Um Curso de Cálculo, Volume 1

Hamilton Luiz Guidorizzi · Capítulo 82 de 111

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Um Curso de Cálculo, Volume 1

16.3 Polinômio de Taylor de Ordem n

9. a Seja f derivável até a 2 ordem no intervalo fechado [a, b] e seja x ∈ 0

[a, b]. Mostre que existe M > 0 tal que para todo x em [a, b].

 

em que 2 P ( x ) = f ( x ) + f ′( x ) ( x − x ) + ( x − x ) .

0 0 0 0

 

(Sugestão: verifique que a função φ (x) do Exercício 8, com φ (x ) = 0, 0 é contínua em [a, b].)

 

16.3 Polinômio de Taylor de Ordem n

Seja f derivável até a ordem n no intervalo I e seja x ∈ I. O polinômio 0

 

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

O polinômio de Taylor, de ordem n, de f em volta de x é o único 0

polinômio de grau no máximo n que aproxima localmente f em volta de x 0 de modo que o erro E n ( x ) tenda a zero mais rapidamente que ( x − x ) ,

0

quando x → x . (Verifique.) 0

O polinômio de Taylor, de ordem n, de f em volta de x = 0 denomina-0

se também polinômio de Maclaurin, de ordem n, de f.

Exemplo 1

Determine o polinômio de Taylor, de ordem 4, de x f ( x ) = e em volta

de x = 0. 0

Solução

 

Assim,

 

Exemplo 2

Determine o polinômio de Taylor, de ordem 3, de f(x) = ln x, em volta

de x = 1. 0

Solução

Assim,

 

Teorema. (Fórmula de Taylor com resto de Lagrange.) Seja f derivável até a ordem n + 1 no

intervalo I e sejam x, x ∈ I. Então existe pelo menos um no intervalo aberto de extremos 0

x e x tal que 0

 

em que

 

Demonstração

Fica a seu cargo.

Exemplo 3

Seja f derivável até a ordem n + 1 no intervalo I e seja x ∈ I. 0

Suponha que existe M > 0 tal que, para todo x em I,

 

Prove que, para todo x em I,

 

em que P (x) é o polinômio de Taylor, de ordem n, de f em volta de

x . 0

Solução

Segue do teorema anterior que, para todo x em I, existe entre x e

x tal que 0

 

Como para todo ( n + 1) x em I , | f (x)| ≤ M, resulta

 

Exemplo 4

a) Mostre que, para todo x em [0, 1],

 

b −5 ) Avalie e com erro, em módulo, inferior a 10 .

Solução

 

a x (n + 1) ) Seja f ( x ) = e . De f ( x ) = f ′( x ) = f ″( x ) = … = f (x) segue que

o polinômio de Taylor, de ordem x n , de f ( x ) = e em volta de x

0

= 0 é

 

Para x (n + 1) x em [0, 1], 0 ≤ e = f (x) ≤ e < 3.

 

De acordo com o teorema anterior, para todo x em [0, 1], existe entre 0 e x tal que

 

Assim, para todo x em [0, 1] (tendo em vista a desigualdade na página anterior)

b) Para x = 1

 

Precisamos determinar n de modo que

 

Por tentativas, chega-se a n = .

 

Assim,

 

com erro inferior a 10 −5 .

 

Observação. Como = 0, segue do teorema do confronto, que

Mostraremos, no próximo exemplo, que e é um número irracional.

 

 

Exemplo 5

O número e é irracional.

Solução

Suponhamos que e fosse racional; assim existiriam inteiros positivos

a e b tais que

 

Para todo natural n,

 

e, pelo exemplo anterior,

 

Daí, para todo natural n,

Para n > b e n ≥ 3, temos

 

Assim, A − B é um inteiro estritamente positivo e menor que ,

que é impossível.

Conclusão. O número e é irracional.

 

No próximo exemplo mostraremos que

 

em que a > 0 é um real fixo. Este resultado será útil na resolução de alguns dos exercícios que serão propostos no final da seção.

Exemplo 6

Mostre que = 0 em que a > 0 é um real fixo.

Solução

Tomemos um natural N tal que .

Temos, então:

e, assim, para todo natural p ≥ 1,

 

Multiplicando ambos os membros por vem:

 

Fazendo n = N + p

 

De = 0, segue que

 

Exemplo 7

Mostre que, para todo x.

 

Solução

Para todo x, existe entre 0 e x tal que

 

Se x > 0, , pois ∈ ] 0, x [, logo

 

Como = 0, pelo confronto,

 

Se 0 x < 0, < e = 1, pois ∈ ] x, 0 [; logo

 

De = 0, segue

Fica provado, assim, que, para todo x,

 

Esta igualdade é usualmente escrita na forma

 

Exemplo 8

Mostre que, para todo x,

 

Solução

Pelo exemplo anterior, para todo x ≥ 0,

 

Como, para todo 2 x , x ≥ 0, resulta, substituindo na desigualdade

acima 2 x por x ,

Para discutir o próximo exemplo, vamos precisar antes estabelecer uma

desigualdade para integrais. Já vimos que, se f for contínua em [a, b] e f(x) ≥ 0 em [a, b], então . Segue desta desigualdade que, se f e g forem contínuas em [a, b] e f(x) ≤ g (x) em [a, b], então

 

Suponhamos, então, f contínua em [a, b]; assim, também é contínua em

[a, b] e temos para todo x em [a, b],

 

daí,

 

logo

 

Exemplo 9

Calcule −5 com erro, em módulo, inferior a 10 .

Solução

Para x em [0, 1], ≤ e < 3. Segue então do exemplo anterior que,

para todo x em [0, 1],

Temos:

 

Como

 

resulta

 

Por tentativas, chega-se que, para n = 7,

 

Assim,

 

com erro, em módulo, inferior a 10 −5 .

 

Exercícios 16.3

1. Determine o polinômio de Taylor de ordem 5 em volta de x dado. 0

a e x = 0 0 ) f ( x ) = sen x

b e x = 0 0 ) f ( x ) = cos x

c e x = 1 0 ) f ( x ) = ln x

d e x = 1 0 ) f ( x ) =

e α e x = 0, em que α ≠ 0 é um real dado. 0 ) f ( x ) = (1 + x )

 

2. Sejam n um natural ímpar e f(x) = sen x. Mostre que, para todo x,

 

3. −5 Avalie sen 1 com erro, em módulo, inferior a 10 . (Sugestão: utilize o

Exercício 2.)

 

4. Mostre que, para todo x,

 

ou 5. −3 Calcule um valor aproximado com erro, em módulo, inferior a 10 .

a)

b)

 

6. Mostre que, para todo x,

 

ou

 

7. 2 n a ) Verifique que 1 + t + t + … + t = (t ≠ 1). Conclua que,

se |t| < 1,

 

ou seja,

b 2 3 n n ) Verifique que 1 − t + t − t + … + (−1) t é o polinômio de

Taylor, de ordem n, de em volta de 0.

 

c) Mostre que a função E (t) dada por

 

é contínua em ]−1, +∞[.

d) Mostre que, para todo x > −1,

 

e) Verifique que é o

polinômio de Taylor, de ordem n + 1, de ln (x + 1) em volta de 0.

 

8. Determine o polinômio de Taylor, de ordem 5, de g (x) = arctg x em

volta de 0.

 

9. Seja f(x) = .

a 2 4 6 8 10 ) Mostre que P ( x ) = 1 − x + x − x + x − x é o polinômio de

Taylor, de ordem 10, de f em volta de x = 0. (Não é necessário 0 calcular as derivadas de f!!)

b) Mostre que a função E (x) dada por

 

é contínua em ℝ.

c) Olhando para o polinômio do item (a), calcule f′(0), f″(0), f‴(0) etc.

 

10. Determine o polinômio de Taylor, de ordem 11, de g (x) = arctg x em

volta de x = 0. 0

 

(Sugestão: arctg x = e utilize o Exercício 9.)

 

11. α Seja f ( x ) = (1 + x ) , em que α ≠ 0 é um real dado. Determine o

polinômio de Taylor, de ordem n, de f em volta de x = 0 e dê a 0 expressão do erro em termos da derivada de ordem n + 1.

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