Risposta: Sì, un tale polinomio esiste, è unico ed è precisamente il polinomio di Taylor di f, cioè
Interpretiamo geometricamente e dimostriamo questo risultato nel caso n=1 . Consideriamo, sul grafico di f(x), il punto Q=(x0 , f(x0)). Se, tra tutte le rette che passano per Q, voglio trovare quella che dà la migliore approssimazione del grafico in prossimità di x0 , è ragionevole scegliere la retta tangente al grafico di f in Q. Tale retta non è altro che il grafico della funzione f( x0 )+f '( x0 )(x - x0), che è appunto il polinomio di Taylor di primo grado P1(x). Per la definizione di derivata
ossia
e P1 è l'unico polinomio di primo grado che soddisfa questa condizione.
Passiamo ora al caso n=2 . Se vogliamo un polinomio di secondo grado P2(x) tale che
è ovvio che P2(x) si otterrà da P1(x) aggiungendo un termine a2(x - x0)2, dove a2 è un'opportuna costante. Per determinare a2 si può passare, per il teorema di de l'Hopital, dal limite precedente a
e questo limite è nullo, per la definizione di f '(x0) , se e solo se a2=1/2 f '( x0) ovvero se e solo se P2 è proprio il polinomio di Taylor di f di secondo grado. È chiaro che ragionando in modo del tutto analogo si arriva a provare il risultato nel caso di n qualunque. Per rispondere alla seconda domanda, una volta definito il polinomio di Taylor di f(x) di grado n in x0 , basta fare il calcolo diretto, secondo le regole elementari di derivazione di un polinomio, per verificare che la derivata di qualunque ordine (minore o uguale di n ) di Pn in x0 coincide con la corrispondente derivata di f(x) in x0.