Jeroen's Studie Archief
Infinitesimaalrekening 23 september 2024

Benaderen van functies

Voordat we beginnen, voeren we nieuwe notatie in. Met f(k)(x)f^{(k)}(x) schrijven we de kk-de afgeleide van f(x)f(x), dus f(1)(x)=f(x)f^{(1)}(x)=f'(x), f(2)=f(x)f^{(2)}=f''(x), f(3)(x)=f(x)f^{(3)}(x)=f'''(x), enzovoorts. Verder stellen we de "nulde afgeleide" gelijk aan f(x)f(x): f(0)=f(x)f^{(0)}=f(x).

Lineariseren

Van een functie f(x)f(x) willen we de raaklijn P1(x)P_1(x) opstellen op het punt x=ax=a. We krijgen dan:

P1(x)=f(a)+f(a)(xa) P_1(x) = f(a) + f'(a)(x-a)

Deze raaklijn heet een linearisering van f(x)f(x) in het steunpunt aa.

Zo'n linearisering voldoet aan twee eisen:

  • P1(a)=f(a) P_1(a) = f(a) , dus P1P_1 en ff hebben dezelfde waarde op x=ax=a
  • P1(a)=f(a) P_1'(a) = f'(a) , dus P1P_1 en ff hebben dezelfde helling op x=ax=a

Tweedegraads benadering

Voor een tweedegraads benadering P2(x)P_2(x) van f(x)f(x) gaan we nog een eis toevoegen:

  • P2(a)=f(a) P_2''(a) = f''(a) , dus P2P_2 en ff hebben dezelfde kromming op x=ax=a

Het functievoorschrift van P2P_2 ziet er dan zo uit:

P2(x)=f(a)+f(a)(xa)+12f(a)(xa)2 P_2(x) = f(a) + f'(a)(x-a) + \tfrac12f''(a)(x-a)^2

Taylorbenadering van orde nn

Voor betere benaderingen kunnen we voor een steeds hogere nn een functie Pn(x)P_n(x) opstellen.

In het algemeen geldt:

Pn(x)=f(a)+f(a)(xa)+f(a)2!(xa)2+f(a)3!(xa)3+...+fn(a)n!(xa)n=k=0nf(k)(a)k!(xa)k \begin{aligned} P_n(x) &= f(a) + f'(a)(x-a) + \tfrac{f''(a)}{2!}(x-a)^2 + \tfrac{f'''(a)}{3!}(x-a)^3 + ... + \tfrac{f^{n}(a)}{n!}(x-a)^n \\ &= \sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k \end{aligned}

Oneindige sommen

We kunnen een taylorbenadering opstellen met nn\to\infty. Dan krijgen we:

Pn(x)=f(a)+f(a)(xa)+f(a)2!(xa)2+f(a)3!(xa)3+...=k=0f(k)(a)k!(xa)k \begin{aligned} P_n(x) &= f(a) + f'(a)(x-a) + \tfrac{f''(a)}{2!}(x-a)^2 + \tfrac{f'''(a)}{3!}(x-a)^3 + ... \\ &= \sum_{k=0}^\infty \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k \end{aligned}

Nu kunnen we formules opstellen voor "standaardsommen":

ex=n=0xnn!=1+x+x22!+x33!+... e^x = \sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + ...

log(x+1)=n=1(1)n+1xnn=xx22+x33... \log(x+1) = \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n+1} \frac{x^n}n = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - ...

11x=n=0xn=1+x+x2+x3+... voor x<1 \frac1{1-x} = \sum_{n=0}^\infty x^n = 1 + x + x^2 + x^3 + ... \quad \text{ voor } |x| < 1

sin(x)=n=0(1)n(2n+1)!x2n+1=xx33!+x55!... \sin(x) = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n+1)!} x^{2n+1} = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - ...

cos(x)=n=0(1)n(2n)!x2n=1x22!+x44!... \cos(x) = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n)!} x^{2n} = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - ...

Gemaakt door Jeroen van Rensen.