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¿Qué pasa con $\frac{\tan\left(\sin x\right)-\sin\left(\tan x\right)}{x^4}$ cerca de $0$ ?

Cuando estaba dibujando una interesante gráfica de funciones, encontré un extraño fenómeno. Una función $f(x)=\tan(\sin x)-\sin(\tan x)$ está bien definida en $\mathbb{R}-\left\{\left(\frac{1}{2}+n\right)\pi:n\in \mathbb{Z}\right\}$ y tiene una oscilación cercana a $x=\left(\frac{1}{2}+n\right)\pi$ por el $\sin(\tan x)$ término. No oscila cerca de $0$ .

Y como $$\lim_{x\rightarrow0}\frac{\tan(\sin x)-\sin(\tan x)}{x^4}=0$$ mediante la expansión de taylor, una función definida por $$g(x)=\begin{cases}\frac{\tan(\sin x)-\sin(\tan x)}{x^4}\quad&\mathrm{if}\quad x\neq 0,\, \left(\frac{1}{2}+n\right)\pi\\0&\mathrm{if}\quad x=0\end{cases}$$

es continua en su dominio. He adivinado que $g$ puede oscilar en $x=\left(\frac{1}{2}+n\right)\pi$ y no en $x=0$ . Sin embargo, cuando trazo el gráfico de $g$ usando Desmos o GeoGebra, hay una extraña oscilación cerca de $x=0$ . Aquí está el gráfico.

graph of the function

Un fenómeno similar se produce en el caso de $x^5$ , $x^6$ en lugar de $x^4$ y no puedo entender por qué ocurre. Traté de investigar la señal de $g'$ y obtener un supremacía de $g$ cerca de $0$ pero ambos no me dieron información útil debido al complicado cálculo. ¿Por qué esta extraña oscilación se produce cerca de $0$ ? ¿O es sólo un error numérico? Cualquier idea será apreciada.

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Just a user Puntos 913

¿Qué software/hardware utiliza? El problema es que cuando se hace un cálculo de tipo "pequeño/pequeño" en los ordenadores, suele haber muchos errores, ya que la aritmética de punto flotante nunca es precisa. De hecho, una gran parte del análisis numérico consiste en cómo manejar este problema.

Si utilizas un software matemático de naturaleza más simbólica, podrás ver una curva suave.

Por ejemplo, si escribe "plot((tan(sin(x))-sin(tan(x)))/(x^4), (x,-1,1))" para https://sagecell.sagemath.org/ y pulse evaluar, verá Plot

Supongo que Mathematica hará lo mismo, pero ahora no tengo licencia para ello.

Pero si intentas acercarte, prueba con "plot((tan(sin(x))-sin(tan(x)))/(x^4), (x,-0.01,0.01))", verás un patrón similar (que realmente muestra el límite del cálculo numérico):

Plot2

Y WolframAlpha no lo está haciendo mejor.

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freethinker Puntos 283

Esto es un desbordamiento. Estás tomando la diferencia entre dos funciones y dividiendo por $x^4\approx 10^{-16}$ . Si alguno de sus primeros números ha sido redondeado por $10^{-20}$ que causará el error alrededor de $0.0001$ que viste.
Los números en coma flotante casi siempre tienen errores minúsculos porque son aproximados por números cercanos cuyo denominador sólo puede ser una potencia de $2$ . Estos errores no suelen ser importantes, hasta el vigésimo decimal. Usted ha conseguido que los errores sean significativos.

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