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 ,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
。
提示二 · 关键转折
余项为 ,,可用 。
参考解答 · 完成尝试后再展开
近似为 。余项为正且小于 ,因此为低估,并有 。
选择展开中心和阶数,让数值近似带有可证明的精度保证。
要估计一个数,为什么先把它写成函数值?
这样才能使用导数和展开中心。
把目标写成 ,选邻近且容易计算的 。列表记录 与 ,最后填入泰勒公式。中心不是零时幂是 ,不应沿用麦克劳林的 。估计阶数与多项式实际次数可能不同。
继续追问:如果选的中心很近却导数难算,会不会反而增加工作?
会。中心选择要同时兼顾距离与函数导数是否容易精确计算。
给定误差要求时,怎样挑最少的项?
把余项上界当作一个关于 的不等式。
若区间上 ,要求 。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。
继续追问:误差上界比真实误差大很多,会否使证明失效?
不会。只要确为上界,结论仍严格,只是可能多用几项。
怎样从余项判断近似偏大还是偏小?
回到“真值等于近似值加余项”。
若余项正,近似低估;若余项负,近似高估。 只知道位于 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。
继续追问:若理论截断误差恰好等于容许误差,随意舍入是否仍安全?
不一定。最终总误差包含截断误差与舍入误差,应预留余量。
什么时候不需要寻找未知的中间点 ?
级数在目标值处若满足交错条件,就可用下一项。
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。
继续追问:全为正项的 展开在正 处能用下一项界吗?
不能直接用交错余项界;应使用拉格朗日余项或其他适用的正项尾和估计。
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。
原书例题重述 · 25.3.1 · 原书 p. 541(PDF 第 566 页)↗
。
余项为 ,,可用 。
近似为 。余项为正且小于 ,因此为低估,并有 。
原书例题重述 · 25.2 · 原书 p. 537(PDF 第 562 页)↗
所有导数在 -2 的值相同。
中心幂应为 。
级数 ,对所有实数有效;三阶多项式 。
补充自测 · 对应 25.4 · 本笔记编写
使用 。
四项后遗漏项是 。
取 ,误差不超过 ,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。