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Note per Studenti Esercizio 101 · approssimare ex tra 0 e 1/2 e stimare la radice di e

Esercizio 101approssimare ex tra 0 e 1/2 e stimare la radice di e

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Testo. (a) Data f(x)=exf(x) = e^x per x∈[0,12]x \in [0, \frac12], trovare un polinomio che approssima ff in [0,12][0, \frac12] con errore <1100< \frac{1}{100}.

(b) Stimare e\sqrt{e} con le prime 2 cifre dopo la virgola corrette (a meno di 1100\frac{1}{100}).


Idea

Un polinomio che approssima una funzione su tutto un intervallo, con un errore che si sa controllare, si ottiene dalla formula di Taylor con resto di Lagrangef(x)=Tn(x)+f(n+1)(c)(n+1)!(x−x0)n+1f(x) = T_n(x) + \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - x_0)^{n+1} con cc tra x0x_0 e xx: l'errore ha una formula esplicita.Formula di Taylor con resto di Lagrange →: si maggiora il resto con una quantità che dipende solo da nn e si sceglie nn in modo che sia <1100< \frac{1}{100}. Il punto (b) è il punto (a) usato in x=12x = \frac12, perché e=e1/2\sqrt{e} = e^{1/2}.

(a) Il polinomio

Passo 1: scegliere x0x_0 e scrivere la formula

Si sceglie x0=0x_0 = 0: appartiene a [0,12][0, \frac12] e lì le derivate di exe^x sono facilissime (e0=1e^0 = 1). Con x0=0x_0 = 0 la formula di Taylor si chiama anche sviluppo di Mac-LaurinFormula di Taylor nel punto x0=0x_0 = 0.. Tutte le derivate di exe^x sono exe^x, quindi f(k)(0)=1f^{(k)}(0) = 1 e il polinomio di Taylor di ordine nn è

Tn(x)=1+x+x22+⋯+xnn!T_n(x) = 1 + x + \frac{x^2}{2} + \dots + \frac{x^n}{n!}

Il resto di Lagrange contiene la derivata (n+1)(n+1)-esima calcolata in un punto cc: Dn+1(ex)=exD^{n+1}(e^x) = e^x, calcolata in x=cx = c dà ece^c. Quindi, per ogni x∈[0,12]x \in [0, \frac12], esiste cc tra 00 e xx (in particolare 0≤c≤120 \le c \le \frac12) con

ex=Tn(x)+1(n+1)! ec xn+1e^x = T_n(x) + \frac{1}{(n+1)!}\,e^c\,x^{n+1}

Passo 2: maggiorare l'errore

L'errore è

∣ex−Tn(x)∣=1(n+1)! ec xn+1|e^x - T_n(x)| = \frac{1}{(n+1)!}\,e^c\,x^{n+1}

(tutto è positivo, quindi il moduloIl valore assoluto: per un numero positivo è il numero stesso.Valore assoluto (modulo) → si toglie). Non conosciamo cc né vogliamo fissare xx: maggioriamo ogni pezzo con il suo valore più grande possibile sull'intervallo.

Mettendo insieme:

∣ex−Tn(x)∣≤1(n+1)!⋅2⋅12n+1=1(n+1)!⋅2n∀x∈[0,12]|e^x - T_n(x)| \le \frac{1}{(n+1)!} \cdot 2 \cdot \frac{1}{2^{n+1}} = \frac{1}{(n+1)! \cdot 2^n} \qquad \forall x \in \left[0, \tfrac12\right]

(il 22 al numeratore semplifica un 22 di 2n+12^{n+1}). Questa maggiorazione non dipende più da xx: se la facciamo diventare <1100< \frac{1}{100}, l'errore è <1100< \frac1{100} in ogni punto dell'intervallo.

Passo 3: trovare il grado minimo

Serve 1(n+1)! 2n<1100\frac{1}{(n+1)!\,2^n} < \frac{1}{100}, cioè (passando ai reciproci di numeri positivi, il verso si inverte)

(n+1)!⋅2n>100(n+1)! \cdot 2^n > 100

Si prova con n=1,2,3,…n = 1, 2, 3, \dots:

nn (n+1)!⋅2n(n+1)! \cdot 2^n >100> 100?
11 2!⋅2=42! \cdot 2 = 4 no
22 3!⋅4=243! \cdot 4 = 24 no
33 4!⋅8=1924! \cdot 8 = 192 sì

Il più piccolo è n=3n = 3. Quindi il polinomio cercato è

T3(x)=1+x+x22+x36,∣ex−T3(x)∣≤1192<1100∀x∈[0,12]T_3(x) = 1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6}, \qquad \left|e^x - T_3(x)\right| \le \frac{1}{192} < \frac{1}{100} \quad \forall x \in \left[0, \tfrac12\right]

Controllo numerico (con Python): l'errore più grande su [0,12][0, \frac12] si ha in x=12x = \frac12 e vale circa 0,00290{,}0029, ben sotto 1192≈0,0052\frac1{192} \approx 0{,}0052.

(b) Stima di e\sqrt{e}

e=e1/2\sqrt e = e^{1/2}, e x=12x = \frac12 sta nell'intervallo: si usa la disuguaglianza di (a) con x=12x = \frac12:

∣e1/2−1−12−12⋅14−16⋅18∣<1100\left|e^{1/2} - 1 - \frac12 - \frac12 \cdot \frac14 - \frac16 \cdot \frac18\right| < \frac1{100}

I numeri: (12)2=14\left(\frac12\right)^2 = \frac14 e (12)3=18\left(\frac12\right)^3 = \frac18. Quindi

e≈1+12+18+148=48+24+6+148=7948≈1,6458\sqrt{e} \approx 1 + \frac12 + \frac18 + \frac1{48} = \frac{48 + 24 + 6 + 1}{48} = \frac{79}{48} \approx 1{,}6458

con errore minore di 1100\frac1{100}: e\sqrt e sta tra 1,63581{,}6358 e 1,65581{,}6558. Il valore vero è e=1,6487…\sqrt e = 1{,}6487\ldots, e infatti l'errore vero è 0,00290{,}0029.

Errori comuni

  • Maggiorare ece^c con e0=1e^0 = 1: cc può essere vicino a 12\frac12, quindi serve il valore massimo e1/2e^{1/2}.
  • Usare e\sqrt e nella stima mentre lo si sta calcolando: lo si sostituisce con una maggiorazione grossolana ma sicura (e<2\sqrt e < 2).
  • Fermarsi a un nn che "sembra" bastare provando un solo xx: la stima deve valere per tutti gli xx dell'intervallo, per questo si usa la maggiorazione indipendente da xx.

Versione ripasso

Testo. (a) Data f(x)=exf(x) = e^x per x∈[0,12]x \in [0, \frac12], trovare un polinomio che approssima ff in [0,12][0, \frac12] con errore <1100< \frac{1}{100}.

(b) Stimare e\sqrt{e} con le prime 2 cifre dopo la virgola corrette (a meno di 1100\frac{1}{100}).

Metodo: Formula di Taylor con resto di Lagrangef(x)=Tn(x)+Rn(x)f(x) = T_n(x) + R_n(x) dove ∣Rn(x)∣=∣f(n+1)(c)(n+1)!xn+1∣|R_n(x)| = \left| \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!} x^{n+1} \right| con c∈[0,x]c \in [0, x].Formula di Taylor con resto di Lagrange →.

(a) Il polinomio

  1. Formula: Si usa lo sviluppo di Mac-LaurinFormula di Taylor nel punto x0=0x_0 = 0. Tn(x)=∑k=0nxkk!T_n(x) = \sum_{k=0}^n \frac{x^k}{k!}. Il resto è Rn(x)=ec(n+1)!xn+1R_n(x) = \frac{e^c}{(n+1)!} x^{n+1}.
  2. Maggiorazione dell'errore: Poiché x≤12x \le \frac{1}{2} e ec≤e1/2<4=2e^c \le e^{1/2} < \sqrt{4} = 2, si ottiene: ∣Rn(x)∣≤2(n+1)!⋅(12)n+1=1(n+1)!⋅2n|R_n(x)| \le \frac{2}{(n+1)!} \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^{n+1} = \frac{1}{(n+1)! \cdot 2^n}
  3. Calcolo grado: Serve 1(n+1)!⋅2n<1100  ⟺  (n+1)!⋅2n>100\frac{1}{(n+1)! \cdot 2^n} < \frac{1}{100} \iff (n+1)! \cdot 2^n > 100.
    • n=1→4n=1 \to 4, n=2→24n=2 \to 24, n=3→192>100n=3 \to 192 > 100. Il grado minimo è n=3n=3: T3(x)=1+x+x22+x36T_3(x) = 1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6}, con ∣ex−T3(x)∣≤1192<1100|e^x - T_3(x)| \le \frac{1}{192} < \frac{1}{100} su tutto [0,12][0, \frac12].

(b) Stima di e\sqrt{e}

Si pone x=12x = \frac{1}{2} nel polinomio T3(x)T_3(x): e≈1+12+(1/2)22+(1/2)36=1+12+18+148=48+24+6+148=7948≈1,6458\sqrt{e} \approx 1 + \frac{1}{2} + \frac{(1/2)^2}{2} + \frac{(1/2)^3}{6} = 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{8} + \frac{1}{48} = \frac{48+24+6+1}{48} = \frac{79}{48} \approx 1,6458 L'errore è minore di 1100\frac{1}{100}: e\sqrt e sta tra 1,63581{,}6358 e 1,65581{,}6558 (valore vero 1,6487…1{,}6487\ldots).

Errori tipici:

  • Sottostimare ece^c usando e0=1e^0=1 invece di e1/2<2e^{1/2} < 2.
  • Verificare l'errore solo nel punto x=1/2x=1/2 senza maggiorare per tutto l'intervallo.
  • Utilizzare valori approssimati di e\sqrt{e} (es. 1,64) durante la maggiorazione invece di costanti sicure (<2<2).

Teoria collegata