線性化近似


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


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