微积分 · 追问笔记
THE CALCULUS LIFESAVER / 第 25 章

估计问题的解法

选择展开中心和阶数,让数值近似带有可证明的精度保证。

4 组核心追问3 组练习原书 pp. 535–550

先修:第 24 章:泰勒与余项

这一章怎么读
  1. 先看问题,暂停一下,用自己的话作答。
  2. 卡住时只展开提示,再阅读推理与公式。
  3. 独立做三组练习;隔一天不看解答重做错题。

建议将一章分成数次学习;以能解释理由、独立做题为进度标准。

本章目录25.1–25.2 从任务反推展开25.3 先界误差再算数值25.3.1–25.3.6 高低估与区间25.4 交错余项
追问 01

25.1–25.2 从任务反推展开

要估计一个数,为什么先把它写成函数值?

先看一个提示

这样才能使用导数和展开中心。

展开推理与讲解

把目标写成 f(x)f(x_*),选邻近且容易计算的 aa。列表记录 f(n)(x)f^{(n)}(x)f(n)(a)f^{(n)}(a),最后填入泰勒公式。中心不是零时幂是 (xa)n(x-a)^n,不应沿用麦克劳林的 xnx^n。估计阶数与多项式实际次数可能不同。

PN(x)=n=0Nf(n)(a)n!(xa)nP_N(x_*)=\sum_{n=0}^N\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x_*-a)^n
追问 02

25.3 先界误差再算数值

给定误差要求时,怎样挑最少的项?

先看一个提示

把余项上界当作一个关于 NN 的不等式。

展开推理与讲解

若区间上 f(N+1)M\lvert f^{(N+1)}\rvert\le M,要求 MxaN+1/(N+1)!εM\lvert x_*-a\rvert^{N+1}/(N+1)!\le\varepsilon。先找满足要求的阶数,再算近似值。导数界可以适度放宽以便算数,但必须在整个中间区间成立;不能只代入展开点。

RN(x)MxaN+1(N+1)!\lvert R_N(x_*)\rvert\le\frac{M\lvert x_*-a\rvert^{N+1}}{(N+1)!}
追问 03

25.3.1–25.3.6 高低估与区间

怎样从余项判断近似偏大还是偏小?

先看一个提示

回到“真值等于近似值加余项”。

展开推理与讲解

若余项正,近似低估;若余项负,近似高估。cc 只知道位于 aa 与目标之间,需用单调性或求导来界定导数大小。目标含根式、对数、三角或指数时都遵循同一流程,差别只在导数界的选择。还要考虑最终小数舍入引入的额外误差。

f(x)=PN(x)+RN(x)f(x_*)=P_N(x_*)+R_N(x_*)
追问 04

25.4 交错余项

什么时候不需要寻找未知的中间点 cc

先看一个提示

级数在目标值处若满足交错条件,就可用下一项。

展开推理与讲解

先确认级数确实等于目标函数,再核对项交替、幅度递减到零。满足条件时误差不超过首个未保留项,符号与该项一致。对积分中的级数,可在合法范围逐项积分后再检验新级数是否交错,不可只看被积函数的形式。

SSNaN+1交错条件成立时\lvert S-S_N\rvert\le\lvert a_{N+1}\rvert\quad\text{交错条件成立时}

本章练习 · 先尝试,再揭示

本书没有独立章末习题集。以下明确区分原书例题、正文结论改编及补充自测;页码是印刷页码,链接另标 PDF 页序。延伸问法已在题目或解答中说明。

练习 1 / 3

原书例题重述 · 25.3.1 · 原书 p. 541(PDF 第 566 页)↗

用二阶麦克劳林多项式近似 e1/3e^{1/3},并给出无需知道目标精确值的误差界。

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

P2(x)=1+x+x2/2P_2(x)=1+x+x^2/2

提示二 · 关键转折

余项为 ec/162e^c/1620<c<1/30<c<1/3,可用 e1/3<2e^{1/3}<2

参考解答 · 完成尝试后再展开

近似为 1+1/3+1/18=25/181+1/3+1/18=25/18。余项为正且小于 2/162=1/812/162=1/81,因此为低估,并有 25/18<e1/3<25/18+1/8125/18<e^{1/3}<25/18+1/81

练习 2 / 3

原书例题重述 · 25.2 · 原书 p. 537(PDF 第 562 页)↗

exe^xa=2a=-2 的泰勒级数和三阶多项式。

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

所有导数在 -2 的值相同。

提示二 · 关键转折

中心幂应为 x+2x+2

参考解答 · 完成尝试后再展开

级数 e2n=0(x+2)n/n!e^{-2}\sum_{n=0}^\infty(x+2)^n/n!,对所有实数有效;三阶多项式 e2[1+(x+2)+(x+2)2/2+(x+2)3/6]e^{-2}[1+(x+2)+(x+2)^2/2+(x+2)^3/6]

练习 3 / 3

补充自测 · 对应 25.4 · 本笔记编写

用交错级数把 ln(1.1)\ln(1.1) 近似到绝对误差小于 10510^{-5}

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

使用 ln(1+x)=xx2/2+x3/3\ln(1+x)=x-x^2/2+x^3/3-\cdots

提示二 · 关键转折

四项后遗漏项是 0.15/50.1^5/5

参考解答 · 完成尝试后再展开

0.10.12/2+0.13/30.14/40.09530833330.1-0.1^2/2+0.1^3/3-0.1^4/4\approx0.0953083333,误差不超过 0.0000020.000002,满足要求。幅度递减到零且交替,下一项正,因此为低估。该对数展开在第 26 章推导。

学习闭环

过关自查

写一段自己的章节总结

保存依赖浏览器的本地存储;更换浏览器或移动文件后可能无法读取原记录。导出的文本可自行备份。