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Teoremas de series y varias variables

Teorema de Taylor: fórmula del resto y cota del error con ejemplos

El teorema de Taylor con el resto de Lagrange: qué tan cerca está un polinomio de Taylor de f(x). Enunciado, cota del error, gráfica y ejemplos con e y sen x.

Teoremas de series y varias variables Actualizado 4 min de lectura

De un vistazo

f(x) = P_n(x) + \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1}
Hipótesis
f tiene n + 1 derivadas en un intervalo abierto I que contiene a a, y x está en I
Polinomio de Taylor
P_n(x) = \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x - a)^k
Resto (forma de Lagrange)
R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1} para algún c entre a y x
Cota del error
|R_n(x)| \le \frac{M}{(n+1)!}|x - a|^{n+1} donde |f^{(n+1)}| \le M
Caso n = 0
El teorema del valor medio
Curso
Cálculo 2
En esta página
  1. Enunciado del teorema de Taylor
  2. Desigualdad de Taylor (la cota del error)
  3. Qué significa el teorema de Taylor
  4. Por qué importan las hipótesis
  5. Ejemplos resueltos
  6. Errores comunes
  7. Teoremas y guías relacionados

El teorema de Taylor dice que una función suave es igual a su polinomio de Taylor más un término de error, y le da a ese término de error una forma exacta. Así, la idea de que "el polinomio de Taylor es una buena aproximación" se convierte en un número garantizado de decimales correctos.

Enunciado del teorema de Taylor

Supongamos que f tiene derivadas hasta el orden n + 1 en un intervalo abierto I que contiene a a. Sea

P_n(x) = f(a) + f'(a)(x - a) + \frac{f''(a)}{2!}(x - a)^2 + \cdots + \frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x - a)^n

el polinomio de Taylor de grado n de f en a. Entonces, para cada x en I existe un número c entre a y x tal que

f(x) = P_n(x) + R_n(x), \qquad R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1}

Esta es la forma de Lagrange del resto. Cuando a = 0, el polinomio se llama polinomio de Maclaurin.

Desigualdad de Taylor (la cota del error)

Casi nunca conoces c, así que en su lugar acotas la derivada. Si |f^{(n+1)}(t)| \le M para todo t entre a y x, entonces

|f(x) - P_n(x)| = |R_n(x)| \le \frac{M}{(n+1)!}|x - a|^{n+1}

La cota se hace pequeña rápidamente porque (n+1)! crece más deprisa que cualquier potencia.

Qué significa el teorema de Taylor

El resto se parece exactamente al siguiente término de la serie de Taylor, salvo que la derivada se evalúa en algún punto c en lugar de en a. Para n = 0 el enunciado es f(x) = f(a) + f'(c)(x - a), que es el teorema del valor medio. El teorema de Taylor es su versión de orden superior.

Teorema de Taylor: los polinomios de Taylor de sen(x) en 0 se pegan a la curva cerca de 0
Los polinomios de Maclaurin de grado 1, 3 y 5 de \sin x. Cerca de x = 0 el error es diminuto; crece con |x| y disminuye al aumentar el grado.

Por qué importan las hipótesis

Suficientes derivadas. La fórmula del resto usa f^{(n+1)}. Para f(x) = |x| en a = 0, f'(0) no existe, así que ni siquiera hay un polinomio de Taylor de grado 1.

Un resto que no disminuye. El teorema de Taylor siempre se cumple cuando se cumplen sus hipótesis, pero no promete que el error tienda a 0. La función f(x) = e^{-1/x^2} (con f(0) = 0) tiene todas sus derivadas iguales a 0 en x = 0, así que todos sus polinomios de Taylor en 0 son el polinomio cero. El resto R_n(x) = f(x) nunca disminuye, y la serie de Taylor converge a 0, no a f. Una función es igual a su serie de Taylor solo cuando R_n(x) \to 0.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1: aproxima e con P_4 y acota el error.

Paso 1. Para f(x) = e^x en a = 0, todas las derivadas son e^x y valen 1 en 0. Así que

P_4(1) = 1 + 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{6} + \frac{1}{24} = \frac{65}{24} \approx 2.70833

Paso 2. En [0, 1], f^{(5)}(t) = e^t \le e < 3, así que tomamos M = 3.

Paso 3. |R_4(1)| \le \frac{3}{5!}\cdot 1^5 = \frac{3}{120} = 0.025.

El error real es e - 2.70833 \approx 0.00995, holgadamente dentro de la cota.

Ejemplo 2: \sin(0.1) con gran precisión.

El polinomio de Maclaurin P_3(x) = x - \frac{x^3}{6} da \sin(0.1) \approx 0.1 - \frac{0.001}{6} \approx 0.0998333. Como el coeficiente de x^4 del seno es 0, P_4 = P_3, así que podemos usar R_4. Todas las derivadas de \sin están acotadas por M = 1:

|R_4(0.1)| \le \frac{1}{5!}(0.1)^5 = \frac{0.00001}{120} \approx 8.3 \times 10^{-8}

Por tanto, 0.0998333 es correcto al menos hasta el sexto decimal.

Ejemplo 3: ¿cuántos términos para e^{0.5} con error menor que 0.001?

En [0, 0.5], e^t \le e^{0.5} < 2, así que |R_n(0.5)| \le \frac{2\,(0.5)^{n+1}}{(n+1)!}.

n Cota \frac{2\,(0.5)^{n+1}}{(n+1)!}
2 \frac{2(0.125)}{6} \approx 0.042
3 \frac{2(0.0625)}{24} \approx 0.0052
4 \frac{2(0.03125)}{120} \approx 0.00052

La cota baja de 0.001 por primera vez en n = 4, así que P_4(0.5) es suficientemente preciso.

Errores comunes

  1. Usar (n)! en lugar de (n+1)!. El resto tras un polinomio de grado n usa la derivada de orden (n+1) y (n+1)!.
  2. Acotar la derivada solo en a. M debe acotar |f^{(n+1)}| en todo el intervalo entre a y x.
  3. Suponer que la serie de Taylor siempre es igual a f. Solo lo es cuando el resto tiende a 0.

Teoremas y guías relacionados

El teorema de Taylor generaliza el teorema del valor medio. Para construir los propios polinomios y series, consulta series de Taylor y series de potencias. En varias variables, el desarrollo de Taylor de segundo orden usa derivadas parciales mixtas, que según el teorema de Clairaut pueden calcularse en cualquier orden.

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Preguntas frecuentes

¿Qué dice el teorema de Taylor?

Si f tiene n + 1 derivadas en un intervalo que contiene a a y a x, entonces f(x) = P_n(x) + R_n(x), donde P_n es el polinomio de Taylor de grado n en a y R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1} para algún c entre a y x.

¿Qué es la cota del error de Lagrange?

Si |f^{(n+1)}(t)| \le M para todo t entre a y x, entonces el error al usar P_n(x) para aproximar f(x) es como máximo \frac{M}{(n+1)!}|x - a|^{n+1}. Es lo mismo que la desigualdad de Taylor.

¿Cómo sé cuántos términos del polinomio de Taylor necesito?

Escribe la cota del error como función de n y aumenta n hasta que la cota sea menor que la precisión que necesitas. El factorial del denominador hace que la cota disminuya rápidamente.

¿Qué diferencia hay entre el teorema de Taylor y una serie de Taylor?

Una serie de Taylor es la suma infinita de todos los términos. El teorema de Taylor trata sobre un polinomio finito y da una fórmula exacta para el error que queda, que es como se demuestra que una serie de Taylor converge a la función.

Escrito por el equipo de PracticeCalculus

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