Séries de Taylor
Soit une fonction fois dérivable au voisinage de . Le polynôme de Taylor d'ordre est :
En , on parle de développement de Maclaurin. Si la série converge vers :
c'est la série de Taylor de autour de .
Intuition
Une série de Taylor remplace une fonction compliée, localement, par un polynôme dont les coefficients sont fixés par les dérivées en un point.
- Ordre 0 : valeur constante .
- Ordre 1 : approximation linéaire (tangente) — voir Dérivées, gradient et Hessienne.
- Ordre 2 : approximation quadratique (courbure via la Hessienne).
- Ordre plus élevé : meilleure précision près de , mais souvent inutile ou instable loin de .
L'idée centrale : toute fonction suffisamment régulière se comporte presque comme un polynôme à petite échelle.
Cas univarié et multivarié
Développement autour de jusqu'à l'ordre 2 :
Le terme linéaire domine pour petit ; le terme quadratique capture la courbure.
Pour autour de :
C'est le développement de Taylor d'ordre 2 — base de la méthode de Newton et des approximations delta-gamma en finance.
Développements classiques
| Fonction | Développement (Maclaurin, petit) | Usage |
|---|---|---|
| Log-vraisemblance, processus stochastiques | ||
| Rendements logarithmiques, entropie | ||
| Séries alternées en puissances paires/impaires | Signaux, Fourier (hors scope ici) | |
| Approximations de rendement, binôme généralisé | ||
| Séries géométriques, actualisation discrète | ||
(normale) | Expansion autour de 0 ou asymptotique pour queues | VaR, probabilités de défaut (approx.) |
Reste et précision
Entre et , il existe tel que :
Le reste dépend de la dérivée d'ordre sur l'intervalle — d'où l'importance de la régularité de .
On écrit souvent :
En pratique : tronquer à l'ordre 1 ou 2 suffit pour l'optimisation et les sensibilités ; des ordres plus hauts servent surtout en calcul numérique ou en asymptotique statistique.
Applications
Optimisation — Newton : résoudre en linéarisant le gradient (Taylor d'ordre 1 sur ). Analyse de convergence : taux quadratique de Newton près d'une racine simple.
Finance — Delta-gamma : approximation du P&L d'un portefeuille d'options : (Taylor d'ordre 2 du prix). Duration-convexité (obligataires) : même logique pour le prix vs taux.
Statistiques — Expansion de Taylor autour du MLE pour approximer la vraisemblance et dériver des tests (asymptotique normale). Approximation pour petits rendements.
Calcul numérique — Intégration, résolution d'équations, différences finies — voir Calcul numérique (à venir).
Limites et pièges
| Situation | Problème | Conséquence |
|---|---|---|
| Rayon de convergence | Série diverge au-delà d'un certain | Approximation valide seulement localement |
Fonction non | Ex. , ReLU | Pas de série de Taylor classique ; sous-gradient ou morceaux |
| Truncature prématurée | Ordre 1 sur une fonction très courbée | Erreur systématique (gamma négligé en finance) |
| Grands chocs | ou important | Delta-gamma ou duration-convexité sous-estiment le risque |
| Conditionnement | Hessienne mal conditionnée | Approximation quadratique peu fiable loin de |
Voir aussi
• Dérivées, gradient et Hessienne — approximations linéaire et quadratique
• Convexité — signe de la Hessienne et courbure
• Descente de gradient — ordre 1 ; Newton utilise l'ordre 2
• Équations différentielles ordinaires — dynamique à une variable
• Équations aux dérivées partielles — temps et espace, pricing PDE