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Series de Taylor

La idea es ambiciosa y simple a la vez: aproximar una función complicada cerca de un punto por un polinomio —el objeto más manejable que hay—. La derivada ya daba la mejor recta (aproximación de primer orden); Taylor sube el grado para pegarse cada vez mejor.

El polinomio de Taylor

El polinomio de Taylor de grado nn en aa se construye para que coincida con ff y con sus nn primeras derivadas en aa:

Tn(x)=k=0nf(k)(a)k!(xa)k=f(a)+f(a)(xa)+f(a)2!(xa)2+T_n(x) = \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}\,(x - a)^k = f(a) + f'(a)(x-a) + \frac{f''(a)}{2!}(x-a)^2 + \cdots

Cada coeficiente está hecho para que Tn(k)(a)=f(k)(a)T_n^{(k)}(a) = f^{(k)}(a): comparten valor, pendiente, curvatura, etcétera. Por eso TnT_n abraza la curva cerca de aa y se despega lejos. Movés el centro aa y el grado nn:

Polinomio de Taylor en x = a — interactivo
a
El polinomio de Taylor de grado n en a coincide con f y con sus n primeras derivadas ahí: por eso se pega a la curva cerca de a y se separa lejos. Subí n y el tramo de buen ajuste crece. Como el factorial domina, el radio es ∞: agregando términos aproximás en toda la recta.

Si centrás en a=0a = 0 se llama serie de Maclaurin —el caso que viste en las funciones especiales—; en general podés desarrollar alrededor de cualquier punto.

El teorema de Taylor — controlar el error

Aproximar sin saber cuánto te equivocás no sirve. El teorema de Taylor te da el error exacto. Para ff con n+1n+1 derivadas,

f(x)=Tn(x)+Rn(x),Rn(x)=f(n+1)(ξ)(n+1)!(xa)n+1,f(x) = T_n(x) + R_n(x), \qquad R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}\,(x - a)^{n+1},

para algún ξ\xi entre aa y xx (forma de Lagrange del residuo). Es el TVM con esteroides: la (n+1)(n+1)-ésima derivada en un punto intermedio mide cuánto te falta. Dos cosas saltan a la vista: el error crece con la distancia (xa)n+1(x-a)^{n+1} y se apaga con el factorial (n+1)!(n+1)!. Esa pelea decide todo.

¿Cuándo la serie es la función?

Si Rn(x)0R_n(x) \to 0 cuando nn \to \infty, el polinomio converge a ff y la serie de Taylor reproduce la función:

f(x)=k=0f(k)(a)k!(xa)k.f(x) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}\,(x - a)^k .

Para exe^x, sinx\sin x y cosx\cos x el factorial del denominador aplasta a cualquier (xa)n+1(x-a)^{n+1}, así que Rn0R_n \to 0 en toda la recta: radio R=R = \infty. Para otras —como 11x\frac{1}{1-x}— hay una singularidad que pone un techo: el radio es la distancia del centro aa al punto problemático (R=1aR = \lvert 1 - a\rvert), y pasado eso la serie diverge por más términos que sumes. El radio no es un detalle: es el dominio donde la aproximación tiene sentido.

El recetario

funciónserie en 00radio
exe^xxnn!\sum \dfrac{x^n}{n!}\infty
sinx\sin x(1)nx2n+1(2n+1)!\sum \dfrac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}\infty
cosx\cos x(1)nx2n(2n)!\sum \dfrac{(-1)^n x^{2n}}{(2n)!}\infty
11x\dfrac{1}{1-x}xn\sum x^n11
ln(1+x)\ln(1+x)(1)n+1xnn\sum \dfrac{(-1)^{n+1} x^n}{n}11

Por qué te importa

El primer corte de Taylor —el de grado 1, f(a)+f(a)(xa)f(a) + f'(a)(x-a)— es la linealización, el motor del método de Newton, del filtro de Kalman extendido y de la propagación de errores. El término de grado 2 (con la segunda derivada, o el hessiano en varias variables) es la curvatura que usa el método de Newton para optimizar. Y el residuo de Lagrange es de donde salen las cotas de error rigurosas: cuando truncás una serie en cómputo numérico, el siguiente término te dice cuánto podés estar equivocándote. Taylor convierte "aproximemos" en "aproximemos con esta garantía".