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 en se construye para que coincida con y con sus primeras derivadas en :
Cada coeficiente está hecho para que : comparten valor, pendiente, curvatura, etcétera. Por eso abraza la curva cerca de y se despega lejos. Movés el centro y el grado :
Si centrás en 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 con derivadas,
para algún entre y (forma de Lagrange del residuo). Es el TVM con esteroides: la -ésima derivada en un punto intermedio mide cuánto te falta. Dos cosas saltan a la vista: el error crece con la distancia y se apaga con el factorial . Esa pelea decide todo.
¿Cuándo la serie es la función?
Si cuando , el polinomio converge a y la serie de Taylor reproduce la función:
Para , y el factorial del denominador aplasta a cualquier , así que en toda la recta: radio . Para otras —como — hay una singularidad que pone un techo: el radio es la distancia del centro al punto problemático (), 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
| función | serie en | radio |
|---|---|---|
Por qué te importa
El primer corte de Taylor —el de grado 1, — 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".