Enunciado

Encontre a série de Maclaurin de f (por qualquer método) e seu raio de convergência. Trace f e seus primeiros polinômios de Taylor na mesma tela. O que você observa sobre a relação entre esses polinômios e f ?

f x = t g - 1 x 3

Passo 1

Fala, time! Tudo tranquilo?

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

f x = t g - 1 x 3

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 .

Nesse caso aqui, embora o livro traga que o raio de convergência de t g - 1 x nossa função tem um argumento diferente de x , que no nosso caso é x 3 , então vamos precisar calcular o R . Achar esse valor é achar para quais valores de x   nossa série converge. E para isso vamos usar o Teste da Razão, que facilita bastante nossos processos quando temos termos fatoriais, que é o caso da série de Maclaurin. Relembrando o Teste da Razão: calculamos o limite:

lim n → ∞ ⁡ a n + 1 a n = L      

Se: L < 1 → a série ∑ a n é absolutamente convergente (e, portanto, convergente). Se L > 1 → a série ∑ a n é divergente (o mesmo para L = ∞ )e se L = 1 → o teste é inconclusivo.

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 resolver isso!

Passo 2

Olhando na nossa teoria (Tabela 11 da sessão 11.10), sabemos que a série de Maclaurin para t g - 1 ( x ) é:

t g - 1 ( x ) = ∑ n = 0 ∞ - 1 n x 2 n + 1 2 n + 1        

Mas como queremos a série de Maclaurin para f x = t g - 1 x 3 , vamos substituir nosso x por x 3 :

∑ n = 0 ∞ - 1 n ( x 3 ) 2 n + 1 2 n + 1      

Aplicando a propriedade da potenciação: b n m = b n ⋅ m , simplificamos para:

t g - 1 ( x 3 ) = ∑ n = 0 ∞ - 1 n x 6 n + 3 2 n + 1    

Então, a série acima é a Série de Maclaurin de f ( x ) .

Passo 3

Agora precisamos encontrar o raio de convergência da nossa série:

∑ n = 0 ∞ - 1 n x 6 n + 3 2 n + 1    

E para isso vamos usar o teste da razão. Teremos:

a n = - 1 n x 6 n + 3 2 n + 1

E fazendo n = n + 1 :

a n + 1 = - 1 n + 1 x 6 n + 1 + 3 2 n + 1 + 1

Simplificando os expoentes de x na série acima:

6 n + 1 + 3 = 6 n + 6 + 3 = 6 n + 9

Ficamos com:

a n + 1 = - 1 n + 1 x 6 n + 9 2 n + 3

Aplicando o teste da razão, já vamos expressão a divisão de frações a n + 1 a n como a multiplicação da primeira fração pelo inverso da segunda:

lim n → ∞ ⁡ a n + 1 a n = lim n → ∞ ⁡ - 1 n + 1 ⋅ x 6 n + 9 2 n + 3 ⋅ 2 n + 1 - 1 n   ⋅ x 6 n + 3

Para simplificar nosso termo dentro do limite, vamos abrir as somas nos expoentes com a propriedade da potenciação: b m + n = b m   ⋅ b n  

- 1 n + 1 ⋅ x 6 n + 9 2 n + 3 ⋅ 2 n + 1 - 1 n   ⋅ x 6 n + 3 = - 1 n ⋅ - 1 ⋅ x 6 n ⋅ x 9 2 n + 3 ⋅ 2 n + 1 x 6 n ⋅ x 3 - 1 n

Simplificando os termos iguais que estão sendo divididos:

l i m n → ∞ - 1 ⋅ x 6 ⋅ 2 n + 1 2 n + 3

Novamente simplificando, já podemos também retirar os termos que não dependem do x de dentro do módulo, sendo que - 1 vai sair positivo. Mantemos o módulo no x :

l i m n → ∞ 2 n + 1 2 n + 3 x 6

Para simplificar nossa análise, vamos dividir o numerador e o denominador por n :

l i m n → ∞ 2 + 1 n 2 + 3 n x 6 = 2 + 0 2 + 0 x 6 = x 6

O teste da razão diz que a série converge quando L < 1 . No caso temos:

L = x 6 < 1

Tirando a raiz sexta da inequação:

x < 1

E o raio de convergência? Como a série converge para x < 1 o raio de convergência é R = 1 . 😉

Passo 4

Alguns polinômios de Taylor da série:

T n = ∑ n = 0 ∞ - 1 n x 6 n + 3 2 n + 1    

são:

Com n = 0 :

T 0 = x 3

Até n = 1 :

T 1 = x 3 - x 9 3

Até n = 2 :

T 2 = x 3 - x 9 3 + x 15 5

Até n = 3 :

T 1 = x 3 - x 9 3 + x 15 5 - x 21 7

Traçando o gráfico de f   e alguns polinômios de Taylor no software GeoGebra, vemos que T n ( x ) nos dá uma aproximação de f ( x ) próxima a 0 conforme n cresce.

Nossa função:

f x = t g - 1 x 3

Está em verde e os polinômios nas demais cores. Quanto maior o grau do polinômio (expoente n ), mais o polinômio se aproxima do formato de f ( x ) na região da origem x = 0 .

Resposta

f x = ∑ n = 0 ∞ - 1 n x 6 n + 3 2 n + 1    

O raio de convergência é R = 1 .

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