數學基礎系列(三)----第一中值定理、微積分基本定理、牛萊公式、泰勒公式


一、第一中值定理

如果函數f(x)在閉區間[a,b]上連續,則在積分區間[a,b]上至少存在一個點$\xi $,使得$\int_{a}^{b}f(x)dx=f(\xi )(b-a).(a\leqslant \xi \leqslant b)$

  

二、微積分基本定理

積分上限函數:函數f(x)在區間[a,b]上連續,對於定積分$\int_{a}^{x}f(x)dx$每一個取值的x都有一個對應的定積分值。記作:$\Phi (x)=\int_{a}^{x}f(t)dt$

定理1:

  

定理2(原函數存在定理):

  

三、牛頓—萊布尼茲公式

牛頓-萊布尼茲公式(Newton-Leibniz formula),通常也被稱為微積分基本公式,它揭示了定積分與被積函數的原函數或者不定積分之間的聯系。

如果F(x)是連續函數f(x)在區間[a,b]上的一個原函數,則:$\int_{a}^{b}f(x)dx=F(b)-F(a)$

解釋:一個連續函數在區間[a,b]上的定積分等於它的任意一個原函數在區間[a,b]上的增量

幾何解釋:

  

可得:$f(b)-f(a)=\sum dy$,由於$dy={f}'(x)dx$,所以 $f(b)-f(a)=\sum f'(x)dx=\int_{a}^{b}f'(x)dx$

例題:求解$\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}(2\cos x+\sin x-1)dx$

  

定理3(微積分基本公式)

  

有$f(x)\in C[a,b]$,且$F'(x)=f(x)$

  

例題:計算由曲線y2=2x和直線y=x-4所圍成的圖形的面積

  

   

四、泰勒公式

簡單來講就是用一個多項式函數去無限逼近一個給定的函數(即盡量使多項式函數圖像擬合給定的函數圖像,如sin x,cos x等函數值的近似計算),注意,逼近的時候一定是從函數圖像上的某個點展開。如果一個非常復雜函數,想求其某點的值,直接求無法實現,這時候可以使用泰勒公式去近似的求該值,這是泰勒公式的應用之一。泰勒公式在機器學習中主要應用於梯度迭代。

首先回憶微分 

若$f'(x_{0})$存在,在$x_{0}$附近有$f(x_{0}+\Delta x)-f(x_{0})\approx f'(x_{0})\Delta x$。

由於$\Delta x=x-x_{0}$,可以得到$f(x)=f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})+o(x-x_{0})$,

近似可得$f(x)\approx f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})$。

接着再來引出泰勒公式,如果說我們想要以直線來近似的代替一個曲線,如下圖所示

  

只用一階導數看起來有點不准呀,如上圖所示,能不能在利用一些呢?答案肯定是可以的,一階導數只幫我們定位了下一個點是上升還是下降,然后對之后的趨勢就很難把控了。

  

那如何定位的更准確一些呢?如果我們再把二階導數利用上呢?

  

我們可以發現,這樣的方式存在精確度不夠高,誤差不能估計等不足之處。所以,主要的問題就是尋找函數P(x),使得f(x)≈P(x),從而使得誤差R(x)=f(x)-P(x)可估計。

  

分析:如果說要f(x)≈P(x),且近似程度要好,Pn(x)應該滿足什么條件?

  

由上圖就可以引出泰勒公式了

  

$P_{n}(x)=f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})+\frac{f''(x_{0})}{2!}(x-x_{0})^{2}+\cdots +\frac{f^{(n)}(x_{0})}{n!}(x-x_{0})^{n}$稱為f(x)在點x0關於(x-x0)的n階泰勒多項式,這個式子只能說是得到的值能夠無限的逼近真正的函數值,但是其中還存在一個誤差項R(x),也就是說f(x)=R(x)+P(x),這里的誤差項稱為余項。對於一般的機器學習、深度學習來說,余項本身也用不上在加上其比較復雜,所以在這里就不作解釋了。

五、泰勒公式詳細解釋

多項式逼近如下圖所示

  

公式里面的階數是什么意思呢?

階數越高增長速度越快。觀察可發現,越高次項在越偏右側影響越大。對於一個復雜函數,給我們的感覺是在當前點,低階項能更好的描述當前點附近,對於之后的走勢就越來越依靠高階的了。

  

公式里面的階乘是什么意思呢?

如果把9次的和2次的直接放在一起,那2次的就直接不用玩了呀,它們之間的差距太大了。但是在開始的時候應該是2次的效果更好,之后才是慢慢輪到9次的。

  

 有了階乘(!)之后,就幫助我們解決了這樣的問題

  

如下圖所示,使用不同階的多項式函數來逼近$y=\sin x$函數

  

可以看到,階數越高的函數越能擬合$y=\sin x$函數。


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