Séries de Taylor: aproximação polinomial e raio de convergência
Aproxime eˣ, sen x, cos x, 1/(1 − x) e ln x por polinômios em torno de um centro, veja o erro crescer longe dele e o raio de convergência que separa o que converge do que não converge.
Aproxime eˣ, sen x, cos x, 1/(1 − x) e ln x por polinômios em torno de um centro, veja o erro crescer longe dele e o raio de convergência que separa o que converge do que não converge.
Uma função suave pode ser aproximada perto de um ponto a por um polinômio. O polinômio de Taylor de grau n em torno de a é
P_n(x) = Σ (k = 0 até n) f⁽ᵏ⁾(a) / k! · (x − a)ᵏ
Os coeficientes c_k = f⁽ᵏ⁾(a)/k! são as derivadas de ordem k no centro. Com n = 0 temos só o valor f(a); com n = 1, a reta tangente (a derivada da aula anterior); com graus maiores, o polinômio acompanha a curva por mais tempo.
O erro |f(x) − P_n(x)| costuma crescer com a distância |x − a| e cair ao aumentar n. Existe um raio de convergência R: a série converge para |x − a| < R e diverge para |x − a| > R. Para eˣ, sen x e cos x, R = ∞: convergem em toda a reta. Para 1/(1 − x), R é a distância de a ao polo 1. Para ln x, R é a distância de a ao ponto 0, onde a função deixa de ser definida. Fora de R, aumentar n piora a aproximação, e não melhora.
Dentro do raio, a série representa a função; na borda e fora, não. A ferramenta destaca a região |x − a| < R no gráfico.
Quando um polinômio tem as mesmas derivadas que f até a ordem n no ponto a, ele concorda com f até uma ordem de erro que depende de f⁽ⁿ⁺¹⁾. Isso dá uma garantia local: perto de a a aproximação é muito boa.
Calculadoras e processadores aproximam eˣ, sen x e ln x por polinômios de Taylor, pois somar e multiplicar é rápido. A física usa a aproximação de primeira ordem em quase toda modelagem (pequenos ângulos: sen θ ≈ θ, que dá o período do pêndulo simples para pequenas oscilações). Em estatística, a expansão de Taylor fundamenta o método delta, que estima a variância de funções de médias.
Com centro 0 e x = 1, qual o menor grau n para que o erro de eˣ seja menor que 10⁻⁴?
Aumente n e observe o erro em x = 1 até cruzar 10⁻⁴.
Para 1/(1 − x) com centro 0, por que a série não converge para x = 1,5 mesmo com n = 30?
Compare |x − a| com o raio de convergência R = 1.
Para ln x com centro a = 2, qual é o raio de convergência? Por que um centro a = 0,5 converge em mais pontos?
O raio de ln x é a distância de a até o zero da função. Compare com x = 0.
Explique por que sen x em torno de 0 tem apenas termos ímpares: o que acontece com as derivadas pares em 0?
Olhe os coeficientes c_k exibidos e lembre-se de que sen é ímpar.
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Trilha de estudo: Funções · Mapa de conceitos