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Analysis-1 Taylor Series-3, guaranteed and verified 100% Pass

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01-01-2025
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Taylor Series



Starting with a function 𝑓(𝑥) which has infinitely many derivatives we can form a
Taylor Polynomial of degree 𝑛 about a point 𝑥 = 𝑎.

𝑓 ′′ (𝑎)
𝑇𝑛 (𝑥 ) = 𝑓(𝑎) + 𝑓 ′ (𝑎)(𝑥 − 𝑎) + (𝑥 − 𝑎)2
2!

𝑓 ′′′ (𝑎) 3 𝑓 𝑛 (𝑎)
+ (𝑥 − 𝑎) + ⋯ + (𝑥 − 𝑎)𝑛 .
3! 𝑛!



𝑇1 (𝑥 ) = 𝑓 (𝑎) + 𝑓 ′ (𝑎)(𝑥 − 𝑎) is a linear approximation of 𝑓(𝑥).
Here we have: 𝑇1 (𝑎) = 𝑓(𝑎)

𝑦 = 𝑓(𝑥) 𝑇1 ′(𝑎) = 𝑓′(𝑎)




𝑇1 (𝑥) = 𝑓(𝑎) + 𝑓′(𝑎)(𝑥 − 𝑎)

a


′( 𝑓 ′′ (𝑎)
𝑇2 (𝑥 ) = 𝑓 (𝑎) + 𝑓 𝑎)(𝑥 − 𝑎) + (𝑥 − 𝑎)2 is a quadratic approximation of
2!
𝑓.
Here we have: 𝑇2 (𝑎) = 𝑓(𝑎)

𝑇2 ′(𝑎) = 𝑓′(𝑎)

𝑦 = 𝑓(𝑥) 𝑇2 ′′(𝑎) = 𝑓′′(𝑎)

𝑓′′ (𝑎)
𝑇2 (𝑥) = 𝑓(𝑎) + 𝑓 ′ (𝑎)(𝑥 − 𝑎) + (𝑥 − 𝑎)2
2!

, 2


𝑇𝑛 (𝑥 ) is an approximation of the function 𝑓(𝑥) which has:

𝑇𝑛 (𝑎) = 𝑓(𝑎) , 𝑇𝑛 ′(𝑎) = 𝑓′(𝑎), 𝑇𝑛 ′′(𝑎) = 𝑓′′(𝑎), …, 𝑇𝑛 (𝑛) (𝑎) = 𝑓 (𝑛) (𝑎).

The question is, how “good” an approximation is 𝑇𝑛 (𝑥 ) of 𝑓(𝑥) when 𝑥 ≠ 𝑎?

Can we put some kind of bound on how large the error is?



Theorem (Taylor’s Formula); If 𝑓 has 𝑛 + 1 derivatives in an interval 𝐼 that
contains “a” , then for 𝑥𝜖𝐼 there is a number 𝑐, where 𝑐 is strictly between 𝑥 and
𝑎, such that

𝑓′′ (𝑎) 𝑓′′′ (𝑎)
𝑓 (𝑥 ) = 𝑓 (𝑎) + 𝑓 ′ (𝑎)(𝑥 − 𝑎) + (𝑥 − 𝑎 )2 + (𝑥 − 𝑎 )3 + ⋯
2! 3!

𝑓𝑛 (𝑎)
+ (𝑥 − 𝑎)𝑛 + 𝑅𝑛 (𝑥, 𝑎).
𝑛!

𝑓 (𝑛+1) (𝑐)
where the error after the 𝑛th degree term, 𝑅𝑛 (𝑥, 𝑎) = (𝑥 − 𝑎)𝑛+1 .
(𝑛+1)!


𝑦 = 𝑓(𝑥)
𝑅𝑛 (𝑥, 𝑎)

𝑦 = 𝑇𝑛 (𝑥)




𝑎 𝑥

, 3


Note 1: “𝑐” depends on 𝑥 and 𝑎.

Note 2: When 𝑛 = 0 we have:
𝑓(𝑥)−𝑓(𝑎)
𝑓(𝑥 ) = 𝑓(𝑎) + 𝑓 ′ (𝑐 )(𝑥 − 𝑎) or = 𝑓 ′ (𝑐);
𝑥−𝑎

with 𝑐 between 𝑥 and 𝑎, which is just the Mean Value Theorem.


Note 3: Taylor’s formula is important because it allows us to explicitly estimate
how big the error is.



Proof: We will create a function that satisfies the Mean Value Theorem and the
𝑓 (𝑛+1) (𝑐)
expression 𝑅𝑛 (𝑥, 𝑎) = (𝑥 − 𝑎)𝑛+1 , will follow from the M.V.T.
(𝑛+1)!

Let’s start by fixing 𝑥 and 𝑎, i.e. 𝑥 and 𝑎 are now constants where 𝑥 ≠ 𝑎.

We define a function 𝑔(𝑡) by:

′( 𝑓 ′′ (𝑡)
𝑔(𝑡) = 𝑓(𝑥 ) − [𝑓(𝑡) + 𝑓 𝑡)(𝑥 − 𝑡) + (𝑥 − 𝑡)2 + ⋯
2!

𝑓 𝑛 (𝑡) (𝑥−𝑡)𝑛+1
+ (𝑥 − 𝑡)𝑛 + 𝑅𝑛 (𝑥, 𝑎) ]
𝑛! (𝑥−𝑎)𝑛+1

Notice that:

𝑓 ′′ (𝑥)
𝑔(𝑥 ) = 𝑓(𝑥 ) − [𝑓(𝑥 ) + 𝑓 ′ (𝑥 )(𝑥 − 𝑥 ) + (𝑥 − 𝑥 )2 + ⋯ +
2!
𝑓 𝑛 (𝑥) (𝑥−𝑥)𝑛+1
(𝑥 − 𝑥 )𝑛 + 𝑅𝑛 (𝑥, 𝑎) ]=0
𝑛! (𝑥−𝑎)𝑛+1

𝑓 ′′ (𝑎)
𝑔(𝑎) = 𝑓(𝑥 ) − [𝑓(𝑎) + 𝑓 ′ (𝑎)(𝑥 − 𝑎) + (𝑥 − 𝑎)2 + ⋯ +
2!
𝑓 𝑛 (𝑎) (𝑥−𝑎)𝑛+1
(𝑥 − 𝑎)𝑛 + 𝑅𝑛 (𝑥, 𝑎) ]
𝑛! (𝑥−𝑎)𝑛+1

= 𝑓(𝑥 ) − 𝑓(𝑥 ) = 0.

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Institución
Math
Grado
Math

Información del documento

Subido en
1 de enero de 2025
Número de páginas
16
Escrito en
2024/2025
Tipo
NOTAS DE LECTURA
Profesor(es)
Auroux, denis
Contiene
Todas las clases

Temas

$11.89
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