Seja f(x, y) de classe C^2 no aberto A ⊂ R^2 e seja (x0, y0) um ponto de A . Seja o polinômio P(x, y) = a * (x - x0) + b * (y - y0) + c , com a , b e c constantes. Suponha que existam M > 0 e uma bola aberta B de centro (x0, y0) , com B ⊂ A , tal que, para todo (x, y) em B,

|f(x, y) - P(x, y)| ≤ M * ||(x, y) - (x₀, y₀)||²

Prove que P é o polinômio de Taylor de ordem 1 de f em volta de (x0, y0) .

Passo 1

A forma que vamos resolver esse problema é bem parecida com o que fizemos no exercício 9. Note que a relação

f x , y - a x - x 0 - b y - y 0 - c ≤ M x , y - ( x 0 , y 0 ) 2

vale para qualquer ( x , y ) em B . Em particular, vale em x , y = ( x 0 , y 0 ) . Assim,

f x 0 , y 0 - c ≤ 0

Isso só é possível se f x 0 , y 0 - c = 0 . Desta forma, achamos

c = f ( x 0 , y 0 )

Portanto, a relação pode ser reescrita como

f x , y - f x 0 , y 0 - a x - x 0 - b y - y 0 ≤ M x , y - ( x 0 , y 0 ) 2

Passo 2

Agora, vamos fazer x = x 0 e deixar y livre. Assim,

f x 0 , y - f x 0 , y 0 - b y - y 0 ≤ M y - y 0 2

Note que podemos escrever:

f x 0 , y - f x 0 , y 0 - b y - y 0 = y - y 0   f x 0 , y - f x 0 , y 0 y - y 0 - b

Assim,

f x 0 , y - f x 0 , y 0 y - y 0 - b ≤ M   y - y 0

No limite y → y 0 , temos que

f x 0 , y - f x 0 , y 0 y - y 0 → ∂ f ∂ y ( x 0 , y 0 )

Portanto,

∂ f ∂ y x 0 , y 0 - b ≤ 0

Desta forma, tiramos que

b = ∂ f ∂ y ( x 0 , y 0 )

Passo 3

Por fim, vamos fixar y = y 0 e deixar x livre:

f x , y 0 - f x 0 , y 0 - a x - x 0 ≤ M   x - x 0 2

Assim,

x - x 0   f x , y 0 - f x 0 , y 0 x - x 0 - a ≤ M   x - x 0 2

Logo,

f x , y 0 - f x 0 , y 0 x - x 0 - a ≤ M x - x 0

No limite x → x 0 , temos que

f x , y 0 - f x 0 , y 0 x - x 0 → ∂ f ∂ x ( x 0 , y 0 )

Assim, temos que

∂ f ∂ x x 0 , y 0 - a ≤ 0

Portanto,

a = ∂ f ∂ x ( x 0 , y 0 )

Passo 4

Observe que encontramos

a = ∂ f ∂ x x 0 , y 0 ,           b = ∂ f ∂ y x 0 , y 0             e               c = f ( x 0 , y 0 )

Mas estes são exatamente os coeficientes do polinômio de Taylor de ordem 1 de f em torno de ( x 0 , y 0 ) . Portanto, provamos que P ( x , y ) é o polinômio de Taylor!

Resposta

Demonstração.

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Seja f(x,y) de classe C³ no aberto A⊂ R ² ² e seja (x0, y0) um ponto de A. Prove que existem uma bola aberta B de centro (x0,y0), com B ∈ A , e um número M0 tais que, para todo x , y ∈ R f x , y - P 2