用泰勒公式求极限例题详解求解本题


牛顿法用泰勒公式展开是很好理解的。
这里先说明一下,牛顿法和泰勒公式

我们知道一个求解简单方程时候,可以通过它的线性变换,最终得到一个解。但是对于一个复杂的根 比如说 求解一个无理数解的时候 。我们是没办法直接算出的解,这时候就需要做一个近似的解代替,这里的近似指的是在误差范围内的近似解。
这时候就可以用牛顿法做迭代近似才能解出来。

  • 因为求解一个方程的根,所以方程的左边可以为 0 。 x0 表示初始化的解,x 表示方程的迭代方向解。那么用牛顿法来迭代,
  • 肯定是 x = g(x0) 是关于一个x0 的函数迭代更新。我们接下来看这个函数是如果迭代的。


因为是近似解,那么很容易得到:
这就是牛顿法求根问题的更新步骤。牛顿确实牛!
依照这一原理,用牛顿法求根的 步骤为:
因此牛顿法求解方程的根Python伪代码过程为:

1.依照方程定义函数,并求出一阶导数f `(x)
2.初始化 误差 为1 , 初始化起始值x0;

得到x 为最终的误差范围内的根。



原理,既然求的是最值/极值,那个肯定是一阶导数为0, 在任意函数做泰勒展开之后,求一阶导数,并且令一阶导数为0,即可得出迭代的公式,推导如下:

  • 先看一下这个二阶泰勒展开:
  • 然后上面等式对x求导:
:param start: 起始点,注意要合法,不能出现分母为0 的情况 :return: 更新迭代的 x, 以及在误差范围内的最值/极值(除非这个函数是凸函数,这个可以依照函数的二阶条件判断,也就是海森矩阵半正定即可)

以上说的牛顿法求解问题都是很简单的一元函数,但是实际上的参数往往是多元的。这时候只需要求的一阶导数变为 一阶偏导数,二阶偏导数就是Hessian 矩阵,海塞矩阵。详细看《统计学习方法》附录B。

我们看这个迭代公式,首先分母不能为0,也就是海塞矩阵要正定,其二,分母为二阶导,多元时为海塞矩阵 ,因为表示为(分母分之一),也就是需要对海塞矩阵做一个逆运算,这里很复杂的计算步骤。因此基于这个思路,迭代时用一种近似正定矩阵代替了海塞矩阵的逆矩阵/海塞矩阵迭代更新,这种方法就是拟牛顿法。

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建立在状态空间法基础上的一种控制理论,是自动控制理论的一个主要组成部分。在现代控制理论中,对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的,基本的方法是时间域方法。现代控制理论比所能处理的控制问题要广泛得多,包括线性系统和,定常系统和,和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。现代控制理论所包含的学科内容十分广泛,主要的方面有:线性系统理论、非线性系统理论、、和适应控制理论。

2006年9月第一版;2017年2月第二版

郭小勤.《自动控制原理》.华南理工大学出版社.2012.

张嗣瀛 高立群.《现代控制理论》(第二版).清华大学出版社.2017.

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前一段时间,腾讯公布一款全新功能游戏《微积历险记》。当你被困在一个看似美丽却危机四伏的星球上,为了拯救自己,你要做的不是荒野求生也不是打败怪兽,而是要利用微积分知识来推导公式,绘制函数图像,激活机关,最终拯救自己。

天啊!遥想上学时被微积分虐得体无完肤,本以为可以逃掉,但是现在看来不会点数学知识,连游戏都不能好好玩了。

那既然逃不掉,不如我们迎上去,打它个通关,证明一下自己的数学实力不是盖的。不过每当翻开微积分教材我都不禁打个寒颤,每次都发誓要跟它走到最后,可是到头来却发现自己并不懂它。学渣表示需要一本书来精进一下。

突然想到有一位老朋友可能很适合我,也是时候把它翻出来好好读一下了。它就是这本深受读者喜爱的《普林斯顿微积分读本(修订版)》。别看它有 648 页,很厚的样子,但是你只要花三个星期左右就能刷完,因为这本书实在是很有趣很经典,翻开便不想停下。

作者本人很看重做题的思维,没有故作高深,他采用一种“内心独白”的方式来讲解微积分,而不是一大堆数字和公式的堆砌。书中有些证明作者都是自己一步一步推导过来的,非常深入浅出。美中不足是书中未设置习题,但是有大量示例供大家学习,相信你读到最后会对微积分有一个全新的认识。相信我,你会收获成就感的!

记得那是个中午,我坐在图书馆的自习座位上,调节了下我略带模糊的视力,伸展了略带疲惫的筋骨,书签夹在了《普林斯顿微积分读本》的第十六章。是的,我已经看完了前十五章的内容,我的荧光笔已经扫过了书上前 300 页的内容。(是的,你并没有看错,不是《普林斯顿历史》,也不是什么新奇小说,就是一本厚厚的数学书)

年初开始看这本书,刚开始拿到手感觉好厚啊,600 多页,这怎么能看得完?!而且我曾经对数学有种恐惧感,令我始终摆脱不了这样的情形,于是我抱着忐忑的心情,翻开了这本书....

翻开这本书的前言,我被这幽默风趣的开头语逗笑了,感觉我不像是翻开了一本数学书,而是故事书。

全书共 30 个篇章,外加两个附录,主要是对一些重要的定理进行证明。30 个篇章从最基本的函数图像、极限、导数等进行讲起,再到后来微分方程和积分的方法。从每篇文章的编排和作者的表述可以看出作者数学功底的深厚,深入浅出地介绍了各种求导方法和证明极限的过程。在此,我突然想起我曾经看过的一本书《什么是数学》上的一句话,大致意思是:有些作者总喜欢把简单的问题或者定理复杂化,以显示自己的博学多才和深厚的学术功底,却不知道能把复杂的问题简单化才是真正的本事。所以我很庆幸自己遇到了后者。这本书还有一个最大的不同在于,读其他的数学书感觉像是单方面通信,对方在发送信息,我就一直接收;然而这本书给我的感觉是在和作者进行平等地交流,我猜测他在写数学书的同时也研习过心理学,不然我在看这本书的过程中的心理变化作者怎么会判断的如此准确并给予了适当的提醒呢?

记得我是从小学六年级开始对数学感兴趣,尤其喜欢代数式的化简与计算,那时候的我很单纯,就想着把眼前的一道道题目解答好就很开心了。就像去 AC 一道道编程题,喜欢寻找那瞬间 AC 通过的快感,解数学题也一样,当我看着把很长的一段多项式化简为一个整数 1 或 0 时,就会油然产生一种成就感。直到高一,因为每天有大量的数学课后作业要做,我来不及享受数学带给我的快乐,转眼就被各种作业压力所吞没,使我有很长一段时间惧怕数学。到了大学,高等数学课程也是在恍恍惚惚间略过,结课后就扔在了书架不起眼的角落里。

这就是我与数学爱恨交织的过程,我曾想过再重新开始,却发现当我拿起我的高数课本时竟然感到如此陌生,看了半天内心也丝毫没有当年的感觉。

所以我很感激这本书的出现,让我坚持像打鸡血一样找到了最初的激动感,并感到微积分也不是这么难的。这本书现在放在了我书架上最显眼的位置,每天都会抽出来翻一翻,虽然已经看完了一半,但我知道我的数学求学路还会继续走下去!

看了这个书评,相信很多小伙伴在其中看到了自己的影子,看到了自己一路上与数学的爱恨纠葛。但是无论数学怎样虐我们,我们都会待她如初恋一般。不管是玩游戏还是做技术,都希望数学不是拖你后腿的那个。

译者:杨爽 赵晓婷 高璞

    阿德里安·班纳,澳大利亚新南威尔士大学数学学士及硕士,普里斯顿大学数学博士。2002 年起任职于 INTECH 公司,现为 INTECH 公司首席执行官兼首席投资官。同时,他在普林斯顿大学教学数学系任兼职教师。

    第1章 函数、图像和直线  1

    1.3 函数的复合  10

    1.4 奇函数和偶函数  12

    1.5 线性函数的图像  14

    1.6 常见函数及其图像  16

    第2章 三角学回顾  21

    2.1 基本知识  21

    2.2 扩展三角函数定义域  23

    2.3 三角函数的图像  29

    2.4 三角恒等式  32

    第3章 极限导论  34

    3.1 极限:基本思想  34

    3.2 左极限与右极限  36

    3.3 何时不存在极限  37

    3.4 在∞和-∞处的极限  38

    3.5 关于渐近线的两个常见误解  41

    3.6 三明治定理  43

    3.7 极限的基本类型小结  45

    第4章 求解多项式的极限问题  47

    4.1 x → a时的有理函数的极限  47

    4.2 x → a时的平方根的极限  50

    4.3 x → ∞时的有理函数的极限  51

    4.4 x → ∞时的多项式型函数的极限  56

    4.5 x → -∞时的有理函数的极限  59

    4.6 包含绝对值的函数的极限  61

    第5章 连续性和可导性  63

    5.1 连续性  63

    5.2 可导性  71

    第6章 求解微分问题  84

    6.1 使用定义求导  84

    6.2 用更好的办法求导  87

    6.3 求切线方程  98

    6.4 速度和加速度  99

    6.5 导数伪装的极限  101

    6.6 分段函数的导数  103

    6.7 直接画出导函数的图像  106

    第7章 三角函数的极限和导数  111

    7.1 三角函数的极限  111

    7.2 三角函数的导数  124

    第8章 隐函数求导和相关变化率  132

    8.1 隐函数求导  132

    8.2 相关变化率  138

    第9章 指数函数和对数函数  148

    9.1 基础知识  148

    9.3 对数函数和指数函数求导  158

    9.4 求解指数函数或对数函数的极限  161

    9.5 取对数求导法  169

    9.6 指数增长和指数衰变  173

    9.7 双曲函数  178

    第10章 反函数和反三角函数  181

    10.1 导数和反函数  181

    10.2 反三角函数  187

    10.3 反双曲函数  199

    第11章 导数和图像  202

    11.1 函数的极值  202

    11.4 二阶导数和图像  212

    11.5 对导数为零点的分类  215

    第12章 绘制函数图像  219

    12.1 建立符号表格  219

    12.2 绘制函数图像的全面方法  224

    第13章 最优化和线性化  239

    第14章 洛必达法则及极限问题总结  263

    14.1 洛必达法则  263

    14.2 关于极限的总结  273

    第15章 积分  276

    15.2 位移和面积  283

    第16章 定积分  293

    16.2 定积分的定义  297

    16.3 定积分的性质  301

    16.6 积分的平均值和中值定理  316

    16.7 不可积的函数  319

    第17章 微积分基本定理  321

    17.1 用其他函数的积分来表示的函数  321

    17.2 微积分的第一基本定理  324

    17.3 微积分的第二基本定理  328

    17.5 怎样解决问题:微积分的第一基本定理  331

    17.6 怎样解决问题:微积分的第二基本定理  336

    17.8 微积分第一基本定理的证明  345

    第18章 积分的方法I  347

    18.2 分部积分法  356

    第19章 积分的方法II   373

    19.1 应用三角恒等式的积分  373

    19.2 关于三角函数的幂的积分  376

    19.3 关于三角换元法的积分  384

    19.4 积分技巧总结  391

    第20章 反常积分:基本概念  393

    20.1 收敛和发散  393

    20.2 关于无穷区间上的积分  398

    20.3 比较判别法(理论)  400

    20.4 极限比较判别法(理论)  402

    20.6 绝对收敛判别法  407

    第21章 反常积分:如何解题  410

    21.2 积分判别法总结  413

    21.3 常见函数在∞和-∞附近的表现  414

    21.4 常见函数在0附近的表现  426

    21.5 如何应对不在0或1处的瑕点  432

    第22章 数列和级数:基本概念  434

    22.1 数列的收敛和发散  434

    22.2 级数的收敛与发散  438

    22.4 无穷级数和反常积分的性质  443

    22.5 级数的新判别法  447

    第23章 求解级数问题  455

    23.1 求几何级数的值  455

    23.2 应用第n项判别法  457

    23.3 应用比式判别法  457

    23.4 应用根式判别法  461

    23.5 应用积分判别法  462

    23.6 应用比较判别法、极限比较判别法和p判别法 463

    23.7 应对含负项的级数  468

    第24章 泰勒多项式、泰勒级数和幂级数导论 472

    24.1 近似值和泰勒多项式  472

    24.2 幂级数和泰勒级数  478

    24.3 一个有用的极限  485

    第25章 求解估算问题  487

    25.1 泰勒多项式与泰勒级数总结  487

    25.2 求泰勒多项式与泰勒级数  488

    25.3 用误差项估算问题  491

    25.4 误差估算的另一种方法  499

    第26章 泰勒级数和幂级数:如何解题  502

    26.1 幂级数的收敛性  502

    26.2 合成新的泰勒级数  508

    26.3 利用幂级数和泰勒级数求导  517

    26.4 利用麦克劳林级数求极限  519

    第27章 参数方程和极坐标  523

    第28章 复数  538

    28.3 复数的高次幂  544

    28.6 一些三角级数  552

    28.7 欧拉恒等式和幂级数  554

    第29章 体积、弧长和表面积  556

    29.1 旋转体的体积  556

    29.2 一般立体体积  567

    29.4 旋转体的表面积  574

    第30章 微分方程  578

    30.1 微分方程导论  578

    30.2 可分离变量的一阶微分方程  579

    30.3 一阶线性方程  581

    30.4 常系数微分方程  585

    30.5 微分方程建模  595

    附录A 极限及其证明  598

    A.1 极限的正式定义  598

    A.2 由原极限产生新极限  602

    A.3 极限的其他情形  606

    A.4 连续与极限  611

    A.5 再谈指数函数和对数函数  616

    A.6 微分与极限  618

    A.7 泰勒近似定理的证明  627

    附录B 估算积分  629

    B.1 使用条纹估算积分  629

    B.2 梯形法则  632

    B.3 辛普森法则  634

    B.4 近似的误差  636

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