Polinómio e série de Taylor

Construção de Taylor, resto de Lagrange, erro, séries de potências e intervalo de convergência.

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Polinómio e erro

O polinómio de Taylor de ordem nn em aa coincide com as derivadas de ff até ordem nn no centro:

Pn,a(x)=∑k=0nf(k)(a)k!(x−a)k.P_{n,a}(x)=\sum_{k=0}^n\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k.

Usa f(0)=ff^{(0)}=f e 0!=10!=1. O grau é no máximo nn.

Se ff tem derivadas contínuas até ordem n+1n+1 no segmento entre aa e xx,

f(x)−Pn,a(x)=f(n+1)(ξ)(n+1)!(x−a)n+1,f(x)-P_{n,a}(x)=\frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1},

para algum ξ\xi entre os dois pontos. Uma cota ∣f(n+1)∣≤M|f^{(n+1)}|\le M em todo o segmento dá erro no máximo M∣x−a∣n+1/(n+1)!M|x-a|^{n+1}/(n+1)!.

Para exe^x, P3,0=1+x+x2/2+x3/6P_{3,0}=1+x+x^2/2+x^3/6. Em x=0,1x=0{,}1, usando ex<2e^x<2 no segmento, o erro é menor que 1/1200001/120000.

Séries de Taylor

Ter todas as derivadas permite formar a série, mas a igualdade com ff exige que o resto tenda para zero. As somas abaixo começam em k=0k=0, exceto o logaritmo, que começa em k=1k=1:

SérieSomaOnde vale
∑k=0∞xk/k!\sum_{k=0}^{\infty}x^k/k!exe^xTodo R\mathbb R
∑k=0∞(−1)kx2k+1/(2k+1)!\sum_{k=0}^{\infty}(-1)^kx^{2k+1}/(2k+1)!sin⁡x\sin xTodo R\mathbb R
∑k=0∞(−1)kx2k/(2k)!\sum_{k=0}^{\infty}(-1)^kx^{2k}/(2k)!cos⁡x\cos xTodo R\mathbb R
∑k=0∞xk\sum_{k=0}^{\infty}x^k1/(1−x)1/(1-x)∥x∥<1\|x\|<1
∑k=1∞(−1)k+1xk/k\sum_{k=1}^{\infty}(-1)^{k+1}x^k/kln⁡(1+x)\ln(1+x)−1<x≤1-1<x\le1

Substituir numa série conhecida evita muitas derivadas: x3e−2x2=∑k=0∞(−2)kx2k+3/k!x^3e^{-2x^2}=\sum_{k=0}^{\infty}(-2)^kx^{2k+3}/k! em todo o real.

Polinómio e resto de xln⁡xx\ln x no centro um.

Raio e extremos

Uma série ∑ck(x−a)k\sum c_k(x-a)^k converge absolutamente para ∣x−a∣<R|x-a|<R e diverge para ∣x−a∣>R|x-a|>R. Estuda cada extremo separadamente.

Para ∑k=1∞(x−2)k/(k3k)\sum_{k=1}^{\infty}(x-2)^k/(k3^k), a razão dá R=3R=3. Em −1-1 aparece uma harmónica alternada; em 55, a harmónica. O intervalo é [−1,5[[-1,5[.

Dentro do intervalo aberto podes derivar e integrar termo a termo. O raio conserva-se; a convergência nos extremos pode mudar.

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