Verso l’Esame di Stato nel Liceo Scientifico
Problema
= · +
2
Risolvere i quesiti che seguono relativamente alla funzione f(x) = x2 log(1 + x).
a) Scrivere il polinomio di Taylor del terzo ordine, di punto iniziale x = 0.
b) Scrivere la formula di Taylor di ordine tre con il resto di Peano di punto iniziale x = 0 e dimostrare che il resto è un infinitesimo di ordine superiore a tre per x → 0.
Soluzione
a) La funzione in esame è trascendente logaritmica ed è definita nell’intervallo aperto A = ]−1; +∞[. La funzione ammette derivata di qualsiasi ordine in ogni punto del dominio, quindi esistono i polinomi di Taylor di qualsiasi ordine per ogni punto del dominio.
Ricordiamo che il polinomio di Taylor di punto iniziale x0 di ordine n per la funzione f(x) è così definito:
Pn(x) = f(x0) + f′(x0)(x − x0) + f′′(x0)/2! (x − x0)2 + ... + f(n)(x0)/n! (x − x0)n (1)
Per la funzione in esame risulta x0 = 0 ed n = 3. Occorre dunque determinare f(0), f′(0), f′′(0), f′′′(0). Si ha:
f(0) = 0.
L’espressione della funzione derivata prima è:
f′(x) = 2x log(1 + x) + x2/(1 + x) → f′(0) = 0;
l’espressione della funzione derivata seconda è:
f′′(x) = 2 log(1 + x) + 2x/(1 + x) + 2x/(1 + x)2 → f′′(0) = 0;
l’espressione della funzione derivata terza è:
f′′′(x) = 2/(1 + x) + 2/(1 + x) + 2(1 − x)/(1 + x)3 → f′′′(0) = 6.
Il polinomio di Taylor del terzo ordine richiesto è dunque
P3(x) = f(0) + f′(0)x/1! + f′′(0)x2/2! + f′′′(0)x3/3! = x3 (2)
b) La formula di Taylor di punto iniziale x = 0 di ordine tre con il resto di Peano è la seguente:
f(x) = P3(x) + x3 · ω(x), (3)
nella quale P3(x) è il polinomio di Taylor espresso dalla (2) ed il termine complementare x3 · ω(x) rappresenta il resto di Peano. Occorre dimostrare che il resto è un infinitesimo di ordine superiore a tre per x → 0. Per provare la tesi occorre dimostrare che risulta
limx→0 ω(x) = 0. (4)
Ebbene, dalla (3) si deduce che
x3 · ω(x) = f(x) − P3(x) = x2 log(1 + x) − x3
Serie di Taylor
In questo appunto andremo ad approfondire le serie di Taylor, utili strumenti per approssimare funzioni arbitrariamente "complesse" tramite l'utilizzo di funzioni molto più semplici: i polinomi.
Definizione
Sia data una funzione
In particolare, quando
Tali sviluppi risultano particolarmente utili per approssimare localmente delle funzioni che, altrimenti sarebbero troppo complesse da calcolare/disegnare oppure che renderebbero troppo difficile lavorare con esse quando compaiono, per esempio, nel calcolo dei limiti. In genere accade (con pochissime eccezioni) che più il grado
Osservazione 1:
Il polinomio di Taylor di ordine 1 della funzione
Osservazione 2:
Il polinomio di Taylor di grado
Esempi
Vediamo qualche esempio:
Sia data la funzione
Osserviamo che la funzione
Ricordiamoci di dividere per il fattoriale dell'ordine della derivata! Otteniamo così il polinomio di Taylor della funzione
Tale polinomio si può anche "estendere" a gradi successivi applicando la formula vista nel paragrafo precedente.