线性化近似

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

原文地址:https://www.cnblogs.com/luofeiju/p/14239790.html