数据结构：递归：泰勒展开式（Taylor Series Expansion）

目录

第一步：❓我们要解决什么？

第二步：将其类比为求自然数和

第三步：什么是每一项？

第四步：定义要计算的每一项（term）

第五步：定义递归函数结构

 🌳 调用树结构

完整代码

复杂度分析 

🔚 总结图（从定义到实现）： 

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我们将用第一性原理来一步一步推导如何用 C++ 实现泰勒展开式（Taylor Series Expansion），并借助递归求自然数之和的思想进行类比和迁移。

第一步：❓我们要解决什么？

我们要用 C++ 写一个函数，计算 e^x 的近似值，基于泰勒展开公式。

第二步：将其类比为求自然数和

你已经知道：

int sumOfNumbers(int n)
{if (n == 0)return 0;elsereturn sumOfNumbers(n - 1) + n;
}

我们同样可以将泰勒级数看作是：

f(x) = 第0项 + 第1项 + 第2项 + … + 第n项

所以我们可以尝试用递归方法去表达每一项，累加所有项。

第三步：什么是每一项？

我们先思考“泰勒展开”的一项的数学结构：

我们从第一性原理推导出这个公式的两部分组成：

• 分子是 x^n，也就是 x * x * x……（共n次）

• 分母是 n!=n * (n−1) * (n−2)⋯1

所以我们必须做两件事：

• 每次递归都乘一次 x → 累计分子

• 每次递归都乘一次当前 n → 累计分母

从递归角度重新理解：

如果你在写一个 taylor(n) 递归函数，你会每次调用去表示：

• 我要计算第 n 项，

• 第 n 项是第 n−1 项 * x / n

于是我们可以这样递推：

✅ 这个推导说明：

我们不需要单独重复计算 x^n 和 n

我们可以利用上一步的结果，乘一个新的因子 x / n 就能得到下一项。

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第四步：定义要计算的每一项（term）

❓问题来了：

如果我们想用递归函数一步一步计算：

double taylor(int n, double x);

那么问题是：

• 上一项计算的结果在哪里？

• 本层计算需要的 x^(n-1) 和 （n-1）!怎么得来？

直觉尝试：用返回值传信息？

你可能会尝试每次都重新计算 x^n 和 n!，像这样：

double taylor(int n, double x) {return taylor(n-1, x) + pow(x, n) / factorial(n);  // NOT efficient
}

问题：

• 每一层都重复算一遍幂和阶乘

• 没有重用信息

✅ 真正的优化思路：我们需要“带状态的递归”

我们希望每次调用都记住前一项计算中积累出来的 x^n 和 n!

于是我们可以：

• 在函数内部保留静态变量（或全局变量）

• 让它在每一层递归中不断更新

我们引入三个全局变量：

double num = 1; // 分子（x^n）
double den = 1; // 分母（n!）

每次递归做的事情就是：

• 分子（幂函数）乘上 x

• 分母（阶乘）乘上 n

• 计算这一项 term = num / den

• 递归进入下一层（直到 n == 0 为止）

为什么不用局部变量？

• 每一层递归函数自己的局部变量在返回时会销毁，状态无法累积。

• 静态/全局变量可以在整个递归调用链中持续保存状态。

第五步：定义递归函数结构

我们遵循：

• 先处理“底部终止条件”（n == 0）

• 然后递归地构造前一项的和

• 最后处理当前这一项的贡献

否则：你将会提早计算当前项（还没到你这一层），状态错位。 

Step 1：递归函数要怎么“停下来”？

在定义任何递归函数的时候，必须先回答一个问题：

✨ 什么时候这个函数应该“终止”，不再递归？

这就是我们要设定的base case（基础情况）。

在泰勒展开中，第 0 项是已知的常数 1，所以我们在 n=0 时应该返回：1

if (n == 0) return 1;

 ✅ 这是递归的“锚点”，你必须先写，否则递归会无限下去。

Step 2：递归要先“构造前面的和”

✨思维实验：

假设你现在写的是：

double taylor(int n, double x) {num *= x;den *= n;double res = taylor(n - 1, x);return res + num / den;
}

你发现问题了没？

你先更新了 num 和 den，然后才去计算上一项的结果，这就打乱了状态的对应关系——因为上一

项本来是 x^(n-1) / (x-1) !，但你已经把它提前变成 x^n / x !​ 了。

错误：我们在进入上一个递归之前，就已经变更了状态！

✅ 正确方式：

我们应该：

1. 先去计算 上一项的累加和（taylor(n - 1)）

2. 回来以后再更新状态

3. 然后把当前这一项加进去

double taylor(int n, double x) {if (n == 0) return 1;double res = taylor(n - 1, x); // 🚶先去处理前面项num *= x;                      // ⏪回来再乘 xden *= n;                      // ⏪回来再乘 nreturn res + num / den;        // ⏫最后加上当前这一项
}

注意！这是典型的“递归先深入到底部（递归树的叶子）”，然后在回溯的过程中逐层累计每一项。

 🌳 调用树结构

示例：调用 taylor(3, x)，即展开 4 项 (n=3)

我们每调用一次函数，都画出一层，并在返回时说明计算了哪一项。

                                taylor(3)↓taylor(2)↓taylor(1)↓taylor(0) ← base case = 1

然后回溯计算（从下向上）：

• 返回 taylor(0) = 1

• 回到 taylor(1)：

  • 分子 num *= x → x

  • 分母 den *= 1 → 1

  • 加项 x^1/1! = x

• 回到 taylor(2)：

  • num *= x → x²

  • den *= 2 → 2

  • 加项 x^2 / 2!

• 回到 taylor(3)：

  • num *= x → x³

  • den *= 3 → 6

  • 加项 x^3 / 3!

taylor(0) = 1
taylor(1) = taylor(0) + x / 1
taylor(2) = taylor(1) + x^2 / 2
taylor(3) = taylor(2) + x^3 / 6

回溯顺序：
taylor(1) ← + x^1 / 1!     ← 分子: x，分母: 1
taylor(2) ← + x^2 / 2!     ← 分子: x²，分母: 2
taylor(3) ← + x^3 / 3!     ← 分子: x³，分母: 6

你看到没，正是因为我们在回溯阶段才处理当前项，才确保每一项都在它该在的位置！ 

调用层	n	分子（num）	分母（den）	当前项
3	3	x^3	3 !=6	x^3 / 6
2	2	x^2	2 !=2	x^2 / 2
1	1	x	1 !=1	x/1
0	0	1（初始值）	1（初始值）	1

完整代码

double num = 1;  // 分子
double den = 1;  // 分母double taylor(int n, double x) {if (n == 0) return 1;               // 1️⃣ 锚点：停止递归double res = taylor(n - 1, x);      // 2️⃣ 先构造前面所有项的和num *= x;                           // 3️⃣ 然后再更新状态den *= n;return res + num / den;             // 4️⃣ 当前项加进去
}

复杂度分析 

这是一个非常经典的线性递归（linear recursion）结构。我们来详细分析其时间复杂度和空间复杂度。 

⏱️时间复杂度分析（Time Complexity）

我们从函数调用过程来看：

• 调用 taylor(n) 会递归调用 taylor(n-1)

• taylor(n-1) 又会调用 taylor(n-2)

• ...

• 最后到底部 taylor(0) 返回 1，然后逐层回溯

整个递归链条是：

taylor(n)→ taylor(n-1)→ taylor(n-2)...→ taylor(0)

总共会调用 n+1 次函数（从 0 到 n）。

每一层递归执行的是：

• 一个函数调用（taylor(n - 1)）

• 两次乘法：num *= x, den *= n

• 一次加法：res + num / den

这些操作都是常数时间 O(1)。

 ✅ 所以：时间复杂度为：O（n）

空间复杂度分析（Space Complexity）

这就有趣了，因为这是递归。

你没有使用堆内存（比如数组、链表），但递归函数本身会在调用栈上分配帧：

• 每调用一次 taylor(n)，系统会开辟一块栈帧来保存：

  • 参数 n, x

  • 局部变量 res

  • 返回地址

由于这个是线性递归（不是尾递归），函数不会在递归过程中被优化掉（除非特别启用尾递归优化，C++ 一般不保证）。

 ✅ 所以：空间复杂度为：O（n） 

🔚 总结图（从定义到实现）： 

数学定义：term_n = x^n / n!   ← 每一项都能用前一项 * (x/n) 得到递归目标：taylor(n) = taylor(n-1) + term_n中间状态：num ← num * xden ← den * n于是代码：num = 1;den = 1;double taylor(n, x) {if n==0 return 1;res = taylor(n-1, x);num *= x; den *= n;return res + num / den;}