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Sucesiones y series

Ejercicios resueltos de series de Taylor y Maclaurin

12 ejercicios de series de Taylor y Maclaurin con respuestas: construir series, polinomios de Taylor, estimaciones con cota de error, límites y sumas.

Sucesiones y series Actualizado 4 min de lectura

De un vistazo

f(x) = \sum_{n=0}^{\infty}\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x - a)^n
Ejercicios
12, con respuestas y soluciones completas
Nivel
Cálculo 2 y AP Calculus BC, unidad 10
Necesitas
Derivadas, factoriales y series de potencias
Idea principal
Iguala las derivadas de f en un punto y luego usa la serie para aproximar, calcular límites o sumar
Practica con números nuevos
Lección de series de Maclaurin
En esta página
  1. Ejercicios
  2. Respuestas
  3. Soluciones paso a paso
  4. Errores comunes en estos ejercicios
  5. Sigue practicando

Estos ejercicios de series de Taylor cubren cómo construir series de Maclaurin y de Taylor, polinomios de Taylor, estimaciones con cota de error y el uso de series para calcular límites, derivadas y sumas. Intenta cada uno primero. Primero van las respuestas y después las soluciones completas.

La fórmula:

f(x) = \sum_{n=0}^{\infty}\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x - a)^n = f(a) + f'(a)(x - a) + \frac{f''(a)}{2!}(x - a)^2 + \cdots

Para ver el razonamiento y más ejemplos, lee la guía de series de Taylor.

Ejercicios

Construir series

  1. Halla los cuatro primeros términos no nulos de la serie de Maclaurin de e^{2x}.
  2. Halla los tres primeros términos no nulos de la serie de Maclaurin de \cos(x^2).
  3. Halla los cuatro primeros términos no nulos de la serie de Maclaurin de x\,e^{-x}.
  4. Halla la serie de Taylor de \ln x centrada en a = 1.
  5. Halla el polinomio de Taylor de grado 3 de \sqrt{x} centrado en a = 4.
  6. Usa la serie de \frac{1}{1 + x^2} para hallar la serie de Maclaurin de \arctan x.

Estimaciones

  1. Usa el polinomio de Taylor de grado 2 del ejercicio 5 para estimar \sqrt{4.1}.
  2. Estima \sin(0.5) con x - \frac{x^3}{6} y acota el error.

Usar series

  1. Halla f^{(10)}(0) para f(x) = x^2\cos x.
  2. Calcula \displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\sin x - x}{x^3}.
  3. Calcula \displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{e^x - 1 - x}{x^2}.
  4. Calcula la suma \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n\pi^{2n}}{(2n)!}.

Respuestas

Ejercicio Respuesta
1 1 + 2x + 2x^2 + \frac{4}{3}x^3
2 1 - \frac{x^4}{2} + \frac{x^8}{24}
3 x - x^2 + \frac{x^3}{2} - \frac{x^4}{6}
4 \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n+1}(x - 1)^n}{n}
5 2 + \frac{x - 4}{4} - \frac{(x - 4)^2}{64} + \frac{(x - 4)^3}{512}
6 x - \frac{x^3}{3} + \frac{x^5}{5} - \cdots
7 \approx 2.0248438
8 \approx 0.479167, error menor que 0.00027
9 90
10 -\frac{1}{6}
11 \frac{1}{2}
12 -1

Soluciones paso a paso

1. Cambia x por 2x en e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + \cdots:

1 + 2x + \frac{4x^2}{2} + \frac{8x^3}{6} = 1 + 2x + 2x^2 + \frac{4}{3}x^3

2. Cambia x por x^2 en \cos x = 1 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} - \cdots:

1 - \frac{x^4}{2} + \frac{x^8}{24} - \cdots

3. e^{-x} = 1 - x + \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{6} + \cdots. Multiplica cada término por x.

4. Para f(x) = \ln x: f(1) = 0, f'(1) = 1, f''(1) = -1, f'''(1) = 2, y en general f^{(n)}(1) = (-1)^{n+1}(n - 1)!. Divide entre n! para obtener \frac{(-1)^{n+1}}{n}:

\ln x = (x - 1) - \frac{(x - 1)^2}{2} + \frac{(x - 1)^3}{3} - \cdots

5. Calcula las derivadas en x = 4:

Valor en 4 Dividido entre n!
f = x^{1/2} 2 2
f' = \frac{1}{2}x^{-1/2} \frac{1}{4} \frac{1}{4}
f'' = -\frac{1}{4}x^{-3/2} -\frac{1}{32} -\frac{1}{64}
f''' = \frac{3}{8}x^{-5/2} \frac{3}{256} \frac{1}{512}

6. \frac{1}{1 + x^2} = 1 - x^2 + x^4 - \cdots para |x| < 1. Integra término a término de 0 a x:

\arctan x = x - \frac{x^3}{3} + \frac{x^5}{5} - \cdots

7. Con x - 4 = 0.1:

2 + \frac{0.1}{4} - \frac{0.01}{64} = 2 + 0.025 - 0.00015625 = 2.02484375

El valor real es 2.0248457\ldots, así que la estimación difiere en unos 0.000002.

8. 0.5 - \frac{0.125}{6} \approx 0.479167. La serie es alternada con términos decrecientes, así que el error es menor que el término siguiente, \frac{0.5^5}{120} \approx 0.00026. El valor real es 0.479426, con una diferencia de 0.000259.

9. x^2\cos x = x^2 - \frac{x^4}{2!} + \frac{x^6}{4!} - \frac{x^8}{6!} + \frac{x^{10}}{8!} - \cdots. El coeficiente de x^{10} es \frac{1}{8!}, y también es igual a \frac{f^{(10)}(0)}{10!}:

f^{(10)}(0) = \frac{10!}{8!} = 10\cdot 9 = 90

10. \sin x - x = -\frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} - \cdots. Divide entre x^3: -\frac{1}{6} + \frac{x^2}{120} - \cdots \to -\frac{1}{6}.

11. e^x - 1 - x = \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + \cdots. Divide entre x^2: \frac{1}{2} + \frac{x}{6} + \cdots \to \frac{1}{2}.

12. Es la serie del coseno \sum\frac{(-1)^n x^{2n}}{(2n)!} con x = \pi, así que la suma es \cos\pi = -1.

Errores comunes en estos ejercicios

  • Olvidar el factorial. El coeficiente es \frac{f^{(n)}(a)}{n!}, no f^{(n)}(a). En el ejercicio 5, f''(4) = -\frac{1}{32} pero el coeficiente es -\frac{1}{64}.
  • Derivar cuando basta con sustituir. Derivar \cos(x^2) ocho veces es lento. Sustituye en la serie conocida.
  • Usar x en lugar de x - a. Una serie de Taylor en a = 4 usa potencias de (x - 4).
  • Confundir qué coeficiente da qué derivada. En el ejercicio 9, el coeficiente de x^{10} viene del término n = 4 del coseno, y se multiplica por 10!.

Sigue practicando

Para practicar sin límite con corrección al instante, prueba la lección de polinomios de Taylor, la lección de series de Maclaurin y la lección de estimaciones con Taylor. Después, prueba los ejercicios de paramétricas y polares, que completan la misma unidad de Cálculo 2.

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Series de Maclaurin comunes

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Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre una serie de Taylor y una serie de Maclaurin?

Una serie de Maclaurin es una serie de Taylor centrada en a = 0. Las series de Taylor pueden centrarse en cualquier punto, como en los ejercicios 4 y 5.

¿Qué series de Maclaurin debo memorizar?

e^x = \sum\frac{x^n}{n!}, \sin x = \sum\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}, \cos x = \sum\frac{(-1)^n x^{2n}}{(2n)!} y \frac{1}{1 - x} = \sum x^n. La mayoría de las demás series de los exámenes salen de estas por sustitución, multiplicación o integración.

¿Qué precisión tiene un polinomio de Taylor?

En una serie alternada, el error es como mucho el primer término que omites. En general, la cota de error de Lagrange dice que el error es como mucho \frac{M}{(n+1)!}|x - a|^{n+1}, donde M acota |f^{(n+1)}| entre a y x. Consulta el teorema de Taylor.

Escrito por el equipo de PracticeCalculus

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