<1)sin⁡x=x−x33!+⋯ ,cos⁡x=1−x22!+x44!−⋯(一切 x)tanh⁡x=x−x33+2x515−⋯(∣x∣<π/2)coth⁡x−1x=x3−x345+⋯(∣x∣<π)ln⁡cosh⁡x=x22−x412+⋯(∣x∣<π/2)artanh⁡x=12ln⁡1+x1−x=x+x33+x55+⋯(∣x∣<1)1ex−1=1x−12+x12−x3720+⋯(0<∣x∣<2π)(A3.3)\begin{aligned} e^x &= 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \cdots &&(\text{一切 }x)\\ \ln(1+x) &= x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \cdots &&(-1<x\le1)\\ (1+x)^\alpha &= 1 + \alpha x + \frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2 + \frac{\alpha(\alpha-1)(\alpha-2)}{3!}x^3 + \cdots &&(\lvert x\rvert<1)\\ \sin x &= x - \frac{x^3}{3!} + \cdots,\qquad \cos x = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \cdots &&(\text{一切 }x)\\ \tanh x &= x - \frac{x^3}{3} + \frac{2x^5}{15} - \cdots &&(\lvert x\rvert<\pi/2)\\ \coth x - \frac1x &= \frac x3 - \frac{x^3}{45} + \cdots &&(\lvert x\rvert<\pi)\\ \ln\cosh x &= \frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{12} + \cdots &&(\lvert x\rvert<\pi/2)\\ \operatorname{artanh}x &= \frac12\ln\frac{1+x}{1-x} = x + \frac{x^3}{3} + \frac{x^5}{5} + \cdots &&(\lvert x\rvert<1)\\ \frac{1}{e^x-1} &= \frac1x - \frac12 + \frac{x}{12} - \frac{x^3}{720} + \cdots &&(0<\lvert x\rvert<2\pi) \end{aligned}\tag{A3.3}

几点说明:

  1. (1+x)α(1+x)^\alpha 是二项式级数,α\alpha 可以是任意实数。常用特例:α=−1\alpha = -1 给出 1/(1+x)=1−x+x2−⋯1/(1+x) = 1 - x + x^2 - \cdots(几何级数);α=1/2\alpha = 1/2 给出 1+x=1+x2−x28+⋯\sqrt{1+x} = 1 + \frac x2 - \frac{x^2}{8} + \cdots(§P1.7、§P3.3);α=−1/2\alpha = -1/2 给出 1/1+x=1−x2+3x28−⋯1/\sqrt{1+x} = 1 - \frac x2 + \frac{3x^2}{8} - \cdots。
  2. 最后一式中 1/(ex−1)1/(e^x-1) 在 x=0x = 0 处发散,先把 1/x1/x 提出来,再展开 x/(ex−1)=1−x2+x212−⋯x/(e^x-1) = 1 - \frac x2 + \frac{x^2}{12} - \cdots。其系数(伯努利数)的求法见附录 A10。它给出谐振子、光子、声子在高温下的展开(§6.4、§15.1、§15.5)。
  3. tanh⁡x≈x−x3/3\tanh x\approx x - x^3/3 是平均场理论的核心(§18.4):自洽方程 m=tanh⁡(m/t)m = \tanh(m/t)(t=T/Tct = T/T_c)在 mm 很小时变成 m≈m/t−m3/(3t3)m\approx m/t - m^3/(3t^3),除以 mm 后得 m2=3t2(1−t)m^2 = 3t^2(1-t),即 m≈3(1−t)m\approx\sqrt{3(1-t)}。

组合展开。复合函数的展开可以逐层代入,只保留需要的阶数。例:

ln⁡cosh⁡x=ln⁡(1+x22+x424⏟u)=u−u22+⋯=x22+x424−x48+O(x6)=x22−x412+O(x6)\ln\cosh x = \ln\Big(1 + \underbrace{\tfrac{x^2}{2} + \tfrac{x^4}{24}}_{u}\Big) = u - \frac{u^2}{2} + \cdots = \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} - \frac{x^4}{8} + O(x^6) = \frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{12} + O(x^6)

(u2/2=x4/8+O(x6)u^2/2 = x^4/8 + O(x^6);u3u^3 已是 x6x^6 量级。)

函数
f(x)f(x)展开到 xNx^N 的泰勒多项式
xx
在 x=0.5 处的误差\text{在 }x = 0.5\text{ 处的误差}
—
在 x=1 处的误差\text{在 }x = 1\text{ 处的误差}
—
级数收敛的范围\text{级数收敛的范围}
—
图 A3.1(A3.3) 中几个函数在 x=0x = 0 处的泰勒多项式。exe^x 与 sin⁡x\sin x 的级数处处收敛,阶数越高,吻合的范围越宽;ln⁡(1+x)\ln(1+x) 与 tanh⁡x\tanh x 的级数有有限的收敛半径,在半径以外,阶数越高偏离越厉害。

§A3.3保留到哪一阶:一个重要的教训

展开到哪一阶,取决于最低阶的非零效应在哪一阶。§P3.3 中两个耦合振子的频率为 ω±=ω01±ϵ\omega_\pm = \omega_0\sqrt{1\pm\epsilon},零点能之和为 ℏ2(ω++ω−)\frac\hbar2(\omega_++\omega_-)。若只展开到一阶,1±ϵ≈1±ϵ/2\sqrt{1\pm\epsilon}\approx1\pm\epsilon/2,两项的修正恰好抵消,会错误地得出"耦合不改变能量"。展开到二阶:

ℏω02[(1+ϵ2−ϵ28)+(1−ϵ2−ϵ28)]=ℏω0−ℏω0ϵ28\frac{\hbar\omega_0}{2}\Big[\big(1 + \tfrac\epsilon2 - \tfrac{\epsilon^2}{8}\big) + \big(1 - \tfrac\epsilon2 - \tfrac{\epsilon^2}{8}\big)\Big] = \hbar\omega_0 - \frac{\hbar\omega_0\epsilon^2}{8}

能量降低与 ϵ2\epsilon^2 成正比——这就是伦敦色散力的来源。同样地,§1.5 中两个子系统交换能量时一阶项相互抵消,稳定性由二阶项决定;§17.6 中临界点处一阶、二阶项都消失,物态方程的形状由三阶项决定。当某一阶的贡献由于对称性而抵消时,必须展开到下一阶。

泰勒级数抓不住的东西。 函数 e−1/xe^{-1/x}(x>0x>0)在 x→0+x\to0^+ 时各阶导数都趋于零,所以它在 x=0x = 0 处的"泰勒级数"恒为零,却不是零函数。物理中,e−Δ/kBTe^{-\Delta/k_{\mathrm B}T} 型的量(有能隙的系统在低温下的热容,如爱因斯坦模型 §6.5;索末菲展开中略去的 e−μ/kBTe^{-\mu/k_{\mathrm B}T} 项,§13.2)就属于这一类:它们在任何有限阶的 TT 展开中都不出现。

§A3.4多元泰勒展开

设 f(x)=f(x1,…,xn)f(\mathbf x) = f(x_1,\dots,x_n),要在 x0\mathbf x_0 附近展开。技巧是把它化为一元问题:令 g(t)=f(x0+tΔ)g(t) = f(\mathbf x_0 + t\boldsymbol\Delta),则 f(x0+Δ)=g(1)f(\mathbf x_0+\boldsymbol\Delta) = g(1)。由链式法则 (A1.3),

g′(t)=∑i∂f∂xiΔi,g′′(t)=∑i,j∂2f∂xi∂xjΔiΔjg'(t) = \sum_i\frac{\partial f}{\partial x_i}\Delta_i,\qquad g''(t) = \sum_{i,j}\frac{\partial^2f}{\partial x_i\partial x_j}\Delta_i\Delta_j

(都在 x0+tΔ\mathbf x_0 + t\boldsymbol\Delta 处取值。)把 g(1)=g(0)+g′(0)+12g′′(0)+⋯g(1) = g(0) + g'(0) + \frac12g''(0) + \cdots 写出来:

f(x0+Δ)=f(x0)+∑i∂if Δi+12∑i,j∂i∂jf ΔiΔj+O(Δ3)(A3.4)f(\mathbf x_0+\boldsymbol\Delta) = f(\mathbf x_0) + \sum_i\partial_if\,\Delta_i + \frac12\sum_{i,j}\partial_i\partial_jf\,\Delta_i\Delta_j + O(\Delta^3) \tag{A3.4}

一阶项是梯度与位移的内积 ∇f⋅Δ\nabla f\cdot\boldsymbol\Delta;二阶项中的矩阵 Hij=∂i∂jfH_{ij} = \partial_i\partial_jf 称为黑塞矩阵,由 (A2.4) 它是对称矩阵。二元时写开是

f(x0+Δx, y0+Δy)=f+fxΔx+fyΔy+12(fxxΔx2+2fxyΔxΔy+fyyΔy2)+⋯f(x_0+\Delta x,\,y_0+\Delta y) = f + f_x\Delta x + f_y\Delta y + \tfrac12\big(f_{xx}\Delta x^2 + 2f_{xy}\Delta x\Delta y + f_{yy}\Delta y^2\big) + \cdots

正文中的例子。

  • §4.1:系统处于能量 EiE_i 的态时,热源的熵为 SR(Etot−Ei)≈SR(Etot)−Ei/TS_{\mathrm R}(E_{\mathrm{tot}} - E_i)\approx S_{\mathrm R}(E_{\mathrm{tot}}) - E_i/T。二阶项 12SR′′Ei2\frac12S_{\mathrm R}''E_i^2 与一阶项之比约为 Ei/(CRT)E_i/(C_{\mathrm R}T),热源越大越小(CRC_{\mathrm R} 是热源的热容),所以可以略去。
  • §8.1:同时交换能量与粒子,对两个变量展开到一阶,SR(Etot−E, Ntot−N)≈SR−E/T+μN/TS_{\mathrm R}(E_{\mathrm{tot}}-E,\,N_{\mathrm{tot}}-N)\approx S_{\mathrm R} - E/T + \mu N/T。
  • §P1.3、§6.5:势能在平衡位置附近展开,一阶项因为是平衡点而为零,二阶项给出 12∑Kijuiuj\frac12\sum K_{ij}u_iu_j,KK 就是势能的黑塞矩阵,对角化后得到简正模(附录 B2)。

§A3.5驻点的分类

在驻点 ∇f(x0)=0\nabla f(\mathbf x_0) = 0 处,(A3.4) 的一阶项消失,

f(x0+Δ)−f(x0)≈12∑i,jHijΔiΔj=12ΔTHΔ(A3.5)f(\mathbf x_0+\boldsymbol\Delta) - f(\mathbf x_0)\approx\frac12\sum_{i,j}H_{ij}\Delta_i\Delta_j = \frac12\boldsymbol\Delta^{\mathsf T}H\boldsymbol\Delta \tag{A3.5}

因此:若二次型 ΔTHΔ\boldsymbol\Delta^{\mathsf T}H\boldsymbol\Delta 对一切 Δ≠0\boldsymbol\Delta\ne0 为正(HH 正定),x0\mathbf x_0 是极小;若恒为负(负定),是极大;若有正有负,是鞍点。由附录 B2,把 HH 正交对角化后,二次型变为 ∑aλaya2\sum_a\lambda_ay_a^2,所以"正定"等价于"所有本征值为正"。

二元情形可以直接配方(设 fxx≠0f_{xx}\ne0):

fxxΔx2+2fxyΔxΔy+fyyΔy2=fxx(Δx+fxyfxxΔy)2+fxxfyy−fxy2fxxΔy2f_{xx}\Delta x^2 + 2f_{xy}\Delta x\Delta y + f_{yy}\Delta y^2 = f_{xx}\left(\Delta x + \frac{f_{xy}}{f_{xx}}\Delta y\right)^2 + \frac{f_{xx}f_{yy} - f_{xy}^2}{f_{xx}}\Delta y^2

所以极小的条件是 fxx>0f_{xx}>0 且 fxxfyy−fxy2>0f_{xx}f_{yy} - f_{xy}^2>0;极大的条件是 fxx<0f_{xx}<0 且 fxxfyy−fxy2>0f_{xx}f_{yy} - f_{xy}^2>0;若 fxxfyy−fxy2<0f_{xx}f_{yy} - f_{xy}^2<0 则是鞍点。热力学稳定性条件正是这类条件:熵在平衡态取极大,要求 S(U,V)S(U,V) 的黑塞矩阵负定。§1.5 由其中的 ∂2S/∂U2<0\partial^2S/\partial U^2<0 得到 CV>0C_V>0;§1.8 由 FF 在 VV 方向上取极小(∂2F/∂V2>0\partial^2F/\partial V^2>0)得到 κT>0\kappa_T>0。

§A3.6与拉普拉斯方法的关系

§2.3 的拉普拉斯方法 (2.13) 就是"在极大值处展开到二阶,再做高斯积分"。为什么可以忽略三阶及更高阶的项?令 x−x0=y/Nx - x_0 = y/\sqrt N,指数 Nf(x)Nf(x) 变为

Nf(x0)−∣f′′∣2y2+f′′′6y3N+f′′′′24y4N+⋯Nf(x_0) - \frac{\lvert f''\rvert}{2}y^2 + \frac{f'''}{6}\frac{y^3}{\sqrt N} + \frac{f''''}{24}\frac{y^4}{N} + \cdots

被积函数只在 y∼1y\sim1 的范围内不可忽略,而在这个范围内三阶、四阶项分别是 N−1/2N^{-1/2}、N−1N^{-1} 量级。所以 N→∞N\to\infty 时二阶近似越来越准确。(y3y^3 项是奇函数,它在高斯积分中的一阶贡献为零;首个非零的修正来自 y4y^4 项与 y3y^3 项的平方,都是 1/N1/N 量级。)所以修正只影响 ln⁡∫\ln\int 的 O(1/N)O(1/N) 项。

§A3.7有限差分

把 f(x±h)f(x\pm h) 展开到四阶并相加、相减:

f(x+h)−f(x−h)2h=f′(x)+h26f′′′(x)+⋯ ,f(x+h)−2f(x)+f(x−h)h2=f′′(x)+h212f′′′′(x)+⋯(A3.6)\frac{f(x+h) - f(x-h)}{2h} = f'(x) + \frac{h^2}{6}f'''(x) + \cdots,\qquad \frac{f(x+h) - 2f(x) + f(x-h)}{h^2} = f''(x) + \frac{h^2}{12}f''''(x) + \cdots \tag{A3.6}

奇次项(或偶次项)成对抵消,所以中心差分的误差是 h2h^2 量级。两个应用:

  • 韦尔莱算法(§32.6):r(t+Δt)+r(t−Δt)=2r(t)+a Δt2+O(Δt4)\mathbf r(t+\Delta t) + \mathbf r(t-\Delta t) = 2\mathbf r(t) + \mathbf a\,\Delta t^2 + O(\Delta t^4),速度项和三阶项都抵消了。
  • 从晶格到连续介质(§10.4):一维原子链的运动方程 (10.6) 含 un+1+un−1−2unu_{n+1} + u_{n-1} - 2u_n;当位移在许多个晶格常数 aa 上缓慢变化时,由 (A3.6) 它近似为 a2 ∂2u/∂x2a^2\,\partial^2u/\partial x^2,运动方程变成波动方程 Mu¨=Ka2 ∂2u/∂x2M\ddot u = Ka^2\,\partial^2u/\partial x^2(附录 A15),声速 vs=aK/Mv_{\mathrm s} = a\sqrt{K/M},与 (10.7) 的长波极限一致。

自测题

  1. 用 (A3.3) 证明:量子谐振子(含零点能)的平均能量 ℏω2coth⁡ℏω2kBT\frac{\hbar\omega}{2}\coth\frac{\hbar\omega}{2k_{\mathrm B}T} 在高温下等于 kBT+(ℏω)212kBT+⋯k_{\mathrm B}T + \frac{(\hbar\omega)^2}{12k_{\mathrm B}T} + \cdots。[提示:ℏω2+ℏωex−1\frac{\hbar\omega}{2} + \frac{\hbar\omega}{e^x - 1},x=ℏω/kBTx = \hbar\omega/k_{\mathrm B}T。]
  2. 判断 f=x2+3xy+y2f = x^2 + 3xy + y^2 在原点的驻点类型。[答:fxxfyy−fxy2=4−9<0f_{xx}f_{yy} - f_{xy}^2 = 4 - 9<0,鞍点。]
  3. 证明 (A3.6) 中二阶差分的误差项是 h212f′′′′\frac{h^2}{12}f''''。[提示:f(x±h)=f±hf′+h22f′′±h36f′′′+h424f′′′′+⋯f(x\pm h) = f\pm hf' + \frac{h^2}{2}f''\pm\frac{h^3}{6}f''' + \frac{h^4}{24}f'''' + \cdots。]
  4. 把 1/(1+32ϕ)1/(1 + \frac32\phi) 展开到 ϕ3\phi^3。[答:1−32ϕ+94ϕ2−278ϕ31 - \frac32\phi + \frac94\phi^2 - \frac{27}{8}\phi^3;这正是 §17.6 中用到的展开。]
  5. 狭义相对论的动能 mc2(1/1−v2/c2−1)mc^2\big(1/\sqrt{1-v^2/c^2} - 1\big) 展开到 v4v^4。[答:12mv2+38mv4/c2\frac12mv^2 + \frac38mv^4/c^2。]