Mehrdimensionale Taylorentwicklung von exp(y*x^2)

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Moin, ich vestehe die Lösung einer Taylorentwicklung nicht. Kann mir da jemand weiterhelfen?

Aufgabe:
"Berechnen Sie das Taylorpolynom der 4. Ordnung um den Entwicklungspunkt (0,0) der Funktion $ f:\mathbb{R}^2 \rightarrow \mathbb{R}, f(x,y) = \exp(y \cdot x^2).
$
Tipp: Taylorreihe von exp(z)."

Musterlösung:
"Da $ \exp(z) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{z^n}{n!} $, gilt $ \exp(yx^2) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(yx^2)^n}{n!} $. Daher ist das Taylorpolynom der 4. Ordnung von f bei (0,0):   $ T_4 f((x,y),(0,0)) = 1 + y \cdot x^2 $."

Wenn doch $ \exp(z) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{z^n}{n!} $ bereits die Taylorreihe von exp(z), warum ist dann $ T_4 f((x,y),(0,0)) = \sum_{n=0}^{4} \frac{(yx^2)^n}{n!} = 1+ yx^2 + \frac{(yx^2)^2}{2!} + \frac{(yx^2)^3}{3!} + \frac{(yx^2)^4}{4!} $ nicht die Lösung der Aufgabe? Normalerweise sind die Musterlösungen bei uns eher detailliert, und ich habe das Gefühl ich habe etwas total offensichtliches übersehen. Ich weiß nur nicht was.

Vielen Dank im Voraus und liebe Grüße

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2 Antworten
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Das hängt an der Def. von "Ordnung 4". Schau die nach und vergleiche. Schau ggf. auch noch, wie der Grad eines n-dim. Polynoms definiert ist.
Mit dem Laufindex in der Summe hat das nichts zu tun - auch schon im eindim. nicht.
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Lehrer/Professor, Punkte: 40.1K

 

Hi, Danke für die Antwort. Ich habe die Taylor-Formel vor mir, aber ich kann beim besten Willen nichts erkennen, was mich weiterbringt. Mit was genau soll ich die Definition von T4f denn vergleichen?
Aus Verzweiflung habe ich schon angefangen, die ganzen partiellen Ableitungen auszurechnen, in der Hoffnung, dass da irgendwann mal eine Konstante stehen bleibt, aber das kann ja auch nicht Sinn und Zweck dieser Aufgabe sein.
Woher weiß ich, dass hier nur die ersten beiden Summanden der Exponentialreihe von Interesse sind?
  ─   chickennuggets 17.02.2025 um 18:48

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Hast Du das gemacht, was ich Dir in den ersten beiden Sätzen der Antwort empfohlen habe? Klingt nicht danach. Wenn doch, wie lauten diese Definitionen?   ─   mikn 17.02.2025 um 19:05

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Die Aufgabe ist viel einfacher als Du denkst. Man soll hier grad lernen, dass man gar nicht immer die partiellen Ableitungen berechnen muss, sondern dass man die Lösung viel einfacher haben kann.

"Bis zur Ordnung 4" heißt: "GESAMTGRAD ist maximal 4". Hier sind die Exponenten bezüglich x und y zu addieren (und NICHT der Exponent bezüglich z).

Das erste Glied der Reihe hat demnach Gesamtgrad 0, das Zweite den Gesamtgrad 3, das Dittte den Gesamtgrad 6 usw.


  ─   m.simon.539 18.02.2025 um 19:21

Ich danke euch. Bin das Skript noch mal gründlich durchgegangen und habe gemerkt, dass ich (u. a.) die Sache mit dem Multiindex $ \alpha $ nicht richtig verstanden hatte. Das Taylorpolynom der Ordnung k ist die Summe bis $ | \alpha | \leq k $.
Wenn ich das jetzt richtig verstanden habe, würde der dritte Summand der Exponentialreihe erst im zugehörigen Taylorpolynom vorkommen, wenn mindestens nach einem Taylorpolynom der Ordnung 10 gefragt worden wäre, denn der größte Exponent im dritten Summanden ist 4. Somit gilt für den den Betrag des Multiindex
$ | \alpha | = \alpha_1 + ... + \alpha_5 = 0+1 +2+3+4 = 10 \leq k $.
  ─   chickennuggets 18.02.2025 um 20:40

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Woher holst Du die 5? Wir haben nur zwei Variablen. Multiindex heißt die Exponenten addieren. Der dritte Summand hat also welchen Multiindex?   ─   mikn 18.02.2025 um 20:49

Die 5 Summanden des Multiindex kommen daher, weil ich dachte, dass die alphas direkt jeweils einen Exponenten widerspiegeln. Das ist natürlich falsch.

Ich glaube, jetzt hab ich's. Der Multiindex alpha ist hier ein 2-Tupel, weil wir zwei Variablen (x1=x und x2=y) haben, also $ \alpha = (\alpha_1 , \alpha_2) $ .
Die Vorgabe, wie diese $ \alpha $ genau aussehen erfolgt durch die Summationsvorschrift eines jeden Teilsummanden $$ P_k(h) = \sum_{| \alpha | = k} \frac{1}{\alpha !} (D^\alpha f)(x) h^\alpha $$ des Taylorpolynoms k-ter Ordnung $ T_k(h) = P_0(h) + P_1(h) + ... + P_k(h) $.
Bspw. bei Ordnung 4 sind folgende Multiindizes für $ P_4 (h) $ möglich: $ (4,0), (3,1), (2,2), (1,3), (0,4) $, da diese die Gleichung $ |\alpha| = k = 4 $ erfüllen.

Für den dritten Summanden der Exponentialreihe benötigen wir allerdings einen Multiindex $ \alpha = (4,2) $, um $ (yx^2)^2 = x^4 \cdot y^2 $ im Zähler zu bilden. Dazu bräuchten wir ein $ P_6(h) $ als Teil eines Taylorpolynoms (mind.) der Ordnung 6.
  ─   chickennuggets 19.02.2025 um 08:04

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Ja, jetzt hast Du's. Anders ausgedrückt: Der dritte Summand hat Grad 6, alle späteren Summanden einen noch höheren Grad. Da nur Grad 4 gefragt ist, wird nach dem zweiten Summanden abgebrochen (der Grad 3 hat und damit noch dabei ist).   ─   mikn 19.02.2025 um 10:19

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