Série de Taylor

Série de Taylor
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En mathématiques, et plus précisément en analyse, la série de Taylor d'une fonction f (au voisinage d'un point a) est une série entière construite à partir de f et de ses dérivées successives en a.

Brook Taylor,
Celui dont la série porte le nom.
Plus le degré du polynôme de Taylor augmente, plus sa courbe se rapproche de la courbe de la fonction de départ. Cette image montre la courbe de sin x (en noir) et les approximations des polynômes de Taylor selon le degré du polynôme 1, 3, 5, 7, 9, 11 et 13.

Sommaire

Définition

Soit f une fonction indéfiniment dérivable d'une variable réelle ou complexe et a un point au voisinage duquel la fonction est définie. La série de Taylor de f en a est la série entière suivante :

f(x)=f(a)+\frac{f'(a)}{1!}(x-a)+\frac{f''(a)}{2!}(x-a)^2+\frac{f^{(3)}(a)}{3!}(x-a)^3+\cdots\,

ce qui s'écrit sous forme synthétique comme suit :

f(x)=\sum_{n=0}^{\infin} \frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^{n}.

n! est la factorielle de n (le produit des entiers de 1 à n) et f (n)(a) désigne la dérivée n-ième de f au point a. La notation a encore un sens en analyse fonctionnelle dans les algèbres normées, réelles ou complexes ; mais cette généralisation ne sera pas abordée dans cet article.

Si a = 0, la série est aussi appelée une série de Maclaurin.

Séries de Taylor des fonctions usuelles

Notations : dans les séries de Taylor ci-dessous, on a utilisé les notations suivantes :

  • Les nombres Bk apparaissant dans les développements de tan(x) et de th(x) sont les nombres de Bernoulli.
  • {\alpha \choose n}, apparaissant dans le développement de (1 + x)α, est un coefficient binomial (généralisé) : {\alpha \choose n}=\frac{\alpha(\alpha-1)\dots(\alpha-n+1)}{n!} .
  • Les nombres Ek dans le développement de sec(x) sont les nombres d'Euler.
Nom de la fonction : Série de Taylor: Rayon de convergence :
Exponentielle ex = \sum^{\infty}_{n=0}\frac{x^n}{n!} Infini
Logarithme ln(1 + x) = \sum^{\infin}_{n=1}\frac{(-1)^{n+1}}n x^n 1
Somme d'une série géométrique \frac{1}{1-x} = \sum^{\infin}_{n=0}x^n 1
Série du binôme (1 + x)α = 1+ \sum^{\infin}_{n=1}{\alpha \choose n}x^n 1
Fonctions trigonométriques : sin(x) = \sum^{\infin}_{n=0}\frac{(-1)^n}{(2n+1)!}x^{2n+1} Infini
cos(x) = \sum^{\infin}_{n=0} \frac{(-1)^n}{(2n)!} x^{2n} Infini
tan(x) = \sum^{\infin}_{n=1} \frac{B_{2n} (-4)^n (1-4^n)}{(2n)!} x^{2n-1} \frac{\pi}{2}
sec(x) = \sum^{\infin}_{n=0} \frac{(-1)^n E_{2n}}{(2n)!} x^{2n} \frac{\pi}{2}
arcsin(x) = \sum^{\infin}_{n=0}\frac{(2n)!}{4^n (n!)^2 (2n+1)} x^{2n+1} 1
arccos(x) = \frac{\pi}{2} - \sum^{\infin}_{n=0}\frac{(2n)!}{4^n (n!)^2 (2n+1)} x^{2n+1} 1
arctan(x) = \sum^{\infin}_{n=0}\frac{(-1)^n}{2n+1}x^{2n+1} 1
Fonctions hyperboliques : sh(x) = \sum^{\infin}_{n=0}\frac{1}{(2n+1)!}x^{2n+1} Infini
ch(x) = \sum^{\infin}_{n=0}\frac{1}{(2n)!}x^{2n} Infini
th(x) = \sum^{\infin}_{n=1}\frac{B_{2n} 4^n(4^n-1)}{(2n)!} x^{2n-1} \frac{\pi}{2}
argsh(x) = \sum^{\infin}_{n=0}\frac{(-1)^n (2n)!}{4^n(n!)^2 (2n+1)} x^{2n+1} 1
argth(x) = \sum^{\infin}_{n=0}\frac{1}{2n+1}x^{2n+1} 1
Fonction W de Lambert W(x) = \sum^{\infin}_{n=1}\frac{(-n)^{n-1}}{n!} x^n \frac{1}{e}

Convergence de la série de Taylor

La série de Taylor est une série entière. Elle admet donc un rayon de convergence R, et sur le disque de centre a et de rayon R, la série converge normalement sur tout compact. Cependant,

  • Le rayon de convergence ne donne en général pas de renseignements sur la taille du domaine de définition de f.
  • Pour des fonctions de variable réelle, la somme de la série de Taylor de f en a sur son disque de convergence peut être différente de la fonction f ;
  • Pour des fonctions f de variable réelle, il peut arriver que R soit nul (la série diverge en tout point autre que l'origine), bien que f soit indéfiniment dérivable en tout point[1] ; ces deux derniers phénomènes ne peuvent se produire pour des fonctions de variable complexe.

Par exemple, si f(x)  =  exp(-1/x2), prolongée par continuité en 0 par f(0)=0, toutes les dérivées de f sont nulles en x = 0, et donc la somme de la série de Taylor de f est nulle (et son rayon de convergence est infini), alors que la fonction n'est jamais nulle, sauf en 0. Ce phénomène vient de ce que la fonction est plate (négligeable près de 0 par rapport à toute puissance de x).

Si la fonction f vaut la somme de sa série entière au voisinage de a, alors on dit que f est analytique. Cette définition est valable aussi bien pour les fonctions d'une variable réelle que pour les fonctions d'une variable complexe. Toutefois, une fonction d'une variable complexe analytique est appelée holomorphe : pour qu'elle le soit, il suffit de la supposer dérivable ! C'est un des premiers résultats de rigidité en analyse complexe.

Les sommes partielles d'une série de Taylor peuvent être utilisées pour calculer des valeurs approchées de la fonction au voisinage d'un point : voir l'article Développement limité.

Notes et références

  1. ↑ C'est le cas de la fonction \scriptstyle x\mapsto\sum_{n=0}^\infty\frac{\cos(2^nx)}{n!}\qquad (cet exemple est dû à Mathias Lerch) ; il est même possible de construire des fonctions pour lesquelles la série de Taylor en tout point est de rayon de convergence nul : voir Walter Rudin, Real and Complex Analysis, McGraw-Hill (3è édition), p. 384, exercice 13

Articles connexes


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