数学上的近似值是一个数字,它不是某物的精确值,但是非常接近它,以至于它被认为与该精确值一样有用。
在数学中进行近似时,是因为手动很难(有时甚至是不可能)知道所需的精确值。
近似法的主要工具是函数的微分。
函数f的微分,用Δf(x)表示,仅是函数f的导数乘以自变量的变化,即Δf(x)= f'(x)*Δx。
有时使用df和dx代替Δf和Δx。
使用微分近似
精确地通过微分进行逼近的公式源自于将函数的导数定义为极限。
该公式由下式给出:
f(x)≈f(x0)+ f'(x0)*(x-x0)= f(x0)+ f'(x0)*Δx。
在此应理解,Δx= x-x0,因此x = x0 +Δx。使用此公式可以重写为
f(x0 +Δx)≈f(x0)+ f'(x0)*Δx。
应当注意,“ x0”不是任意值,而是容易知道f(x0)的值。此外,“ f(x)”只是我们要近似的值。
有更好的近似值吗?
答案是肯定的。上面是最简单的近似值,称为“线性近似值”。
为了获得更好的质量近似值(误差较小),使用了具有更多导数的多项式,称为“泰勒多项式”,以及其他数值方法,例如Newton-Raphson方法。
战略
遵循的策略是:
-选择合适的函数f进行逼近,并选择值“ x”,使f(x)为要逼近的值。
-选择接近“ x”的值“ x0”,以便易于计算f(x0)。
-计算Δx= x-x0。
-计算函数y f'(x0)的导数。
-将数据替换为公式中的数据。
解决了近似练习
接下来的一系列练习将使用微分进行近似。
第一次练习
大约√3。
解
根据该策略,必须选择合适的功能。在这种情况下,可以看出选择的函数必须为f(x)=√x,近似值是f(3)=√3。
现在,我们必须选择一个接近“ 3”的值“ x0”,以便易于计算f(x0)。如果选择“ x0 = 2”,则“ x0”接近“ 3”,但是f(x0)= f(2)=√2不容易计算。
由于“ 4”接近“ 3”,并且f(x0)= f(4)=√4= 2,因此“ x0”的适当值为“ 4”。
如果“ x = 3”和“ x0 = 4”,则Δx= 3-4 = -1。现在我们开始计算f的导数。也就是说,f'(x)= 1/2 *√x,因此f'(4)= 1 /2√4= 1/2 * 2 = 1/4。
将所有值替换为公式即可得到:
√3= f(3)≈2 +(1/4)*(-1)= 2-1/4 = 7/4 = 1.75。
如果使用计算器,则得出√3≈1.73205…。这表明先前的结果是真实值的良好近似值。
第二次练习
大约√10。
解
如前所述,选择f(x)=√xy作为函数,在这种情况下,x = 10。
这次选择的x0值为“ x0 = 9”。然后我们得到Δx= 10-9 = 1,f(9)= 3和f'(9)= 1 /2√9= 1/2 * 3 = 1/6。
在公式中求值时,可以得出
√10= f(10)≈3 +1 * 1/6 = 3 +1/6 = 19/6 = 3.1666…
使用计算器可以得出√10≈3.1622776…在这里还可以看出,以前已经获得了很好的近似值。
第三次练习
近似³√10,其中³√表示立方根。
解
显然,此练习中使用的函数为f(x)=³√x,并且“ x”的值必须为“ 10”。
使其立方根已知的接近“ 10”的值是“ x0 = 8”。那么我们有Δx= 10-8 = 2并且f(x0)= f(8)=2。我们也有f'(x)= 1/3 *³√x²,因此f'(8)= 1/3 *√√8²= 1/3 *√√64= 1/3 * 4 = 1/12。
将数据代入公式,可得出:
³√10= f(10)≈2 +(1/12)* 2 = 2 + 1/6 = 13/6 = 2.166666…。
计算器说³√10≈2.15443469…因此,发现的近似值很好。
第四练习
近似ln(1.3),其中“ ln”表示自然对数函数。
解
首先我们选择f(x)= ln(x)作为函数,“ x”的值为1.3。现在,稍微了解了对数函数,我们可以知道ln(1)= 0,而且“ 1”接近于“ 1.3”。因此,选择“ x0 = 1”,从而Δx= 1.3-1 = 0.3。
另一方面f'(x)= 1 / x,因此f'(1)= 1。在给定公式中进行评估时,我们有:
ln(1.3)= f(1.3)≈0 +1 * 0.3 = 0.3。
使用计算器,我们得到ln(1.3)≈0.262364…因此,得出的近似值很好。
参考文献
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