近似值计算与导数的应用

源内容(英文)

在微积分中,导数的近似值通常是指利用导数来估算函数在某一点附近的行为,而不是使用函数的精确(且往往复杂)公式。

让我们设定函数为 f,且 y = f(x)。令 ∆x 表示 x 的微小增量。

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现在,y 的增量类似于 x 的增量,记作

∆y,其定义为 ∆y = f (x + ∆x) – f (x)
⇒ ∆y/∆x = [f(x + ∆x) – f (x)]/∆x

如果 dx = ∆x 相对于 x 来说比较小,那么 dy ≈ ∆y。

⇒ dy/dx ≈ [f(x + ∆x) – f (x)]/∆x

⇒ dy/dx × ∆x + f(x) ≈ f(x + ∆x)

因此,f(x + ∆x) ≈ f‘(x) × ∆x + f(x)

所以,线性近似公式 表示为:

> f(x + ∆x) ≈ f(x) + f′(x)(∆x)

>

> 其中:

>

> – f(a) 是函数在 a 处的值,

> – f′(a) 是函数在 a 处的导数,

> – (x − a) 是相对于点 a 的偏差。

例 1: 求 √26 的近似值。
解:

> 设 f(x) = √x,其导数为 f’(x)= 1/(2√x)

>

> 现在我们知道近似公式

>

> f(x + ∆x) ≈ f(x) + f′(x)(∆x)

>

> 这里我们假设 x 接近 25,因为 25 是一个完全平方数。

>

> 所以我们假设 ∆x = 1

>

> f(x + ∆x) = f(x) + f’(x) . ∆x

> ⇒ f(25 + 1) = f(25) + f‘(25) × 1

> f(26) = √25 + (1/(2 × √(25))

> f(26) = 5 + 1/10 √26

> f(26) = 5 + 0.1 = 5.1

例 2: 求 f(3.02) 的近似值,其中 f(x) = 3×2 + 5x + 3。
解:

> 设 x = 3 且 Δx = 0.02。那么,

>

> 由于 f(3.02) = f(x + Δx) = 3(x + Δx)2 + 5(x + Δx) + 3

>

> 注意 Δy = f(x+Δx) – f(x)。

>

> 因此,f(x + Δx) = f(x) + Δy

>

> ≈ f(x) + f‘(x)Δx (因为 ds = Δx)

> f(3.02) ≈ (3×2 + 5x + 3) + (6x + 5)Δx

> ⇒ f(3.02) = (27 + 15 + 3) + (18 + 5)(0.02)

> f(3.02) = 45 + 0.46 = 45.46

>

> 因此,f(3.02) 的近似值为 45.46。

数值微分(有限差分)

在难以通过解析方法计算函数导数的情况下,我们可以使用数值微分来近似导数。这些近似基于有限差分。

  • 前向差分: f′(x) ≈ [f(x + h) − f(x)]/h
  • 中心差分: f′(x) ≈ [f(x + h) − f(x−h)]/2h

高阶近似

我们可以通过泰勒级数推导出高阶近似,它将函数展开为基于特定点处函数导数的无限项之和。包含的项越多,近似效果就越好。

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