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Ich soll das Taylorpolynom 2. Ordnung von dieser Funktion bestimmen:

\(f: \mathbb{R}^{2} \rightarrow \mathbb{R}, \quad(t, x) \mapsto f(t, x)=\mathrm{e}^{-2 t} \cos (x+2 t)\)

Entwicklungspunkt \( (0,0) \)

Anschließend soll damit eine Näherung für \( f(0.1,0.1) \) berechnet werden.

Wie berechnet man das Taylorpolynom einer solchen Funktion?

Vielen Dank schonmal!

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Aloha :)

Die Taylor-Reihe einer Funktion \(f(\vec x)\) an der Stelle \(\vec x_0\) lautet:$$f(\vec x)=e^{\Delta\vec x\vec\nabla}f(\vec x_0)=\sum\limits_{n=0}^\infty\frac{((\vec x-\vec x_0)\vec\nabla)^n}{n!}f(\vec x_0)$$Davon brauchen wir die ersten 3 Summanden bis \(n=2\):$$f(\vec x)\approx f(\vec x_0)+(\vec x-\vec x_0)\vec\nabla f(\vec x_0)+\frac{1}{2}\left((\vec x-\vec x_0)\vec\nabla\right)^2f(\vec x_0)$$

Hier ist \(\vec x=\binom{t}{x}\) und \(\vec x_0=\binom{0}{0}\), sodass

$$f(t;x)\approx f(0;0)+\left(t\,\frac{\partial}{\partial t}+x\,\frac{\partial}{\partial x}\right)f(0;0)+\frac{1}{2}\left(t\,\frac{\partial}{\partial t}+x\,\frac{\partial}{\partial x}\right)^2f(0;0)$$$$\phantom{f(t;x)}=f(0;0)+t\,\frac{\partial f(0;0)}{\partial t}+x\,\frac{\partial f(0;0)}{\partial x}+\frac{t^2}{2}\,\frac{\partial^2f(0;0)}{\partial t^2}+tx\,\frac{\partial^2f(0;0)}{\partial t\,\partial x}+\frac{x^2}2\,\frac{\partial^2f(0;0)}{\partial x^2}$$

Jetzt brauchen wir nur noch abzuleiten und danach \((t;x)=(0;0)\) einzusetzen. Die Freude an der Rechnung möchte ich dir aber nicht nehmen ;) Nee, im Ernst, das wäre für mich viel Schreibarbeit. Schau mal bitte, ob du die partiellen Ableitungen alleine hinkriegst. Hier zur Kontrolle das Ergebnis:

$$f(t;x)\approx\underbrace{f(0;0)}_{=1}+t\,\underbrace{\frac{\partial f(0;0)}{\partial t}}_{=-2}+x\,\underbrace{\frac{\partial f(0;0)}{\partial x}}_{=0}+\frac{t^2}{2}\,\underbrace{\frac{\partial^2f(0;0)}{\partial t^2}}_{=0}+tx\,\underbrace{\frac{\partial^2f(0;0)}{\partial t\,\partial x}}_{=-2}+\frac{x^2}2\,\underbrace{\frac{\partial^2f(0;0)}{\partial x^2}}_{=-1}$$$$f(t;x)\approx1-2t-2tx-\frac{x^2}2\quad\implies\quad f(0,1;0,1)\approx0,775$$

Wenn du bei den partiellen Ableitungen Hilfe brauchst, melde ich bitte nochmal in den Kommentaren ;)

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Vielen Dank auf jeden Fall für diese ausführliche Erklärung.
Die Ableitungen habe ich soweit alle hinbekommen, bis auf die Ableitung

$$tx\,\underbrace{\frac{\partial^2f(0;0)}{\partial t\,\partial x}}_{=-2}$$

Wie funktioniert das? Wenn immer nur nach einer Variable abzuleiten ist habe ich das hinbekommen, aber hier scheint nach beiden abgeleitet zu werden. Wie gehe ich dann vor?

Hier musst du zuerst nach \(x\) ableiten und das Ergebnis davon noch nach \(t\) ableiten:

$$\frac{\partial f}{\partial x}=e^{-2t}\sin(2t+x)$$$$\frac{\partial^2 f}{\partial t\partial x}=\frac{\partial}{\partial t}\left(e^{-2t}\sin(2t+x)\right)=-2e^{-2t}\left(\cos(2t+x)-\sin(2t+x)\right)$$Einsetzen von \(t=0\) und \(x=0\) liefert \(-2\).

Vielen Dank!

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