1 一阶线性近似
函数 f(x) 的一阶导数为 ,使用较小变化量代替微分量得 ,令 ,,
进一步整理得 ,当已知 ,则可以求解 的一阶近似解为 y。
2 求解近似解
1)函数 ,求解 f(11) ?
已知 f(9) = 3,使用线性近似得 。
2)函数 ,求解 f(.99) ?
已知 f(1) = 0,使用线性近似得 。
3 常用函数的一阶近似(x 在 0 附近)
4 一阶线性近似误差
原函数使用泰勒级数展开为 ,
误差函数可表示为 ,
由于 远大于 ,误差函数可近似表达为 ,
当 时,线性近似值低于真实值;当 时,线性近似值高于真实值。
5 雅可比矩阵
当函数输入输出变量均为向量时,已知 ,求解 附近 的线性近似值?
类似的,有 ,其中 表示函数 在 处的一阶偏导构成的矩阵,即为雅可比矩阵。
令 ,,函数 可改写方程组 ,
分别求解方程组中每一个函数的一阶近似为 ,
整理成矩阵形式为 ,,
附近 的线性近似值可表示为 。
6 牛顿法求解方程
给定方程 f(x) = 0,由于并不是每一个方程都可以轻松求解准确解,可以使用牛顿法求解近似解。方法如下:
1)找到一个猜测解,记录为 ,给出该点处线性方程为 ;
2)寻找线性方程在 X 轴上交点位置 ,一般情况下,该交点位置是方程 f(x) = 0 的一个更好的近似解;
3)重复 2)直到 足够接近 0 为止。
牛顿法并不一定能够迭代出足够精确的解,当第一个猜测解位置较远时,可能无法得到一个正确的解。猜测解的主要原则是猜测解与真实解区间的一阶导数符号一致,且比较接近。
以下某些情形,可能导致牛顿法失效,主要包括:
1) 接近 0,迭代过程 使得 无限远离 ;
2)f(x) = 0 存在多个解,使得收敛解与期望解不一致;
3)其他一些无限循环情况;
总之,在迭代过程中需要判断迭代解收敛情况,根据收敛情况判断是否可以通过牛顿法寻找近似解。
7 高阶近似
使用一阶线性近似时,其误差值为 ,为了得到一个更加精确的近似值,可以使用二阶近似,公式如下:
,其近似误差为 。
令 , ,
一阶近似可表示为 , 对函数求导数得 ,由于 ,得 ;
二阶近似可表示为 ,对函数求二阶导数得 ,由于 ,得 ;
同理,可以求得N阶近似各项系数为 。
参考资料 The Calculus Lifesaver Adrian Banner