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Universidad · Cálculo I
Cálculo diferencial · Aproximación de Taylor

Resto de Taylor y cotas de error

Tu calculadora te da $\sin(0{,}1)$ con diez cifras, pero ¿cómo lo hace? Sustituye la función por un polinomio. Calcular es fácil; lo valioso es poder afirmar «el error es menor que $10^{-6}$» sin conocer el valor exacto. Eso es lo que te da el resto de Taylor: una garantía, no una estimación a ojo.

El resto y la fórmula de Lagrange

Gráfica de una función y de su aproximación lineal en a, con el resto como distancia vertical entre ambas en el punto x. a x R₁(x) f P₁
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Aproxima $\sen(0,1)$ por $0,1$ y da una cota del error usando Taylor de grado $2$ en cero. La figura ilustra la separación entre la función y la aproximación lineal.

Aproxima $\sen(0,1)$ por $0,1$ y da una cota del error usando Taylor de grado $2$ en cero.

La figura ilustra la separación entre la función y la aproximación lineal.

x y −0,6 −0,2 0,2 0,6 −0,6 −0,2 0,2 0,6 0 error y = x y = sen x
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Aproxima $\cos(0,2)$ mediante $1-(0,2)^2/2$ y da una cota de error con Taylor de grado $3$.

Aproxima $\cos(0,2)$ mediante $1-(0,2)^2/2$ y da una cota de error con Taylor de grado $3$.

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Si $|f'''(x)|\le12$ en $[a-0,1,a+0,1]$, ¿qué cota uniforme tiene el error del Taylor de grado $2$ centrado en $a$? Supón regularidad suficiente para Lagrange.

Si $|f'''(x)|\le12$ en $[a-0,1,a+0,1]$, ¿qué cota uniforme tiene el error del Taylor de grado $2$ centrado en $a$? Supón regularidad suficiente para Lagrange.

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Acotar el error en un valor concreto

Recta numérica con el centro a y el punto x, y el intervalo entre ambos sombreado donde se acota la derivada. a x aquí vale |f⁽ⁿ⁺¹⁾| ≤ M
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Aproxima $e^{0,1}$ por $1+0,1+(0,1)^2/2$ y acota el error suponiendo $e^{0,1}<1,106$.

Aproxima $e^{0,1}$ por $1+0,1+(0,1)^2/2$ y acota el error suponiendo $e^{0,1}<1,106$.

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Aproxima $\sqrt{1,04}$ con el Taylor cuadrático de $\sqrt{1+x}$ en cero y acota el error usando $f'''(x)=3/[8(1+x)^{5/2}]$. La figura señala el intervalo utilizado para…

Aproxima $\sqrt{1,04}$ con el Taylor cuadrático de $\sqrt{1+x}$ en cero y acota el error usando $f'''(x)=3/[8(1+x)^{5/2}]$.

La figura señala el intervalo utilizado para controlar el resto.

x y −0,2 −0,1 0 0,04 0,1 0,2 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 [0, 0,04] y = √(1 + x) (0, 1)
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Para $0\le x\le0,2$, acota uniformemente el error de $\ln(1+x)\approx x-x^2/2$ mediante el resto de Lagrange.

Para $0\le x\le0,2$, acota uniformemente el error de $\ln(1+x)\approx x-x^2/2$ mediante el resto de Lagrange.

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Elegir el grado o el radio necesarios

Ahora el problema es el inverso: fijas el error tolerado $\varepsilon$ y buscas cuánta aproximación hace falta. Hay dos palancas: subir el grado $n$ o acercarte al centro (reducir $|x-a|$).

Gráfica de la cota del error en función del grado n: una sucesión decreciente que cruza por debajo del nivel de tolerancia epsilon. tolerancia ε grado n cota
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¿Qué grado mínimo $n$ garantiza error menor que $10^{-4}$ al aproximar $e^{0,5}$ por Maclaurin si se usa la cota $|R_n|\le2(0,5)^{n+1}/(n+1)!$?

¿Qué grado mínimo $n$ garantiza error menor que $10^{-4}$ al aproximar $e^{0,5}$ por Maclaurin si se usa la cota $|R_n|\le2(0,5)^{n+1}/(n+1)!$?

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Determina un radio $r>0$ que garantice error a lo sumo $10^{-3}$ en $\sen x\approx x-x^3/6$ para $|x|\le r$, usando el resto de grado $4$.

Determina un radio $r>0$ que garantice error a lo sumo $10^{-3}$ en $\sen x\approx x-x^3/6$ para $|x|\le r$, usando el resto de grado $4$.

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Determina el menor grado de Maclaurin que garantiza error menor que $10^{-6}$ para $\cos x$ en $[-1/2,1/2]$, usando el resto de Lagrange y la paridad para aprovechar…

Determina el menor grado de Maclaurin que garantiza error menor que $10^{-6}$ para $\cos x$ en $[-1/2,1/2]$, usando el resto de Lagrange y la paridad para aprovechar coeficientes nulos.

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Garantías para funciones y desigualdades

El resto no solo acota números: da intervalos de valores para funciones de las que solo conoces datos en un punto, y permite demostrar desigualdades por el signo de $R_n$.

Gráficas de la exponencial y de su polinomio de Taylor de grado dos: la exponencial queda por encima a la derecha del origen y por debajo a la izquierda. eˣ 1 + x + x²/2
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Una función $f\in C^2([0,2])$ satisface $f(1)=3$, $f'(1)=-2$ y $|f''|\le4$. Obtén un intervalo garantizado para $f(1,2)$.

Una función $f\in C^2([0,2])$ satisface $f(1)=3$, $f'(1)=-2$ y $|f''|\le4$. Obtén un intervalo garantizado para $f(1,2)$.

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Justifica mediante el resto de Taylor que $e^x>1+x+x^2/2$ para $x>0$ y que la desigualdad se invierte para $x<0$.

Justifica mediante el resto de Taylor que $e^x>1+x+x^2/2$ para $x>0$ y que la desigualdad se invierte para $x<0$.

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Resto exacto, límites del método y diferencias finitas

Gráfica de la función exponencial de menos uno entre x al cuadrado, plana en el origen y positiva a ambos lados, junto al polinomio nulo. f(x) = e^(−1/x²) P_n(x) = 0
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En $|x|\le1/2$, aproxima $1/(1-x)$ por $P_n(x)=\sum_{k=0}^n x^k$. Obtén el resto exacto y el menor $n$ que garantiza error uniforme menor que $10^{-3}$.

En $|x|\le1/2$, aproxima $1/(1-x)$ por $P_n(x)=\sum_{k=0}^n x^k$. Obtén el resto exacto y el menor $n$ que garantiza error uniforme menor que $10^{-3}$.

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Sea $f(x)=e^{-1/x^2}$ si $x\ne0$, con $f(0)=0$. Admitiendo que todas sus derivadas en cero son nulas, explica por qué sus polinomios de Taylor no convergen a $f(x)$ para…

Sea $f(x)=e^{-1/x^2}$ si $x\ne0$, con $f(0)=0$. Admitiendo que todas sus derivadas en cero son nulas, explica por qué sus polinomios de Taylor no convergen a $f(x)$ para ningún $x\ne0$, y qué hipótesis adicional sobre los restos permitiría esa convergencia.

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Sea $f\in C^3([-h,h])$ con $h>0$ y $|f'''|\le M$. Demuestra que la diferencia central $[f(h)-f(-h)]/(2h)$ aproxima $f'(0)$ con error a lo sumo $Mh^2/6$, y compara con…

Sea $f\in C^3([-h,h])$ con $h>0$ y $|f'''|\le M$. Demuestra que la diferencia central $[f(h)-f(-h)]/(2h)$ aproxima $f'(0)$ con error a lo sumo $Mh^2/6$, y compara con una diferencia unilateral bajo una cota $|f''|\le K$.

El esquema ilustra las secantes central y unilateral; no añade hipótesis sobre la función.

x y −h 0 h Secante [−h, h] Secante [0, h]
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Vuelve al principio: la calculadora aproxima $\sin(0{,}1)$ con un polinomio, y el resto de Lagrange asegura que el error es menor que $1{,}7\cdot10^{-4}$ con grado $2$, y todavía menor con más términos.

Resumen

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