Diferencial de orden N, Teorema de Taylor

Por Angélica Amellali Mercado Aguilar

Introduccion

Diferencial de orden n

dnf=nfxndxn+(n1)n1fxn1ydxn1dy+(n2)n2fxn2y2dxn2dy2++ (nk)nkfxnkykdxnkdyk++nfyndyn
que se puede escribir
dnf=j=0n(nj)nfxnjyjdxnjdyj

Ejercicio. Probar usando inducción
dnf=j=0n(nj)nfxnjyjdxnjdyj

Solución. Para n=1 se tiene
df=fxdx+fydy
Suponemos valido para n

dnf=j=0n(nj)nfxnjyjdxnjdyj
Por demostrar que es valida para n+1
dn+1f=d(dnf)=x(j=0n(nj)nfxnjyjdxnjdyj)dx+y(j=0n(nj)nfxnjyjdxnjdyj)dy=

j=0n(nj)n+1fxn+1jyjdxn+1jdyj+j=0n(nj)n+1fxnjyj+1dxnjdyj+1=
j=0n(nj)n+1fxn+1jyjdxn+1jdyj+j=1n+1(nj1)n+1fxn+1jyjdxn+1jdyj=

n+1fxn+1dxn+1+j=1n(nj)n+1fxn+1jyjdxn+1jdyj+j=1n(nj1)n+1fxn+1jyjdxn+1jdyj+n+1fyn+1dyn+1=

n+1fxn+1dxn+1+j=1n((nj)+(nj1))n+1fxn+1jyjdxn+1jdyj+n+1fyn+1dyn+1=

n+1fxn+1dxn+1+j=1n(n+1j)n+1fxn+1jyjdxn+1jdyj+n+1fyn+1dyn+1=j=0n+1(nj)nfxnjyjdxnjdyj

La última fórmula puede expresarse simbólicamente por la ecuación
dnf=(xdx+ydy)nf

donde primero debe desarrollarse le expresión de la derecha formalmente por medio del teorema del binomio y, a continuación deben sustituirse los términos
nfxndxn,nfxn1ydxn1dy,,nfyndyn
por los términos
(xdx)nf,(xdx)n1(ydy)f,,(ydy)nf

Teorema de Taylor para funciones f:AR2R}

Recordando el Teorema de Taylor para funciones f:RR

Teorema. Si f(x) tiene n-ésima derivada continua en una vecindad de x0, entonces en esa vecindad
f(x)=f(x0)+11!f(x0)(xx0)+12!f»(x0)(xx0)2+13!f»(x0)(xx0)3++1n!fn(x0)(xx0)n+Rn
donde
Rn=fn+1(ϵ)(n+1)!(xx0)n+1, donde ϵ(x0,x)

Sea f:AR2R y sea F(t)=f(x0+h1t,y0+h2t) con t[0,1], de esta manera f recorre el segmento de [x0,y0] a [x0+h1t,y0+h2t]. Se tiene entonces que usando la regla de la cadena
F(t)=fx(x0+h1t,y0+h2t)d(x0+h1t)dt+fy(x0+h1t,y0+h2t)d(y0+h2t)dt=

fx(x0+h1t,y0+h2t)h1+fy(x0+h1t,y0+h2t)h2
Vamos ahora a calcular F´´(t)

F´´(t)=x(fxh1+fyh2)h1+y(fxh1+fyh2)h2=
2fx2h12+22fxyh1h2+2fy2h22

simbólicamente se puede escribir
F»(t)=(xh1+yh2)2f
y en general

Fn(t)=nfxnh1n+(n1)n1fxn1yh1n1h2+(n2)n2fxn2y2h1n2h22++(nk)nkfxnkykh1nkh2k++nfynh2n

que simbólicamente se puede escribir
Fn=j=0n(nj)nfxnjyjh1njh2j=(xh1+yh2)nf

Ahora bien si se aplica la fórmula de Taylor con la forma del residuo de Lagrange a la función F(t)=f(x0+h1t,y0+h2t) y ponemos t=0, se tiene
F(t)=F(0)+11!F(0)t+12!F»(0)t2+13!F»(0)t3+++1n!Fn(0)tn+Rn
ahora bien con t=1
f(x0+h1,y0+h2)=f(x0,y0)+11!(fx(x0,y0)h1+fy(x0,y0)h2)+12!(2fx2(x0,y0)h12+22fxy(x0,y0)h1h2+2fy2(x0,y0)h22)
++1n!(j=0n+1(nj)nfxnjyj(x0,y0)h1njh2j)

x=x0+h1, y0+h2=y por lo que h1=xx0 y h2=yy0 entonces

f(x,y)=f(x0,y0)+11!(fx(x0,y0)(xx0)+fy(x0,y0)(yy0))+

12!(2fx2(x0,y0)(xx0)2+22fxy(x0,y0)(xx0)(yy0)+2fy2(x0,y0)(yy0)2)+

+1n!(j=0n+1(nj)nfxnjyj(x0,y0)(xx0)nj(yy0)j)+Rn

donde
Rn=1n+1!((xx0)n+1n+1fxn+1(ξ,η)++(yy0)n+1n+1fyn+1(ξ,η)) donde ξ(x0,x0+h1) y η(y0,y0+h2)\En general el residuo Rn se anula en un orden mayor que el término dnf

Ejemplo. Desarrollar la fórmula de Taylor en (x0,y0)=(0,0) con n=3 para la función f(x,y)=eycosx

Solución. En este caso tenemos que
f(0,0)=e0cos(0)=1
Para la diferencial de orden 1
fx(0,0)  (eycos(x))x(0,0)  eysen(x)|(0,0)=0 fy(0,0)  (eycosx)y(0,0)  eycos(x)|(0,0)=1
por lo tanto
11!(fx(x0,y0)(xx0)+fy(x0,y0)(yy0))=11!((0)(x)+(1)(y))=y
Para la diferencial de orden 2
2fx2(x0,y0)  2(ey cosx)x2(0,0)  eycos x|(0,0)=1 2fy2(x0,y0)  2(eycosx)y2(0,0)  eycos x|(0,0)=1 2fx y(x0,y0)  2(eycosx)x y(0,0)  eysen x |(0,0)=0 Por lo tanto 12!(2fx2(x0,y0)h12+22fxy(x0,y0)h1h2+2fy2(x0,y0)h22)=12!((1)x2+2(0)xy+(1)y2)
Para la diferencial de orden 3

3fx3(x0,y0)  eysen x|(0,0)=0

3fy3(x0,y0)  2(eycosx)y3(0,0)  eycos x|(0,0)=1

3fx2 y(x0,y0)  2(eycosx)x2 y(0,0)  eycos x|(0,0)=1

3fy3(x0,y0)  2(eycosx)y3(0,0)  eycos x|(0,0)=1

3fx y2(x0,y0)  2(eycosx)x y2(0,0)  eysen x|(0,0)=0

Por lo tanto
13!(3fx3h13+33fx2yh12h2+33fxy2h1h22+3fy3h23)=

13!((0)(x3)+3(1)x2y+3(0)xy2+(1)y3)
Finalmente para el residuo se tiene

4fx4(x0,y0)  4(eycos(x))y3(0,0)  eycos x|(ξ,η)=eηcos ξ

4fx2y2(x0,y0)  4(eycosx)x2y2(0,0)  eycos x|(ξ,η)=eηcos ξ

4fxy3(x0,y0)  4(eycosx)xy3(0,0)  eysen x|(ξ,η)=eηsen ξ

4fy4(x0,y0)  4(eycosx)y4(0,0)  eycos x|(ξ,η)=eηcos ξ

R3=14!(4fx4h14+44fx3yh13h2+64fx2y2h12h22+44fxy3h1h23+4fh24dy4)

=14!(x4eηcos ξ+4x3yeηsen xi6x2y2eηcos ξ4xy3eηsen ξ+y4eηcos ξ)

Por lo que nuestro desarrollo de Taylor nos queda
eycos x=1+y+12(x2y2)+16(x33xy2)+R3
donde
R3=14!(x4eηcos ξ+4x3yeηsen xi6x2y2eηcos ξ4xy3eηsen ξ+y4eηcos ξ)
Ejercicio Use la fórmula de Taylor en
f(x,y)=cos (x+y)
en el punto (x0,y0)=(0,0) con n=2 para comprobar que
lim(x,y)(0,0)1cos (x+y)(x2+y2)2=12

En este caso para
f(x,y)=cos(x+y)
se tiene
f(0,0)=cos(0+0)=1
Para la diferencial de orden 1
fx(0,0)  (cosx+y)x(0,0)  sen(x+y)|(0,0)=0 fy(0,0)  (cosx+y)y(0,0)  sen(x+y)|(0,0)=0
por lo tanto

11!(fx(x0,y0)(xx0)+fy(x0,y0)(yy0))=11!((0)(x)+(0)(y))=0

Para la diferencial de orden 2
2fx2(x0,y0)  2(cosx+y)x2(0,0)  cos x+y|(0,0)=1 2fy2(x0,y0)  2(cosx+y)y2(0,0)  cos x+y|(0,0)=1 2fx y(x0,y0)  2(cosx+y)x y(0,0)  cos x+y|(0,0)=1
Por lo tanto

12!(2fx2(x0,y0)h12+22fxy(x0,y0)h1h2+2fy2(x0,y0)h22)=12!((1)x22xy+(1)y2)
Por lo que nuestro desarrollo de Taylor nos queda
cos(x+y)=1x22xyy22
De manera que

lim(x,y)(0,0)1cos (x+y)(x2+y2)2=lim(x,y)(0,0)1(1x22xyy22)(x2+y2)2
=lim(x,y)(0,0)12(x2+y2)2(x2+y2)2=12

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