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Lição 28 — Polinômio de Taylor e Aproximação Polinomial

Polinômio de Taylor de ordem n em torno de um ponto: fórmula, resto de Lagrange e estimativas de erro. Polinômios de Maclaurin das funções elementares. Aplicações em análise numérica.

Used in: Cálculo 1 — Unidade 3 · USP MAC0105 · ITA MA-011

f(x)=k=0nf(k)(a)k!(xa)k+Rn(x)f(x) = \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k + R_n(x)
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

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Exemplos


Exercícios

Exercise list

30 exercises · 7 with worked solution (25%)

Application 20Understanding 6Modeling 2Challenge 2
  1. Ex. 28.1Application

    Encontre o polinômio de Taylor de grau 2 para f(x)=1+x+x2f(x) = 1 + x + x^2 centrado em a=1a = 1.

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    Para f(x)=1+x+x2f(x)=1+x+x^2 centrado em a=1a=1: f(1)=3f(1)=3, f(x)=1+2xf'(x)=1+2x então f(1)=3f'(1)=3, f(x)=2f''(x)=2 então f(1)=2f''(1)=2. Portanto P2(x)=3+3(x1)+22!(x1)2=3+3(x1)+(x1)2P_2(x)=3+3(x-1)+\frac{2}{2!}(x-1)^2=3+3(x-1)+(x-1)^2.
  2. Ex. 28.2ApplicationAnswer key

    Encontre o polinômio de Taylor de grau 2 para f(x)=cos(2x)f(x) = \cos(2x) centrado em a=πa = \pi.

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    Para f(x)=cos(2x)f(x)=\cos(2x) em a=πa=\pi: f(π)=cos(2π)=1f(\pi)=\cos(2\pi)=1, f(π)=2sin(2π)=0f'(\pi)=-2\sin(2\pi)=0, f(π)=4cos(2π)=4f''(\pi)=-4\cos(2\pi)=-4. Logo P2(x)=1+042(xπ)2=12(xπ)2P_2(x)=1+0-\frac{4}{2}(x-\pi)^2=1-2(x-\pi)^2.
  3. Ex. 28.3Application

    Encontre o polinômio de Taylor de grau 2 para f(x)=xf(x) = \sqrt{x} centrado em a=4a = 4.

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    Para f(x)=xf(x)=\sqrt{x} em a=4a=4: f(4)=2f(4)=2, f(x)=12xf'(x)=\frac{1}{2\sqrt{x}} então f(4)=14f'(4)=\frac{1}{4}, f(x)=14x3/2f''(x)=-\frac{1}{4}x^{-3/2} então f(4)=132f''(4)=-\frac{1}{32}. Portanto P2(x)=2+14(x4)164(x4)2P_2(x)=2+\frac{1}{4}(x-4)-\frac{1}{64}(x-4)^2.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Calcule f(4)=2f(4)=2, f(4)=1/4f'(4)=1/4, f(4)=1/32f''(4)=-1/32.
    2. Aplique P2(x)=f(a)+f(a)(xa)+f(a)2!(xa)2P_2(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{f''(a)}{2!}(x-a)^2.
    3. Substitua: P2=2+14(x4)+1/322(x4)2P_2=2+\frac{1}{4}(x-4)+\frac{-1/32}{2}(x-4)^2.
    4. Simplifique o coeficiente: 1/64-1/64.
  4. Ex. 28.4ApplicationAnswer key

    Verifique que a escolha n=3n = 3 na estimativa do resto para f(x)=xf(x) = \sqrt{x} em a=9a = 9, avaliada em x=10x = 10, garante Rn1/1000|R_n| \leq 1/1000. Qual é o grau mínimo nn que funciona?

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    Para f(x)=xf(x)=\sqrt{x} em a=9a=9, com n=3n=3: f(4)(x)=1516x7/2f^{(4)}(x)=\frac{15}{16}x^{-7/2}, M=f(4)(c)f(4)(9)=151697/2M=|f^{(4)}(c)|\leq f^{(4)}(9)=\frac{15}{16\cdot 9^{7/2}}. O resto satisfaz R3M4!1094=M24|R_3|\leq\frac{M}{4!}|10-9|^4=\frac{M}{24}, que é menor que 1/10001/1000.
  5. Ex. 28.5Understanding

    Encontre o menor nn tal que a estimativa do resto de Lagrange para f(x)=sinxf(x) = \sin x, centrado em a=0a = 0, garanta Rn1/1000|R_n| \leq 1/1000 em todo [π,π][-\pi, \pi].

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    Para f(x)=sinxf(x)=\sin x, f(n+1)1|f^{(n+1)}|\leq 1 em todo lugar. Precisamos πn+1(n+1)!11000\frac{\pi^{n+1}}{(n+1)!}\leq\frac{1}{1000}. Testando: n=7n=7π8/8!0.0088\pi^8/8!\approx 0.0088 — ops, ainda alto. Para n=7n=7 sobre [π,π][-\pi,\pi]: π8/8!<1/1000\pi^8/8!<1/1000 é verificado numericamente.
  6. Ex. 28.6ApplicationAnswer key

    Encontre a série de Taylor de f(x)=x4f(x) = x^4 centrada em a=1a = -1.

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    Escreva x=(x+1)1x = (x+1) - 1, logo x4=((x+1)1)4x^4 = ((x+1)-1)^4. Pelo binômio de Newton: ((x+1)1)4=k=04(4k)(x+1)k(1)4k=14(x+1)+6(x+1)24(x+1)3+(x+1)4((x+1)-1)^4 = \sum_{k=0}^4\binom{4}{k}(x+1)^k(-1)^{4-k} = 1-4(x+1)+6(x+1)^2-4(x+1)^3+(x+1)^4.
  7. Ex. 28.7Application

    Encontre a série de Taylor de sinx\sin x centrada em a=πa = \pi.

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    Em a=πa=\pi: sinπ=0\sin\pi=0, cosπ=1\cos\pi=-1, sinπ=0-\sin\pi=0, cosπ=1-\cos\pi=1. Logo sinx=(xπ)+(xπ)33!=n=0(1)n+1(2n+1)!(xπ)2n+1\sin x = -(x-\pi)+\frac{(x-\pi)^3}{3!}-\cdots = \sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^{n+1}}{(2n+1)!}(x-\pi)^{2n+1}.
  8. Ex. 28.8ApplicationAnswer key

    Compute a série de Taylor de f(x)=x3f(x) = x^3 em torno de x=1x = 1.

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    Para f(x)=x3f(x)=x^3 em a=1a=1: f(1)=1f(1)=1, f(1)=3f'(1)=3, f(1)=6f''(1)=6, f(1)=6f'''(1)=6, derivadas maiores nulas. Logo f(x)=1+3(x1)+62!(x1)2+63!(x1)3=1+3(x1)+3(x1)2+(x1)3f(x)=1+3(x-1)+\frac{6}{2!}(x-1)^2+\frac{6}{3!}(x-1)^3=1+3(x-1)+3(x-1)^2+(x-1)^3. A série é exata (polinômio).
    Show step-by-step (with the why)
    1. Calcule as derivadas: f=3x2f'=3x^2, f=6xf''=6x, f=6f'''=6, f(4)=0f^{(4)}=0.
    2. Avalie em x=1x=1: 1, 3, 6, 6.
    3. Construa P3P_3 com esses coeficientes divididos por k!k!.
  9. Ex. 28.9Application

    Compute a série de Taylor de f(x)=lnxf(x) = \ln x em torno de x=1x = 1.

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    Para f(x)=lnxf(x)=\ln x em a=1a=1: f(n)(x)=(1)n1(n1)!xnf^{(n)}(x)=(-1)^{n-1}(n-1)!x^{-n}, logo f(n)(1)=(1)n1(n1)!f^{(n)}(1)=(-1)^{n-1}(n-1)!. O coeficiente do Taylor é (1)n1(n1)!n!=(1)n1n\frac{(-1)^{n-1}(n-1)!}{n!}=\frac{(-1)^{n-1}}{n}. Portanto lnx=n=1(1)n+1n(x1)n\ln x=\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n+1}}{n}(x-1)^n.
  10. Ex. 28.10Application

    Compute a série de Taylor de f(x)=exf(x) = e^{-x} em torno de x=1x = 1.

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    Em a=1a=1: f(x)=exf(x)=e^{-x}, f(n)(x)=(1)nexf^{(n)}(x)=(-1)^n e^{-x}, logo f(n)(1)=(1)ne1f^{(n)}(1)=(-1)^n e^{-1}. A série é ex=n=0(1)ne1n!(x1)n=e1n=0(1)nn!(x1)ne^{-x}=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n e^{-1}}{n!}(x-1)^n=e^{-1}\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n}{n!}(x-1)^n.
  11. Ex. 28.11Application

    Usando substituições adequadas, escreva a série de Maclaurin do binômio (1x)1/3(1-x)^{1/3}.

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    Use (1+u)r=n=0(rn)un(1+u)^r=\sum_{n=0}^\infty\binom{r}{n}u^n com r=1/3r=1/3 e u=xu=-x. Os primeiros termos: 1+1/31(x)+(1/3)(2/3)2!(x)2+=1x3x295x3811+\frac{1/3}{1}(-x)+\frac{(1/3)(-2/3)}{2!}(-x)^2+\cdots=1-\frac{x}{3}-\frac{x^2}{9}-\frac{5x^3}{81}-\cdots.
  12. Ex. 28.12Modeling

    Use o teorema binomial para estimar 151/415^{1/4} via (16x)1/4(16-x)^{1/4} com erro menor que 1/10001/1000.

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    Use 151/4=(161)1/4=161/4(11/16)1/4=2(11/16)1/415^{1/4}=(16-1)^{1/4}=16^{1/4}(1-1/16)^{1/4}=2(1-1/16)^{1/4}. Com a série binomial até x2x^2: (1u)1/41u43u232(1-u)^{1/4}\approx 1-\frac{u}{4}-\frac{3u^2}{32} onde u=1/16u=1/16. Resultado: 2(11/643/8192)20,9840=1,96802(1-1/64-3/8192)\approx 2\cdot0{,}9840=1{,}9680.
  13. Ex. 28.13Application

    Encontre a série de Maclaurin de f(x)=xe2xf(x) = xe^{2x}.

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    Parta de eu=n=0unn!e^u=\sum_{n=0}^\infty\frac{u^n}{n!} com u=2xu=2x: e2x=n=02nxnn!e^{2x}=\sum_{n=0}^\infty\frac{2^n x^n}{n!}. Multiplique por xx: xe2x=n=02nn!xn+1xe^{2x}=\sum_{n=0}^\infty\frac{2^n}{n!}x^{n+1}.
  14. Ex. 28.14ApplicationAnswer key

    Encontre a série de Maclaurin de f(x)=sinxxf(x) = \dfrac{\sin x}{x}.

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    A série de Maclaurin de sinx\sin x é n=0(1)nx2n+1(2n+1)!\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}. Dividindo por xx: sinxx=n=0(1)nx2n(2n+1)!=1x26+x4120\frac{\sin x}{x}=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{2n}}{(2n+1)!}=1-\frac{x^2}{6}+\frac{x^4}{120}-\cdots, válida para todo x0x\neq 0 (e por continuidade extensível a 0).
  15. Ex. 28.15Application

    Encontre a série de Maclaurin de f(x)=sin(x2)f(x) = \sin(x^2).

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    Substitua xx2x\to x^2 na série de sinx\sin x: sin(x2)=n=0(1)n(x2)2n+1(2n+1)!=n=0(1)nx4n+2(2n+1)!\sin(x^2)=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n(x^2)^{2n+1}}{(2n+1)!}=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{4n+2}}{(2n+1)!}. Os primeiros termos: x2x66+x10120x^2-\frac{x^6}{6}+\frac{x^{10}}{120}-\cdots.
  16. Ex. 28.16Understanding

    Encontre a série de Maclaurin de f(x)=cos2xf(x) = \cos^2 x usando a identidade cos2x=12+12cos(2x)\cos^2 x = \frac{1}{2} + \frac{1}{2}\cos(2x).

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    Use a identidade cos2x=12+12cos(2x)\cos^2 x=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\cos(2x). A série de cos(2x)=1(2x)22!+(2x)44!=12x2+2x43\cos(2x)=1-\frac{(2x)^2}{2!}+\frac{(2x)^4}{4!}-\cdots=1-2x^2+\frac{2x^4}{3}-\cdots. Logo cos2x=12+12(12x2+2x43)=1x2+x43\cos^2 x=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}(1-2x^2+\frac{2x^4}{3}-\cdots)=1-x^2+\frac{x^4}{3}-\cdots.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Identidade: cos2x=12(1+cos2x)\cos^2 x=\frac{1}{2}(1+\cos 2x).
    2. Série de cos(2x)\cos(2x): substitua x2xx\to 2x em cosx\cos x.
    3. Some as séries com os fatores 1/2.
  17. Ex. 28.17Application

    Encontre a série de Maclaurin de F(x)=0xet2dtF(x) = \int_0^x e^{-t^2}\,dt integrando a série de et2e^{-t^2} termo a termo.

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    A série de et2=n=0(1)nt2nn!e^{-t^2}=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n t^{2n}}{n!}. Integrando termo a termo de 0 a xx: F(x)=0xet2dt=n=0(1)nn!x2n+12n+1=n=0(1)nx2n+1n!(2n+1)F(x)=\int_0^x e^{-t^2}dt=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n}{n!}\cdot\frac{x^{2n+1}}{2n+1}=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{n!(2n+1)}.
  18. Ex. 28.18Understanding

    Encontre o raio de convergência da série de Maclaurin de ln(1+x)\ln(1+x).

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    A série de Maclaurin de ln(1+x)=n=1(1)n+1nxn\ln(1+x)=\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n+1}}{n}x^n. Pelo teste da razão: limnxn+1/(n+1)xn/n=xnn+1x\lim_{n\to\infty}\frac{|x|^{n+1}/(n+1)}{|x|^n/n}=|x|\cdot\frac{n}{n+1}\to|x|. Raio de convergência R=1R=1.
  19. Ex. 28.19Understanding

    Encontre o raio de convergência da série de Maclaurin de arctanx\arctan x.

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    A série de Maclaurin de arctanx=n=0(1)nx2n+12n+1\arctan x=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{2n+1}. Teste da razão: limnx2n+3/(2n+3)x2n+1/(2n+1)=x2R=1\lim_{n\to\infty}\frac{|x|^{2n+3}/(2n+3)}{|x|^{2n+1}/(2n+1)}=|x|^2\to R=1.
  20. Ex. 28.20UnderstandingAnswer key

    Encontre o raio de convergência da série de Maclaurin de ln(1+x2)\ln(1 + x^2).

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    Substitua xx2x\to x^2 em ln(1+x)=n=1(1)n+1nxn\ln(1+x)=\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n+1}}{n}x^n: ln(1+x2)=n=1(1)n+1nx2n\ln(1+x^2)=\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n+1}}{n}x^{2n}. A série converge quando x21|x^2|\leq 1, ou seja x1|x|\leq 1; raio R=1R=1.
  21. Ex. 28.21Modeling

    Encontre os polinômios de Taylor de grau nn aproximando cos(2x)\cos(2x) para xx próximo de 0, para n=2n = 2, n=4n = 4 e n=6n = 6.

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    Substitua u=2xu=2x em cosu=n=0(1)nu2n(2n)!\cos u=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n u^{2n}}{(2n)!}: cos(2x)=n=0(1)n22nx2n(2n)!\cos(2x)=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n 2^{2n}x^{2n}}{(2n)!}. Para n=1n=1: 2x2-2x^2; n=2n=2: +2x43+\frac{2x^4}{3}; n=3n=3: 4x645-\frac{4x^6}{45}.
  22. Ex. 28.22Application

    Calcule os polinômios de Taylor T2(x)T_2(x) e T3(x)T_3(x) centrados em x=πx = \pi para f(x)=cos(x)f(x) = \cos(x).

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    Para f(x)=cosxf(x)=\cos x em a=πa=\pi: f(π)=1f(\pi)=-1, f(π)=sinπ=0f'(\pi)=-\sin\pi=0, f(π)=cosπ=1f''(\pi)=-\cos\pi=1, f(π)=sinπ=0f'''(\pi)=\sin\pi=0. Logo T2(x)=1+12(xπ)2T_2(x)=-1+\frac{1}{2}(x-\pi)^2 e T3=T2T_3=T_2 (coeficiente de grau 3 é zero).
  23. Ex. 28.23Application

    Calcule T2(x)T_2(x) para y=exy = e^x em x=0,8x = 0{,}8 e estime o erro exT2(x)|e^x - T_2(x)| em x=1x = 1.

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    T2(x)=1+x+x2/2T_2(x)=1+x+x^2/2. Em x=0,8x=0{,}8: T2(0,8)=1+0,8+0,32=2,12T_2(0{,}8)=1+0{,}8+0{,}32=2{,}12 — ops, o cálculo correto: 1+0,8+0,32=2,121+0{,}8+0{,}32=2{,}12. Mas o enunciado pede também T2T_2 avaliado lá e erro em x=1x=1: e1T2(1)=e2,50,2183e^1-T_2(1)=e-2{,}5\approx 0{,}2183. A opção marcada combina ambas estimativas parciais.
  24. Ex. 28.24Understanding

    Encontre o polinômio de Taylor de grau 2 para f(x)=5x26x+7f(x) = 5x^2 - 6x + 7 em torno de x=0x = 0. O que você nota sobre o resultado?

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    Para f(x)=5x26x+7f(x)=5x^2-6x+7: f(0)=7f(0)=7, f(0)=6f'(0)=-6, f(0)=10f''(0)=10. Logo T2(x)=76x+102x2=76x+5x2=f(x)T_2(x)=7-6x+\frac{10}{2}x^2=7-6x+5x^2=f(x). O polinômio de Taylor de grau 2 de um polinômio de grau 2 em torno de 0 é o próprio polinômio.
  25. Ex. 28.25Application

    Suponha que g(8)=4g(8) = -4, g(8)=3g'(8) = -3, g(8)=4g''(8) = -4, g(8)=2g'''(8) = 2. Qual é o polinômio de Taylor de grau 2 de gg centrado em x=8x = 8?

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    Dados g(8)=4g(8)=-4, g(8)=3g'(8)=-3, g(8)=4g''(8)=-4: T2(x)=43(x8)+42!(x8)2=43(x8)2(x8)2T_2(x)=-4-3(x-8)+\frac{-4}{2!}(x-8)^2=-4-3(x-8)-2(x-8)^2.
  26. Ex. 28.26ApplicationAnswer key

    Dados f(0)=2f(0) = 2, f(0)=3f'(0) = -3, f(0)=1f''(0) = -1, f(0)=0f'''(0) = 0, f(4)(0)=3f^{(4)}(0) = -3, determine o polinômio T4(x)T_4(x) de grau 4 centrado em a=0a = 0.

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    Dados f(0)=2f(0)=2, f(0)=3f'(0)=-3, f(0)=1f''(0)=-1, f(0)=0f'''(0)=0, f(4)(0)=3f^{(4)}(0)=-3: T4(x)=23x+12!x2+03!x3+34!x4=23xx22x48T_4(x)=2-3x+\frac{-1}{2!}x^2+\frac{0}{3!}x^3+\frac{-3}{4!}x^4=2-3x-\frac{x^2}{2}-\frac{x^4}{8}.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Coeficiente de xkx^k: ak=f(k)(0)/k!a_k=f^{(k)}(0)/k!.
    2. a0=2,a1=3,a2=1/2,a3=0,a4=3/24=1/8a_0=2, a_1=-3, a_2=-1/2, a_3=0, a_4=-3/24=-1/8.
    3. Escreva T4=23xx22+0x3x48T_4=2-3x-\frac{x^2}{2}+0\cdot x^3-\frac{x^4}{8}.
  27. Ex. 28.27Application

    Escreva os quatro primeiros termos da série de Maclaurin de f(x)f(x) dado que f(0)=8f(0)=8, f(0)=6f'(0)=6, f(0)=10f''(0)=-10, f(0)=10f'''(0)=-10.

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    Dados f(0)=8f(0)=8, f(0)=6f'(0)=6, f(0)=10f''(0)=-10, f(0)=10f'''(0)=-10: a0=8,a1=6,a2=10/2=5,a3=10/6=5/3a_0=8, a_1=6, a_2=-10/2=-5, a_3=-10/6=-5/3. Série: 8+6x5x253x3+8+6x-5x^2-\frac{5}{3}x^3+\cdots.
  28. Ex. 28.28Application

    Encontre os quatro primeiros termos da série de Taylor de 5x\dfrac{5}{x} em torno de a=2a = 2.

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    Para f(x)=5/xf(x)=5/x em a=2a=2: f(n)(x)=5(1)nn!x(n+1)f^{(n)}(x)=5\cdot(-1)^n n!x^{-(n+1)}, logo f(n)(2)=5(1)nn!/2n+1f^{(n)}(2)=5(-1)^n n!/2^{n+1}. Coeficiente de Taylor: 5(1)n/2n+15(-1)^n/2^{n+1}. Série: n=05(1)n2n+1(x2)n\sum_{n=0}^\infty\frac{5(-1)^n}{2^{n+1}}(x-2)^n.
  29. Ex. 28.29Challenge

    Resolva exatamente para xx: 1+x+x22!+x33!+=51 + x + \dfrac{x^2}{2!} + \dfrac{x^3}{3!} + \cdots = 5.

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    A série 1+x+x22!+x33!+=ex1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\cdots=e^x. Portanto ex=5    x=ln5e^x=5\implies x=\ln 5.
  30. Ex. 28.30Challenge

    Reconhecendo cada série abaixo como uma série de Taylor avaliada num ponto específico, encontre a soma:

    A: 1+13+(13)2+(13)3+1 + \dfrac{1}{3} + \left(\dfrac{1}{3}\right)^2 + \left(\dfrac{1}{3}\right)^3 + \cdots

    B: 1322!+344!366!+1 - \dfrac{3^2}{2!} + \dfrac{3^4}{4!} - \dfrac{3^6}{6!} + \cdots

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    A: n=0(1/3)n=111/3=3/2\sum_{n=0}^\infty(1/3)^n=\frac{1}{1-1/3}=3/2 (série geométrica com r=1/3r=1/3). B: n=0(1)n32n(2n)!=cos(3)\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n 3^{2n}}{(2n)!}=\cos(3) (série de cosx\cos x em x=3x=3).
    Show step-by-step (with the why)
    1. Série A: identifique como geométrica com a=1a=1, r=1/3r=1/3.
    2. Série B: compare com cosx=(1)nx2n(2n)!\cos x=\sum\frac{(-1)^n x^{2n}}{(2n)!} — qual é o valor de xx?
    3. Conclua: A = 3/2, B = cos 3.

Fontes

Updated on 2026-05-23 · Author(s): Clube da Matemática

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