Esercizi sul Polinomio di Taylor

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Esercizi sul Polinomio di Taylor

Versione italiana

Esercizi sul Polinomio di Taylor

Concetti Chiave

  1. Definizione di Polinomio di Taylor:
    Il polinomio di Taylor di una funzione f(x)f(x)f(x) attorno a un punto aaa è un'approssimazione della funzione mediante un polinomio. È dato dalla formula:

    P_n(x) = f(a) + f'(a)(x - a) + \frac{f''(a)}{2!}(x - a)^2 + \frac{f'''(a)}{3!}(x - a)^3 + \ldots + \frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x - a)^n
    Pn(x)=f(a)+f(a)(xa)+f(a)2!(xa)2+f(a)3!(xa)3++f(n)(a)n!(xa)nP_n(x) = f(a) + f'(a)(x - a) + \frac{f''(a)}{2!}(x - a)^2 + \frac{f'''(a)}{3!}(x - a)^3 + \ldots + \frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x - a)^n

    dove nnn è il grado del polinomio.

  2. Derivate:
    Le derivate di f(x)f(x)f(x) sono calcolate in aaa e utilizzate per costruire il polinomio di Taylor.

  3. Resto di Taylor:
    Il resto R_n(x)Rn(x)R_n(x) rappresenta l'errore tra la funzione originale e il polinomio di Taylor. Può essere espresso come:

    R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1}
    Rn(x)=f(n+1)(c)(n+1)!(xa)n+1R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1}

    per qualche ccc tra aaa e xxx.

Esercizi

Esercizio 1: Polinomio di Taylor di Primo Grado

Problema: Trova il polinomio di Taylor di primo grado per la funzione f(x) = e^xf(x)=exf(x) = e^x attorno al punto a = 0a=0a = 0.

Soluzione:

  1. Calcola f(0)f(0)f(0) e f'(0)f(0)f'(0):
    f(0) = e^0 = 1, \quad f'(x) = e^x \Rightarrow f'(0) = e^0 = 1
    f(0)=e0=1,f(x)=exf(0)=e0=1f(0) = e^0 = 1, \quad f'(x) = e^x \Rightarrow f'(0) = e^0 = 1
  2. Scrivi il polinomio di Taylor di primo grado:
    P_1(x) = f(0) + f'(0)(x - 0) = 1 + 1 \cdot x = 1 + x
    P1(x)=f(0)+f(0)(x0)=1+1x=1+xP_1(x) = f(0) + f'(0)(x - 0) = 1 + 1 \cdot x = 1 + x

Esercizio 2: Polinomio di Taylor di Secondo Grado

Problema: Trova il polinomio di Taylor di secondo grado per la funzione f(x) = \sin(x)f(x)=sin(x)f(x) = \sin(x) attorno al punto a = 0a=0a = 0.

Soluzione:

  1. Calcola f(0)f(0)f(0), f'(0)f(0)f'(0), e f''(0)f(0)f''(0):
    f(0) = \sin(0) = 0, \quad f'(x) = \cos(x) \Rightarrow f'(0) = \cos(0) = 1
    f(0)=sin(0)=0,f(x)=cos(x)f(0)=cos(0)=1f(0) = \sin(0) = 0, \quad f'(x) = \cos(x) \Rightarrow f'(0) = \cos(0) = 1
    f''(x) = -\sin(x) \Rightarrow f''(0) = -\sin(0) = 0
    f(x)=sin(x)f(0)=sin(0)=0f''(x) = -\sin(x) \Rightarrow f''(0) = -\sin(0) = 0
  2. Scrivi il polinomio di Taylor di secondo grado:
    P_2(x) = f(0) + f'(0)(x - 0) + \frac{f''(0)}{2!}(x - 0)^2 = 0 + 1 \cdot x + 0 = x
    P2(x)=f(0)+f(0)(x0)+f(0)2!(x0)2=0+1x+0=xP_2(x) = f(0) + f'(0)(x - 0) + \frac{f''(0)}{2!}(x - 0)^2 = 0 + 1 \cdot x + 0 = x

English version

Taylor Polynomial Exercises

Key Concepts

  1. Definition of Taylor Polynomial:
    The Taylor polynomial of a function f(x)f(x)f(x) around a point aaa is an approximation of the function by a polynomial. It is given by the formula:
P_n(x) = f(a) + f'(a)(x - a) + \frac{f''(a)}{2!}(x - a)^2 + \frac{f'''(a)}{3!}(x - a)^3 + \ldots + \frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x - a)^n
Pn(x)=f(a)+f(a)(xa)+f(a)2!(xa)2+f(a)3!(xa)3++f(n)(a)n!(xa)nP_n(x) = f(a) + f'(a)(x - a) + \frac{f''(a)}{2!}(x - a)^2 + \frac{f'''(a)}{3!}(x - a)^3 + \ldots + \frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x - a)^n

where nnn is the degree of the polynomial.

  1. Derivatives:
    The derivatives of f(x)f(x)f(x) are computed in aaa and used to construct the Taylor polynomial.

  2. Taylor Remainder:
    The remainder R_n(x)Rn(x)R_n(x) represents the error between the original function and the Taylor polynomial. It can be expressed as:

R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1}
Rn(x)=f(n+1)(c)(n+1)!(xa)n+1R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1}

for some ccc between aaa and xxx.

Exercises

Exercise 1: First Degree Taylor Polynomial

Problem: Find the first degree Taylor polynomial for the function f(x) = e^xf(x)=exf(x) = e^x around the point a = 0a=0a = 0.

Solution:

  1. Calculate f(0)f(0)f(0) and f'(0)f(0)f'(0):
f(0) = e^0 = 1, \quad f'(x) = e^x \Rightarrow f'(0) = e^0 = 1
f(0)=e0=1,f(x)=exf(0)=e0=1f(0) = e^0 = 1, \quad f'(x) = e^x \Rightarrow f'(0) = e^0 = 1
  1. Write the first-degree Taylor polynomial:
P_1(x) = f(0) + f'(0)(x - 0) = 1 + 1 \cdot x = 1 + x
P1(x)=f(0)+f(0)(x0)=1+1x=1+xP_1(x) = f(0) + f'(0)(x - 0) = 1 + 1 \cdot x = 1 + x

Exercise 2: Second-degree Taylor polynomial

Problem: Find the second-degree Taylor polynomial for the function f(x) = \sin(x)f(x)=sin(x)f(x) = \sin(x) around the point a = 0a=0a = 0.

Solution:

  1. Calculate f(0)f(0)f(0), f'(0)f(0)f'(0), and f''(0)f(0)f''(0):
f(0) = \sin(0) = 0, \quad f'(x) = \cos(x) \Rightarrow f'(0) = \cos(0) = 1
f(0)=sin(0)=0,f(x)=cos(x)f(0)=cos(0)=1f(0) = \sin(0) = 0, \quad f'(x) = \cos(x) \Rightarrow f'(0) = \cos(0) = 1
f''(x) = -\sin(x) \Rightarrow f''(0) = -\sin(0) = 0
f(x)=sin(x)f(0)=sin(0)=0f''(x) = -\sin(x) \Rightarrow f''(0) = -\sin(0) = 0
  1. Write the second degree Taylor polynomial:
P_2(x) = f(0) + f'(0)(x - 0) + \frac{f''(0)}{2!}(x - 0)^2 = 0 + 1 \cdot x + 0 = x
P2(x)=f(0)+f(0)(x0)+f(0)2!(x0)2=0+1x+0=xP_2(x) = f(0) + f'(0)(x - 0) + \frac{f''(0)}{2!}(x - 0)^2 = 0 + 1 \cdot x + 0 = x

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