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Sequências e séries

Exercícios de série de Taylor resolvidos, com respostas

12 exercícios de séries de Taylor e de Maclaurin com respostas: construção de séries, polinômios de Taylor, estimativas com erro, limites e somas.

Sequências e séries Atualizado 4 min de leitura

Visão geral

f(x) = \sum_{n=0}^{\infty}\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x - a)^n
Exercícios
12, com respostas e resolução completa
Nível
Cálculo 2 e AP Calculus BC, Unidade 10
Você precisa saber
Derivadas, fatoriais e séries de potências
Ideia principal
Iguale as derivadas de f em um ponto e depois use a série para aproximar, calcular limites ou somar
Pratique com novos números
Lição de série de Maclaurin
Nesta página
  1. Exercícios
  2. Respostas
  3. Resolução passo a passo
  4. Erros comuns nestes exercícios
  5. Continue praticando

Estes exercícios de série de Taylor cobrem a construção de séries de Maclaurin e de Taylor, polinômios de Taylor, estimativas com limitação do erro e o uso de séries para calcular limites, derivadas e somas. Tente resolver cada um primeiro. As respostas vêm antes, depois as resoluções completas.

A 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 o raciocínio e mais exemplos, leia o guia de série de Taylor.

Exercícios

Construindo séries

  1. Encontre os quatro primeiros termos não nulos da série de Maclaurin de e^{2x}.
  2. Encontre os três primeiros termos não nulos da série de Maclaurin de \cos(x^2).
  3. Encontre os quatro primeiros termos não nulos da série de Maclaurin de x\,e^{-x}.
  4. Encontre a série de Taylor de \ln x centrada em a = 1.
  5. Encontre o polinômio de Taylor de grau 3 de \sqrt{x} centrado em a = 4.
  6. Use a série de \frac{1}{1 + x^2} para encontrar a série de Maclaurin de \arctan x.

Estimativas

  1. Use o polinômio de Taylor de grau 2 do exercício 5 para estimar \sqrt{4.1}.
  2. Estime \sin(0.5) com x - \frac{x^3}{6} e limite o erro.

Usando séries

  1. Encontre f^{(10)}(0) para f(x) = x^2\cos x.
  2. Calcule \displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\sin x - x}{x^3}.
  3. Calcule \displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{e^x - 1 - x}{x^2}.
  4. Calcule a soma \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n\pi^{2n}}{(2n)!}.

Respostas

Exercício Resposta
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, erro menor que 0.00027
9 90
10 -\frac{1}{6}
11 \frac{1}{2}
12 -1

Resolução passo a passo

1. Troque x por 2x em 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. Troque x por x^2 em \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. Multiplique cada termo por x.

4. Para f(x) = \ln x: f(1) = 0, f'(1) = 1, f''(1) = -1, f'''(1) = 2 e, em geral, f^{(n)}(1) = (-1)^{n+1}(n - 1)!. Divida por n! para obter \frac{(-1)^{n+1}}{n}:

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

5. Calcule as derivadas em x = 4:

Valor em 4 Divida por 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. Integre termo a termo de 0 a x:

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

7. Com x - 4 = 0.1:

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

O valor real é 2.0248457\ldots, então a estimativa erra por cerca de 0.000002.

8. 0.5 - \frac{0.125}{6} \approx 0.479167. A série é alternada com termos decrescentes, então o erro é menor que o próximo termo, \frac{0.5^5}{120} \approx 0.00026. O valor real é 0.479426, uma diferença 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. O coeficiente de x^{10} é \frac{1}{8!}, e ele também é 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. Divida por 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. Divida por x^2: \frac{1}{2} + \frac{x}{6} + \cdots \to \frac{1}{2}.

12. Esta é a série do cosseno \sum\frac{(-1)^n x^{2n}}{(2n)!} com x = \pi, então a soma é \cos\pi = -1.

Erros comuns nestes exercícios

  • Esquecer o fatorial. O coeficiente é \frac{f^{(n)}(a)}{n!}, e não f^{(n)}(a). No exercício 5, f''(4) = -\frac{1}{32}, mas o coeficiente é -\frac{1}{64}.
  • Calcular derivadas quando a substituição resolve. Derivar \cos(x^2) oito vezes é demorado. Substitua na série conhecida.
  • Usar x em vez de x - a. Uma série de Taylor em a = 4 usa potências de (x - 4).
  • Confundir qual coeficiente dá qual derivada. No exercício 9, o coeficiente de x^{10} vem do termo n = 4 do cosseno, e você multiplica por 10!.

Continue praticando

Para exercícios ilimitados com correção imediata, faça a lição de polinômios de Taylor, a lição de série de Maclaurin e a lição de estimativas com Taylor. Depois tente os exercícios de curvas paramétricas e polares, que fecham a mesma unidade de Cálculo 2.

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Séries de Maclaurin comuns

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Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre série de Taylor e série de Maclaurin?

Uma série de Maclaurin é uma série de Taylor centrada em a = 0. Séries de Taylor podem ser centradas em qualquer ponto, como nos exercícios 4 e 5 abaixo.

Quais séries de Maclaurin devo decorar?

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)!} e \frac{1}{1 - x} = \sum x^n. A maioria das outras séries que caem em prova sai dessas por substituição, multiplicação ou integração.

Qual é a precisão de um polinômio de Taylor?

Em uma série alternada, o erro é no máximo o primeiro termo desprezado. Em geral, a estimativa do resto de Lagrange diz que o erro é no máximo \frac{M}{(n+1)!}|x - a|^{n+1}, em que M limita |f^{(n+1)}| entre a e x. Veja o teorema de Taylor.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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