1 一階線性近似
函數 f(x) 的一階導數為 ,使用較小變化量代替微分量得
,令
,
,
進一步整理得 ,當已知
,則可以求解
的一階近似解為 y。
2 求解近似解
1)函數 ,求解 f(11) ?
已知 f(9) = 3,使用線性近似得 。
2)函數 ,求解 f(.99) ?
已知 f(1) = 0,使用線性近似得 。
3 常用函數的一階近似(x 在 0 附近)
4 一階線性近似誤差
原函數使用泰勒級數展開為 ,
誤差函數可表示為 ,
由於 遠大於
,誤差函數可近似表達為
,
當 時,線性近似值低於真實值;當
時,線性近似值高於真實值。
5 雅可比矩陣
當函數輸入輸出變量均為向量時,已知 ,求解
附近
的線性近似值?
類似的,有 ,其中
表示函數
在
處的一階偏導構成的矩陣,即為雅可比矩陣。
令 ,
,函數
可改寫方程組
,
分別求解方程組中每一個函數的一階近似為 ,
整理成矩陣形式為 ,
,
附近
的線性近似值可表示為
。
6 牛頓法求解方程
給定方程 f(x) = 0,由於並不是每一個方程都可以輕松求解准確解,可以使用牛頓法求解近似解。方法如下:
1)找到一個猜測解,記錄為 ,給出該點處線性方程為
;
2)尋找線性方程在 X 軸上交點位置 ,一般情況下,該交點位置是方程 f(x) = 0 的一個更好的近似解;
3)重復 2)直到 足夠接近 0 為止。
牛頓法並不一定能夠迭代出足夠精確的解,當第一個猜測解位置較遠時,可能無法得到一個正確的解。猜測解的主要原則是猜測解與真實解區間的一階導數符號一致,且比較接近。
以下某些情形,可能導致牛頓法失效,主要包括:
1) 接近 0,迭代過程
使得
無限遠離
;
2)f(x) = 0 存在多個解,使得收斂解與期望解不一致;
3)其他一些無限循環情況;
總之,在迭代過程中需要判斷迭代解收斂情況,根據收斂情況判斷是否可以通過牛頓法尋找近似解。
7 高階近似
使用一階線性近似時,其誤差值為 ,為了得到一個更加精確的近似值,可以使用二階近似,公式如下:
,其近似誤差為
。
令 ,
,
一階近似可表示為 , 對函數求導數得
,由於
,得
;
二階近似可表示為 ,對函數求二階導數得
,由於
,得
;
同理,可以求得N階近似各項系數為 。
參考資料 The Calculus Lifesaver Adrian Banner