Serie di Taylor

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Quando cresce il grado della serie di Taylor troncata, essa si avvicina alla funzione data. Questa figura mostra sin(x) e le sue approssimazioni di Taylor, polinomi di grado 1, 3, 5, 7, 9, 11 e 13.

In matematica, la serie di Taylor di una funzione f definita in un intervallo aperto (a − r, a + r) a valori reali (o complessi) e infinite volte derivabile è la serie di potenze

$T(x) = \sum_{n=0}^{\infin} \frac{f^{(n)}(a)}{n!} (x-a)^{n}$ .

Qui n! denota il fattoriale di n ed f ⁽ⁿ⁾(a) denota la n-esima derivata della f valutata nel punto a. Se a = 0, la serie viene chiamata anche serie di Maclaurin.

Indice

1 Cenni storici
2 Proprietà
- 2.1 Funzioni non analitiche
- 2.2 Serie di Laurent
3 Teorema di Taylor
4 Serie di Taylor in più variabili
5 Sviluppi in serie di Taylor di funzioni di uso comune
- 5.1 Sviluppo di Mac Laurin
6 Calcoli delle serie di Taylor
7 Voci correlate
8 Collegamenti esterni

[modifica] Cenni storici

La serie di Taylor prende il nome dal matematico inglese Brook Taylor che ha pubblicato le formule sulle serie di potenze nel 1715. Tuttavia James Gregory aveva lavorato con queste serie molto prima di Taylor e aveva pubblicato varie serie di Maclaurin quando Taylor era ancora un ragazzino. Taylor non era a conoscenza del precedente lavoro di Gregory.

Queste serie di potenze in realtà erano state inventate circa tre secoli prima dal matematico indiano Madhava di Sangamagramma; il suo lavoro, come gli altri risultati della cosiddetta scuola matematica del Kerala, era del tutto sconosciuto nell'Europa del XVIII secolo.

[modifica] Proprietà

Se la serie di Taylor della funzione f(x) converge per ogni x nell'intervallo (a − r, a + r) e se la sua somma è uguale alla f(x), questa funzione viene detta funzione analitica. Per verificare se la serie converge verso f(x), normalmente si usa effettuare stime del termine resto che compare nel teorema di Taylor. Una funzione è analitica se e solo se può essere rappresentata da una serie di potenze; i coefficienti di una tale serie di potenze coincidono necessariamente con quelli che compaiono nella precedente formula per la serie di Taylor.

L'importanza della serie di potenze di Taylor, nel caso in cui la funzione è analitica, è almeno quadruplice:

La differenziazione e l'integrazione delle serie di potenze possono essere effettuate termine a termine ed è tendenzialmente piuttosto facile.
Una funzione analitica può essere estesa univocamente ad una funzione olomorfa definita su un disco aperto nel piano complesso e questa possibilità rende disponibile l'intero meccanismo dell'analisi complessa.
Si può troncare la serie, cioè prendere solo i primi n termini e ottenere un polinomio, detto polinomio di Taylor, che approssima la funzione con la precisione desiderata (basta prendere n sufficientemente grande) in un intorno di a.
Spesso le operazioni algebriche sulle funzioni possono essere effettuate più rapidamente sulle loro rappresentazioni mediante serie di potenze; ad esempio la dimostrazione più semplice della formula di Eulero si ottiene dagli sviluppi in serie di Taylor per le funzioni esponenziale, seno e coseno. Questo risultato sta a fondamento ad esempio dell'analisi armonica.

La funzione e^-1/x² si estende in 0 ad una funzione derivabile infinite volte, ma non analitica: la serie di Taylor ha tutti i coefficienti nulli, mentre la funzione non è la funzione nulla.

[modifica] Funzioni non analitiche

Non tutte le funzioni differenziabili infinite volte sono analitiche. Esistono cioè delle f(x) la cui serie di Taylor converge, ma che rappresenta una funzione drasticamente differente dalla f(x). Ad esempio, la funzione definita a pezzi come f(x) := exp(−1/x²) per x ≠ 0 ed f(0) := 0: tutte le sue derivate in x = 0 sono nulle, quindi la sua serie di Taylor è la serie nulla e il suo raggio di convergenza è infinito, anche se la funzione è ben diversa dalla funzione nulla.

Questa particolare situazione "patologica" non si verifica nelle funzioni olomorfe, cioè nelle funzioni derivabili in senso complesso. Nell'esempio specifico, la funzione exp(−1/z²) non è estendibile nell'origine nel senso complesso.

[modifica] Serie di Laurent

Per approfondire, vedi la voce serie di Laurent.

La serie di Laurent è una generalizzazione della serie di Taylor, che presenta anche termini $x n$ con esponente $n$ negativo. Questa serie è particolarmente utile in analisi complessa perché modellizza una funzione olomorfa intorno ad un punto in cui essa non è definita (cioè una singolarità). La serie può comunque essere utilizzata anche in ambito reale, ad esempio per rappresentare la funzione f(x) = exp(−1/x²) intorno all'origine.

[modifica] Teorema di Taylor

Il polinomio "di Taylor" è composto da una "parte principale" e da un infinitesimo di ordine superiore al grado del polinomio stesso.

Definizione: Teorema di Taylor

Sia $f: (a,b) \to \R$ derivabile n volte nell'intervallo (a,b). Sia x₀ un punto appartenente a questo intervallo. Si ha:

$f(x)=Tf(x) + o( (x-x_0)^n )_{per x \to x_0}$

Dove Tf(x) è detto "polinomio di Taylor":

$Tf(x) = f(x_0) + f^'(x_0)(x-x_0)+ { {f^{''}(x_0)}\over{2!}}(x-x_0)^2 + ... + {{f^n(x_0)}\over{n!}}(x-x_0)^n$

Una definizione alternativa, ma del tutto equivalente è:

Sia $f: (a,b) \to \R$ derivabile n volte nell'intervallo (a,b). Sia x₀ un punto appartenente a questo intervallo. Si ha:

$f(x) = \sum_{k=0}^n {{f^k(x_0)}\over{k!}}(x-x_0)^k + R_n(x) \ \forall x \in (a,b)$

con R_n(x) un infinitesimo di ordine superiore a (x-x₀)ⁿ cioè:

$\lim_{x \to x_0}{R_n(x)\over(x-x_0)^n} = 0$

R_n(x) si dice "resto nella forma di Peano".

Se n = 1 si ottiene la formula di Taylor del primo ordine. Se n = 2 si ottiene la formula di Taylor del secondo ordine. Per qualunque n si ottiene un polinomio di grado m che fornisce un'approssimazione di f vicino a x₀ $f(x) = f(x_0) + f^'(x) (x-x_0)+ {{f^{''}(x)}\over{2}}(x-x_0)^2 + {{f^{'''}(x)}\over{6}}(x-x_0)^3+...+{{f^n(x)}\over{n!}}(x-x_0)^n + R_n(x)$ .

[modifica] Serie di Taylor in più variabili

Uno sviluppo di Taylor che può considerarsi una generalizzazione del precedente si può applicare anche a funzioni di più di una variabile reale o complessa

$T(x_1,\cdots,x_d) = \sum_{n_1=0}^{\infin} \cdots \sum_{n_d=0}^{\infin} \frac{\partial^{n_1}}{\partial x_1^{n_1}} \cdots \frac{\partial^{n_d}}{\partial x_d^{n_d}} \frac{f(a_1,\cdots,a_d)}{n_1!\cdots n_d!} (x_1-a_1)^{n_1}\cdots (x_d-a_d)^{n_d}$

Lo sviluppo di Taylor troncato al secondo ordine per una funzione a valori scalari in più di una variabile si può scrivere nella seguente forma compatta : $T(\mathbf{x}) = f(\mathbf{a}) + \nabla f(\mathbf{a})^T (\mathbf{x} - \mathbf{a}) + \frac{1}{2} (\mathbf{x} - \mathbf{a})^T \nabla^2 f(\mathbf{a}) (\mathbf{x} - \mathbf{a})$ ,

dove $\nabla f(\mathbf{a})$ denota il gradiente della funzione e $\nabla^2 f(\mathbf{a})$ la sua matrice hessiana. Servendosi della notazione multi-indice la serie di Taylor per più variabili si scrive

$T(\mathbf{x}) = \sum_{|\alpha| \ge 0}^{}{\frac{\mathrm{D}^{\alpha}f(\mathbf{a})}{\alpha !}(\mathbf{x}-\mathbf{a})^{\alpha}}$

in completa analogia con il caso della singola variabile.

[modifica] Sviluppi in serie di Taylor di funzioni di uso comune

Il risultato ottenuto tramite uno sviluppo di Taylor è quindi un'approssimazione di una funzione, nell'intorno di un punto x₀ con x₀ numero reale o numero complesso.

Presentiamo ora alcuni importanti sviluppi in serie di Taylor. Tutti questi sviluppi sono validi anche per argomenti x complessi.

Funzione esponenziale e logaritmo naturale:

$\mathrm{e}^{x} = \sum^{\infin}_{n=0} \frac{x^n}{n!}\quad\mbox{ per ogni } x$

$\ln(1+x) = \sum^{\infin}_{n=1} \frac{(-1)^{n+1}}n x^n\quad\mbox{ per } \left| x \right| < 1$

Serie geometrica:

$\frac{x^m}{1-x} = \sum^{\infin}_{n=m} x^n\quad\mbox{ per } \left| x \right| < 1$

Sviluppo binomiale:

$(1+x)^\alpha = \sum^{\infin}_{n=0} {\alpha \choose n} x^n\quad\mbox{ per ogni } \left| x \right| < 1\quad\mbox{ e ogni numero complesso } \alpha$

Casi particolari:

$\sqrt{1+x}=1+\sum_{k=0}^\infty (-1)^k \frac{(2k-1)!!}{(2k+2)!!}x^{k+1}=1+\sum_{k=0}^\infty (-1)^k \frac{\Gamma(\frac{1}{2}+k)}{2\sqrt{\pi}\,\Gamma({2+k})}x^{k+1}$

$\frac{1}{\sqrt{1+x}}=1+\sum_{k=0}^\infty (-1)^{k+1} \frac{(2k+1)!!}{(2k+2)!!}x^{k+1}=1+\sum_{k=0}^\infty (-1)^{k+1} \frac{\Gamma(\frac{3}{2}+k)}{\sqrt{\pi}\,\Gamma({2+k})}x^{k+1}$

Funzioni trigonometriche:

$\sin x = \sum^{\infin}_{n=0} \frac{(-1)^n}{(2n+1)!} x^{2n+1}\quad\mbox{ per ogni } x$

$\cos x = \sum^{\infin}_{n=0} \frac{(-1)^n}{(2n)!} x^{2n}\quad\mbox{ per ogni } x$

$\tan x = \sum^{\infin}_{n=1} \frac{B_{2n} (-4)^n (1-4^n)}{(2n)!} x^{2n-1}\quad\mbox{ per } \left| x \right| < \frac{\pi}{2}$

$\sec x = \sum^{\infin}_{n=0} \frac{(-1)^n E_{2n}}{(2n)!} x^{2n}\quad\mbox{ per } \left| x \right| < \frac{\pi}{2}$

$\arcsin x = \sum^{\infin}_{n=0} \frac{(2n)!}{4^n (n!)^2 (2n+1)} x^{2n+1}\quad\mbox{ per } \left| x \right| < 1$

$\arctan x = \sum^{\infin}_{n=0} \frac{(-1)^n}{2n+1} x^{2n+1}\quad\mbox{ per } \left| x \right| < 1$

Funzioni iperboliche:

$\sinh \left(x\right) = \sum^{\infin}_{n=0} \frac{1}{(2n+1)!} x^{2n+1}\quad\mbox{ per ogni } x$

$\cosh \left(x\right) = \sum^{\infin}_{n=0} \frac{1}{(2n)!} x^{2n}\quad\mbox{ per ogni } x$

$\tanh\left(x\right) = \sum^{\infin}_{n=1} \frac{B_{2n} 4^n (4^n-1)}{(2n)!} x^{2n-1}\quad\mbox{ per } \left|x\right| < \frac{\pi}{2}$

$\mathrm{arcsinh} \left(x\right) = \sum^{\infin}_{n=0} \frac{(-1)^n (2n)!}{4^n (n!)^2 (2n+1)} x^{2n+1}\quad\mbox{ per } \left| x \right| < 1$

$\mathrm{arctanh} \left(x\right) = \sum^{\infin}_{n=0} \frac{1}{2n+1} x^{2n+1}\quad\mbox{ per } \left| x \right| < 1$

Funzione W di Lambert:

$W_0(x) = \sum^{\infin}_{n=1} \frac{(-n)^{n-1}}{n!} x^n\quad\mbox{ per } \left| x \right| < \frac{1}{\mathrm{e}}$

I numeri B_k che compaiono negli sviluppi di tan(x) e tanh(x) sono i numeri di Bernoulli. Lo sviluppo binomiale si serve dei coefficienti binomiali. Gli E_k nello sviluppo della sec(x) sono i numeri di Eulero.

[modifica] Sviluppo di Mac Laurin

Se la formula di Taylor è scritta intendendo che x₀ sia uguale a 0 si parla di formula di Mac Laurin. Il polinomio che si ottiene è l'approssimazione di ordine n di f(x) nell'intorno di 0

$f(x) = f(0) + f^'(0) x+ {{f^{''}(0)}\over{2}}x^2 + {{f^{'''}(0)}\over{6}}x^3+...+{{f^n(0)}\over{n!}}x^n + R_n(x)$ .

[modifica] Calcoli delle serie di Taylor

Sono stati sviluppati molti metodi per il calcolo delle serie di Taylor per le molte funzioni analitiche utilizzate nella matematica e nelle sue applicazioni. Una strada consiste nell'utilizzare la serie di Taylor attraverso la sua definizione e generalizzare la forma dei coefficienti. Un'altra procede ad eseguire manipolazioni formali, come sostituzioni, moltiplicazioni o divisioni, addizioni o sottrazioni di serie di Taylor note per costruire la serie di Taylor di nuove funzioni, sfruttando le possibilità di manipolazione delle serie di potenze; in questo ambito può rivelarsi utile fare riferimento ai risultati riguardanti le serie ipergeometriche, i polinomi ortogonali e il calcolo umbrale. In taluni casi si riescono a derivare serie di Taylor applicando ripetutamente l'integrazione per parti.

Va anche osservato che per effettuare molte di queste elaborazioni possono essere molto utili gli odierni strumenti per il calcolo simbolico automatico.

Presentiamo ora due esempi di calcoli manuali. Cerchiamo di individuare la serie di Taylor centrata in 0 della funzione

$f(x)=\ln{(1+\sin{x})}.\,$

Si parte dalla considerazione che

$\ln(1+x) = \sum^{\infin}_{n=1} \frac{(-1)^{n+1}}{n} x^n = x - {x^2\over 2}+{x^3 \over 3} - {x^4 \over 4} + \cdots \quad\mbox{ per } \left| x \right| < 1$

$\sin x = \sum^{\infin}_{n=0} \frac{(-1)^n}{(2n+1)!} x^{2n+1} = x -{x^3\over 3!}+{x^5\over 5!}-\cdots$

Ora si può semplicemente sostituire la seconda serie nella prima ottenendo

$\left(x -{x^3\over 3!}+{x^5\over 5!}-\cdots \right) - {1\over 2} \left(x -{x^3\over 3!}+{x^5\over 5!}-\cdots \right)^2 + {1\over 3}\left(x -{x^3\over 3!}+{x^5\over 5!}-\cdots\right)^3 - {1\over 4}\left(x -{x^3\over 3!}+{x^5\over 5!}-\cdots\right)^4 + \cdots$

Sviluppando un adeguato numero di potenze mediante i coefficienti multinomiali si ottengono i primi termini della serie di Taylor richiesta:

$f(x) = x - \frac 1 2 x^2 + \frac 1 6 x^3 + \ldots$

Come secondo esempio consideriamo la funzione

$g(x)={x\,\mathrm{e}^x \over \sin{x}}$

che si estende ad una funzione continua e derivabile nell'origine.

Sappiamo che

$\mathrm{e}^x = 1 + x + {x^2 \over 2!} + {x^3 \over 3!} + {x^4 \over 4!} + \cdots$

$\sin{x} = x - {x^3 \over 3!} + {x^5 \over 5!} - \cdots$ .

Di conseguenza

${x\,\mathrm{e}^x \over \sin{x}} = { 1 + x + {x^2 \over 2!} + {x^3 \over 3!} + {x^4 \over 4!} + \cdots \over 1 - {x^2 \over 3!} + {x^4 \over 5!} - \cdots}$ .

Scriviamo la serie di potenze richiesta nella forma

$c_0 + c_1 x + c_2 x^2 + c_3 x^3 + c_4 x^4 + \cdots = {1 + x + {x^2 \over 2!} + {x^3 \over 3!} + {x^4 \over 4!} + \cdots \over 1 - {x^2 \over 3!} + {x^4 \over 5!} - \cdots}$ ;

Per questi coefficienti si trova

$1 + x + {x^2 \over 2!} + {x^3 \over 3!} + {x^4 \over 4!} + \cdots =$

$= \left(c_0 + c_1 x + c_2 x^2 + c_3 x^3 + c_4 x^4 + \cdots\right)\left(1 - {x^2 \over 3!} + {x^4 \over 5!} - \cdots\right)$

$=c_0 - {c_0 \over 3!}x^2 + {c_0\over 5!}x^4 + c_1x - {c_1 \over 3!}x^3 + {c_1\over 5!}x^5 + c_2 x^2 - {c_2 \over 3!} x^4 + {c_2 \over 5!} x^6 + c_3x^3-{c_3\over 3!}x^5 + c_4 x^4 + \cdots$

$=c_0 + c_1x + c_2 x^2 - {c_0 \over 3!}x^2 + c_3x^3- {c_1 \over 3!}x^3 + c_4 x^4 - {c_2 \over 3!} x^4 + {c_0 \over 5!} x^4 + \cdots$

In conclusione

$1 + x + {x^2 \over 2!} + {x^3 \over 3!} + {x^4 \over 4!} + \cdots =$

$=c_0 + c_1x + \left(c_2 - {c_0 \over 3!}\right)x^2 + \left(c_3-{c_1 \over 3!}\right)x^3 + \left(c_4-{c_2 \over 3!}+{c_0 \over 5!}\right)x^4 + \cdots$

e dal confronto dei coefficienti delle successive potenze si ottiene un sistema illimitatamente estendibile di equazioni lineari che evidentemente consente di individuare la serie della funzione proposta.