Enunciado

Encontre a série de Maclaurin de f (através de qualquer método) e o seu raio de convergência. Faça o gráfico de f e os seus primeiros polinômios de Taylor no mesmo gráfico. O que você percebe sobre a relação entre esses polinômios e f ?

f x = cos ⁡ x 2

Passo 1

E aí, galerinha! Tudo tranquilo?

A questão quer que a gente encontre a série de Maclaurin de f x :

f x = cos ⁡ x 2

Achar a série de Maclaurin de uma função é expressá-la como uma soma infinita de termos (série) calculados a partir de suas derivadas em um ponto, que aqui para as séries de Maclaurin é x = 0 . A série de Maclaurin nada mais é que a série de Taylor com a = 0 e é assim:

f x = ∑ n = 0 ∞ f n 0 n ! x n = f 0 + f ' 0 1 ! x + f ' ' 0 2 ! x 2 + …

Olhando nosso formato de série vemos que o que falta encontrarmos é justamente f n 0 que são as derivadas de f ( x ) no ponto zero n vezes. Encontrando esse termo, nós substituímos em ∑ f n 0 n ! x n e temos nossa série de Maclaurin pra função que o enunciado pede.

Acontece que geralmente precisamos ter esse trabalho todo com séries de Taylor centradas em outros valores de a . Para a = 0 , temos as séries de Maclaurin e já temos essas séries tabeladas e prontas na teoria do nosso livro, inclusive com seus raios de convergência R .

O Raio de convergência da série de Maclaurin para cos ⁡ x , é

R = ∞

ou seja, a série converge para qualquer valor de x .

Por fim a questão pede para traçarmos os polinômios de Taylor ( T n ) da série, que nada mais são que os próprios termos da série, que são do formato de polinômios de x .

T n = ∑ n = 0 ∞ f n 0 n ! x n

Traçamos esses polinômios e a nossa função e observamos o comportamento dessas curvas.

Bora?

Passo 2

Olhando na nossa teoria (Tabela 1 da sessão 11.10), sabemos que a série de Maclaurin para cos ⁡ x é:

cos ⁡ x = ∑ n = 0 ∞ - 1 n . x 2 n 2 n !

Dessa forma, como queremos a mesma série, mas para cos ⁡ x 2 é só mudarmos o argumento de x para x 2 :

cos ⁡ x 2 = ∑ n = 0 ∞ - 1 n . x 2 2 n 2 n ! = ∑ n = 0 ∞ - 1 n . x 4 n 2 n !

E os termos da série assumem os valores:

= 1 - 1 2 x 4 + 1 24 x 8 - 1 720 x 12 + …

Passo 3

O enunciado pede para traçarmos f e os primeiros polinômios de Taylor ( T n ) que são nada mais que você pegar a série somente até um certo termo, então os primeiros polinômios são

  • n = 0
  • T 0 x = - 1 0 . x 4 ⋅ 0 2 ⋅ 0 ! = x 0 0 ! = 1

  • n = 1
  • T 1 x = 1 - x 4 2

  • n = 2
  • T 2 x = 1 - x 4 2 + x 8 24

  • n = 3

T 3 x = 1 - x 4 2 + x 8 24 - x 12 720

E assim podemos continuar até onde quisermos. O gráfico que compara f e os primeiros polinômios de Taylor é mostrado a seguir:

Através do gráfico é possível notar que T n ( x ) se aproxima de f ( x ) próximo de zero conforme n aumenta.

Resposta

∑ n = 0 ∞ - 1 n . x 4 n 2 n !

R = ∞

Através do gráfico é possível notar que T n ( x ) se aproxima de f ( x ) próximo de zero conforme n aumenta.

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