Um Curso de Cálculo, Volume 1

Hamilton Luiz Guidorizzi · Capítulo 80 de 111

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Um Curso de Cálculo, Volume 1

16 Fórmula de Taylor

16.1 Aproximação Local de uma Função Diferenciável

por uma Função Afim

Seja f uma função derivável em x e seja T dada por 0

T (x) = f(x ) + f′(x ) (x − x ). 0 0 0

O gráfico de T é a reta tangente ao gráfico de f em (x , f(x )). 0 0

Para cada x ∈ D , seja E (x) o erro que se comete na aproximação de f

f(x) por T (x):

 

Observe que, para x ≠ x . 0

 

daí,

 

ou seja: quando x → x , o erro E (x) tende a zero mais rapidamente que (x 0

− x ). 0

A função

T (x) = f(x ) + f′(x ) (x − x ) 0 0 0

é a única função afim que goza da propriedade de o erro E (x) tender a zero mais rapidamente que (x − x ). De fato, se S (x) = f(x ) + m (x − x ) for 0 0 0 uma função afim passando por (x , f(x )) tal que 0 0

f(x) = f(x ) + m (x − x ) + E (x), x ∈ D 0 0 1 f

em que = 0, então necessariamente m = f′(x ). (Verifique.) 0

 

Segue que, se f for derivável em x , 0

T (x) = f(x ) + f′(x ) (x − x ) 0 0 0

é a função afim que melhor aproxima localmente a f em volta de x . 0

A função T acima é uma função polinomial de grau no máximo 1; será

do grau 1 se f′(x ) ≠ 0. Assim, T é o polinômio de grau no máximo 1 que 0

melhor aproxima localmente a f em volta de x . 0

Observe que os valores de f e T em x são iguais, bem como os de suas 0

derivadas:

f(x ) = T (x ) e f′(x ) = T′(x ). 0 0 0 0

O polinômio

P (x) = f(x ) + f′(x ) (x − x ) 0 0 0

denomina-se polinômio de Taylor de ordem 1 de f em volta de x . 0

O próximo teorema fornece-nos uma expressão para o erro E (x), que

aparece em a ① em termos da derivada 2 de f.

 

Teorema. a Seja f derivável até a 2 ordem no intervalo I e sejam x, x ∈ I. Então, existe pelo

0

menos um no intervalo aberto de extremos x e x tal que 0

 

Demonstração

 

E (x) = f(x) − [ f(x ) + f′(x ) (x − x )]. 0 0 0

Assim,

E (x ) = 0 e E′(x ) = 0. 0 0

(Observe que E′(x) = f′(x) − f′(x ), pois f(x ) e f′(x ) são constantes.) 0 0 0

Seja 2 h ( x ) = ( x − x ) ; segue que

0

h(x ) = 0 e h′(x ) = 0. 0 0

Temos

 

Pelo teorema de Cauchy, existe no intervalo de extremos x e x tal 0

que

 

Tendo em vista E′(x ) = h′(x ) = 0 0 0

 

Novamente, pelo teorema de Cauchy, existe no intervalo aberto de

extremos x e tal que 0

 

Como E″ (x) = f″ (x) e h″ (x) = 2

Portanto,

 

 

para algum no intervalo aberto de extremos x e x . 0

■

Exemplo 1

Seja a f derivável até a 2 ordem no intervalo I e seja x ∈ I. Suponha

0

que existe M > 0 tal que |f″(x)| ≤ M para todo x ∈ I. Prove que para

todo x em I

 

em que P (x) = f(x ) + f′(x ) (x − x ). 0 0 0

Solução

De acordo com o teorema, existe entre x e x tal que 0

 

ou

daí

 

Exemplo 2

Avalie ln 1,003.

Solução

Seja f(x) = ln x. O polinômio de Taylor, de ordem 1, de f em volta de

x = 1 é: 0

P (x) = f(1) + f′(1) (x − 1)

e como, f(1) = 0 e f′(1) = 1, resulta

P (x) = x − 1.

Assim,

f(1,003) ≅ P (1,003)

ou

ln 1,003 ≅ 0,003.

Interprete graficamente este resultado.

Avaliação do erro

 

Segue:

|f″(x)| ≤ 1 para x ≥ 1.

Pelo exemplo anterior,

 

Para x = 1,003

 

Assim, o módulo do erro cometido na aproximação

ln 1,003 ≅ 0,003

é inferior a 10 −5 . Observe que 0,003 é um valor aproximado por

excesso (faça os gráficos de f e de P e confira).

 

Exercícios 16.1

 

1. Calcule o polinômio de Taylor de ordem 1 da função dada, em volta de

x dado. 0

a)

b) f(x) = sen x, x = 0 0

c)

d x ) f ( x ) = e , x = 0

0