Série de Taylor

En mathématiques, et plus précisément en analyse, la série de Taylor au point  d'une fonction  (réelle ou complexe) indéfiniment dérivable en ce point, appelée aussi le développement en série de Taylor de  en , est une série entière approchant la fonction autour de , construite à partir de  et de ses dérivées successives en . Elles portent le nom de Brook Taylor, qui les a introduites en 1715. Dans le cas où , on parle aussi de série de Maclaurin, d'après Colin Maclaurin qui a beaucoup utilisé ce cas particulier des séries de Taylor à partir du milieu du .

La série de Taylor d'une fonction est une extension de l'approximation polynomiale d'une fonction donnée par le théorème de Taylor. Une fonction  est dite analytique en  quand cette série coïncide avec  au voisinage de .

Principe 
Soit  une fonction indéfiniment dérivable en un point . Le développement de Taylor en ce point d'un polynôme  de degré inférieur ou égal à  est :
.
L'unique polynôme de degré inférieur ou égal à  dont les dérivées en  jusqu'à l'ordre  coïncident avec celles de la fonction  est donc :
.
On l'appelle le polynôme d'interpolation d'Hermite de  en  à l'ordre . Ce polynôme  est aussi la partie principale du développement limité de  en  à l'ordre , donné par la formule de Taylor.

La série de Taylor de  en  sera définie  comme la série entière dont la -ième somme partielle est égale à , pour tout entier .

Définition 

Soit  une fonction d'une variable réelle ou complexe, indéfiniment dérivable en un point . La série de Taylor de  en ce point est la série de fonctions :
,
qui s'écrit sous forme synthétique :
,
où  est la factorielle de  et  désigne la dérivée n-ième de . 

Cette série de fonctions (convergente ou non) est une série entière de la variable .

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 , la série est aussi appelée la série de Maclaurin de .

Développements en série de Maclaurin des fonctions usuelles 

Dans le tableau ci-dessous, on a utilisé les notations suivantes :
 les nombres  apparaissant dans les développements de  et de  sont les nombres de Bernoulli ;
 , apparaissant dans le développement de , est un coefficient binomial (généralisé) :  ;
 Les nombres  dans le développement de  sont les nombres d'Euler.

Convergence de la série de Taylor 
La série de Taylor d'une fonction polynomiale n'a qu'un nombre fini de termes non nuls.

La série de Taylor est une série entière. Elle admet donc un rayon de convergence , et sur le disque de centre  et de rayon , 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  ;
pour des fonctions de variable réelle, la somme de la série de Taylor de  en  sur son disque de convergence peut être différente de la fonction  ;
pour des fonctions  de variable réelle, il peut arriver que  soit nul (la série diverge en tout point autre que l'origine), bien que  soit indéfiniment dérivable en tout point ; ces deux derniers phénomènes ne peuvent se produire pour des fonctions de variable complexe.
Par exemple, si , prolongée par continuité en 0 par , alors  est indéfiniment dérivable en tout point, et toutes les dérivées de  sont nulles en , donc la somme de la série de Taylor de  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  (négligeable près de 0 par rapport à toute puissance de ). C'est un exemple de fonction régulière non analytique.

Si la fonction  vaut la somme de sa série entière au voisinage de , alors on dit que  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 plus fréquemment dite holomorphe : pour qu'elle le soit, il suffit de la supposer dérivable. C'est un des premiers résultats de rigidité en analyse complexe. Pour une fonction entière, c'est-à-dire holomorphe sur tout le plan complexe, le développement en série de Taylor en tout point a un rayon de convergence infini et la somme de la série coïncide avec la fonction.

Notes et références

Notes

Références

Voir aussi 

 Formulaire de développement en série entière
 Série de Laurent
 Série formelle
 Théorème de Borel
 Théorème de Taylor
 Transformation du boustrophédon
 Modèles de Taylor

Analyse réelle
Analyse complexe
Taylor

pl:Wzór Taylora#Szereg Taylora