Pereiti prie turinio

Logaritminės ir atvirkštinių trigonometrinių funkcijų reikšmių skaičiavimas

Iš Wikibooks.

Elementariųjų funkcijų reikšmių skaičiavimas


Logaritminės ir atvirkštinių trigonometrinių funkcijų reikšmių skaičiavimas pagrįstas Teiloro formulės taikymu. Čia smulkiai aptarsime, kaip skaičiuojamos logaritmo ir arktangento reikšmės. Funkcijų ir reikšmių skaičiavimas pakeičiamas arktangento reikšmių skaičiavimu pagal šitokias žinomas formules:
[ https://en.wikipedia.org/wiki/Inverse_trigonometric_functions#Relationships_among_the_inverse_trigonometric_functions ]

1. Skaičiaus ln(a) radimas

[keisti]
Skaičių a>0 išreikškime sandauga
kurioje p – sveikasis skaičius, o M tenkina nelygybes
Pastebėsime, kad skaičių a išreikšti (8.83) sandauga galima vieninteliu būdu. Remdamiesi (8.83) formule, logaritmą užrašome šitaip:
Sakykime,
ir šitą M išraišką įrašykime į (8.85) lygybę. Tada logaritmo išraiška bus šitokia:
Funkciją išdėstysime pagal Makloreno formulę. Pirma rasime kelias funkcijos išvestines ir pagal jas nuspėsime aukštesnių eilių šios funkcijos išvestines (ir jų reikšmes, kai ).
čia
Akivaizdu, kad ir
Randame funkcijos g(x) ir jos išvestinių reikšmes taške :
Makloreno eilutės dėstinys su Lagranžo formos liekamuoju nariu bus šitoks:
skaičius griežtai įterptas tarp nulio ir vieneto.
[Naudotojas Paraboloid neįsivaizduoja iš kur ir kaip gauta tokia išraiška. Ar ji teisinga, paaiškės apskaičiavus pavyzdį.]
Skaičiuojant artinį, naudojama formulė
kuri gaunama iš (8.87) lygybės, funkciją pakeitus šios funkcijos (8.88) Makloreno formulės dalimi be liekamojo nario Pastebėsime, kad skaičius x apytikslėje formulėje randamas iš (8.86) formulės, atsižvelgus į (8.84) nelygybes, kurias turi tenkinti skaičius M.
Įvertinsime (8.90) formulės paklaidą. Kadangi skaičiaus artinio, apskaičiuoto pagal (8.90) formulę, ir tikslios reikšmės, gaunamos pagal (8.87) formulę, skirtumas lygus liekamajam nariui tai, aiškinantis paklaidą, užtenka įvertinti tą liekamąjį narį.
Iš pradžių išsiaiškinsime x kitimo ribas. Iš (8.86) formulės gauname
Jei M reikšmės tenkina (8.84) nelygybes, tai x tenkina sąlygą*
[
Matome, kad nėra tokių M reikšmių, su kuriom h'(M) būtų lygi nuliui. Todėl funkcija neturi maksimumo ir minimumo taškų.
=(0.70710678118654752440084436210485-1)/(0.70710678118654752440084436210485+1) =
= -0.29289321881345247559915563789515/1.7071067811865475244008443621048 = -0.17157287525380990239662255158061.
=(1.4142135623730950488016887242097-1)/(1.4142135623730950488016887242097+1)=
= 0.4142135623730950488016887242097/2.4142135623730950488016887242097 = 0.1715728752538099023966225515806.
Taigi, matome, kad
-0.17157287525380990239662255158061 < x < 0.1715728752538099023966225515806. Arba |x| < 0.171572875254.]
Dabar pastebėsime, kad liekamasis narys vienodai įvertinamas tiek tada, kai x reikšmės teigiamos, tiek tada, kai jos neigiamos (iš (8.89) formulės matyti, kad, x pakeitus -x, liekamojo nario struktūra nepasikeičia). Todėl užtenka įvertinti kai Atsižvelgę į tai ir į (8.92) nelygybę, dešiniojoje (8.89) formulės pusėje vietoj x rašome skaičių 0.172, vietoj trupmenos rašome vienetą, o vietoj – skaičių ir gauname šitokį įvertį:
[Taip, čia laužtiniuose skliaustuose jau pliusas pasidarė. Tai arba (8.89) formulėje klaida arba čia.]
Daugiklį įkelsime į laužtinius skliaustus. Kadangi (0.172/(1-0.172)=0.172/0.828=~0.207729), tai
Skaičiuojant elektronine skaičiavimo mašina**, (8.90) formulėje dažniausiai imama Tuomet skaičiavimo tikslumas, kaip matyti iš (8.93), įvertinamas skaičiumi mažesniu kaip
[ (0.172^14 + 0.208^14)/14 = 2.1682237054688578614343997699803e-11 ]
[O jeigu ten turi būti minusas laužtiniuose skliaustuose kaip (8.89) formulėje, tai
(0.172^14 - 0.208^14)/14 = -1.8848887113203326016424566362697e-11 Matome, kad nuo to nėra didelio skirtumo.]

________________

* Kadangi x yra argumento M funkcija, tai užtenka rasti maksimalią (8.91) funkcijos modulio reikšmę segmente
** Taip skaičiuojamas elektronine skaičiavimo mašina БЭСМ-6.

Pavyzdžiai

[keisti]
  • Apskaičiuosime ln(a)=ln(143). Pagal (8.83) formulę
[]
Toliau, pagal (8.87) formulę
[]
7.5*0.69314718055994530941723212145818 = 5.1986038541995898206292409109363.
Tiksli ln(143) reikšmė yra ln(143)=4.9628446302599072801154310195304.
Iš (8.91) formulės randame x:
= (0.55859375*1.4142135623730950488016887242097 - 1)/(0.55859375*1.4142135623730950488016887242097+1) =
= -0.11733662705136264741194733209931.
Toliau pagal (8.88) formulę apskaičiuosime kai n=6.
= 2*(-0.11733662705136264741194733209931 -0.11733662705136264741194733209931^3/3 -0.11733662705136264741194733209931^5/5
-0.11733662705136264741194733209931^7/7 -0.11733662705136264741194733209931^9/9 -0.11733662705136264741194733209931^11/11
-0.11733662705136264741194733209931^13/13) =
(nukopijavus viską nuo "2" iki ženklo "=" ir įdėjus (padarius "Paste") į Windows 10 kalkuliatorių gaunamas žemiau esantis atsakymas)
= -0.23575922393968105542703851052716.
Pridėjus gautą atsakymą prie 7.5*ln(2) reikšmės, gauname ln(a)=ln(143) artinį:
= 5.1986038541995898206292409109363 + (-0.23575922393968105542703851052716) = 4.9628446302599087652022024004091.
Atėmę gautą ln(143) reikšmę iš tikslios ln(143) reikšmės, gauname
4.9628446302599072801154310195304 - 4.9628446302599087652022024004091 = -0.0000000000000014850867713808787 =
(1+(-0.11733662705136264741194733209931))/(1-(-0.11733662705136264741194733209931)) =
= (1-0.11733662705136264741194733209931)/(1+0.11733662705136264741194733209931) = 0.78997085710684606241656831078901.
Tiksli ln(0.78997085710684606241656831078901) reikšmė yra tokia:
ln(0.78997085710684606241656831078901) = -0.23575922393968254051380989140588.
(su x=-0.11733662705136264741194733209931) paklaida yra tokia:
-0.23575922393968254051380989140588 - (-0.23575922393968105542703851052716) =
= -0.23575922393968254051380989140588 + 0.23575922393968105542703851052716 = -0.00000000000000148508677138087872 =
Pagal (8.89) formulę
= (-0.11733662705136264741194733209931)^14 * (1/(1-0.11733662705136264741194733209931)^14 -1)/14 =
= 3.1744477658835444278622203928479e-14
Matome, kad paklaida įvertinta teisingai, nes
Pastebėsime, kad
6.6979571136742061476086008278822e-15 ;
-0.11733662705136264741194733209931^15/15 = -7.3352131612966428681484668924553e-16.
Todėl (8.88) formulėje liekamąjį narį tikriausiai galima įvertinti taip:
Arba garantuotai visais atvejais R(x) turėtų būti teisingas, kai
Nes -0.11733662705136264741194733209931^13/13 = -6.1474279304103020252424035678064e-14.

2. Skaičiaus arctg(x) radimas.

[keisti]
Skaičiuojant užtenka nagrinėti teigiamas argumento reikšmes, nes, kai gauname
Aprašysime standartines transformacijas, kuriomis skaičiavimas, kai argumento x reikšmės ne mažesnės kaip pakeičiamas arktangento skaičiavimu, kai argumento reikšmės mažesnės už
Iš pradžių tarkime, kad Sakykime, t. y. o Iš paskutinės lygybės gauname
[pasinaudodami formule (iš https://lt.wikibooks.org/wiki/Matematika/Trigonometrinės_formulės) ]
Kadangi
tai, norint apskaičiuoti kai pakanka apskaičiuoti kai
Dabar aptarsime atvejį, kai argumentas tenkina nelygybes
Sakykime, Savaime aišku, su kokia nors reikšme yra teisingos nelygybės
[Kai x daugiau už 1, tai x gali būti daugiau už Tiksliau, kai x>2, tai ]
Tarkime, kad t. y. o Iš paskutinės lygybės gauname
[pasinaudodami formule ]
Kadangi tai Be to, iš dešiniosios (8.94) nelygybės išplaukia Todėl iš paskutinės išraiškos gauname nelygybę Kadangi
tai skaičiavimas, kai x tenkina (8.94) nelygybes, pakeičiamas skaičiavimu, kai
Jei aprašytąsias argumento x transformacijas pakartosime daugių daugiausia keturis kartus, tai skaičiavimą, kai x reikšmės priklauso pusintervaliui pakeisime arktangento skaičiavimu, kai argumento reikšmės mažesnės už
[Ten klaidelė. Maksimum keturių transformacijų reikia, kai x reikšmės priklauso pusintervaliui o kai x reikšmės priklauso pusintervaliui tai tada daugių daugiausia gali prireikti 3 transformacijos.]
Skaičiuojant kai naudojama Makloreno formulė (kuri išvedama čia: https://lt.wikibooks.org/wiki/Matematika/Matematinės_eilutės)
Dažniausiai šioje formulėje imama ir atmetamas liekamasis narys (taip, pavyzdžiui, daroma skaičiuojant elektronine mašina БЭСМ-6). Logaritmo ir arktangento skaičiavimo programa yra bendra. Naudojant tą programą arktangentui skaičiuoti, reikia, kad gretimi nariai būtų priešingų ženklų.

Pavyzdžiai

[keisti]
  • Apskaičiuosime Čia Tada
Pradėsime nuo to, kad Tada
Toliau
Toliau imsime Tada
Toliau
Toliau imsime Tada
Ir gauname
Tokiu budu
0.78539816339744830961566084581988;
0.46364760900080611621425623146121;
0.12435499454676143503135484916387.
Šiame pavyzdyje skaičiuoti Makloreno eilutės nereikia su x reikšme mažesne už 1/8, nes
Taigi,
arctg(5) = 0.78539816339744830961566084581988 + 0.46364760900080611621425623146121 + 0.12435499454676143503135484916387 =
= 1.373400766945015860861271926445.
Tiksli arctg(5) reikšmė iš kalkuliatoriaus yra tokia:
arctg(5) = 1.373400766945015860861271926445.
Gavome tą patį atsakymą.


  • Apskaičiuosime Čia
Pradėsime nuo to, kad Tada
Toliau
Toliau imsime Tada
Tuo tarpu yra daugiau už 0.(18). Todėl skaičiavimus su praleisime ir iškart skaičiuosime toliau su (nes 0.125 yra mažiau nei 2/11=0.(18)). Taigi,
[1/18 = 0.05555555555555555555555555555556.]
Toliau galime skaičiuoti pagal Makloreno formulę,
imdami n=6 ir vietoje x įrašę Tada gauname:
= 1/18 - 1/18^3/3 + 1/18^5/5 - 1/18^7/7 + 1/18^9/9 - 1/18^11/11 + 1/18^13/13 = 0.05549850524571683556705277298107.
(Kad gauti tokį atsakymą greitai, tereikia aukščiau esančią eilutę nukopijuoti ir įdėti į Windows 10 kalkuliaorių, padarius "Paste").
Atėmę gautą arctg(1/18) reikšmę iš tikslios arctg(1/18) reikšmės, gauname paklaidą:
0.05549850524571683555719814809224 - 0.05549850524571683556705277298107 = -0.00000000000000000000985462488883 =
Kaip ir su natūrinio logaritmo skaičiavimu, liekamąjį narį galima įvertinti taip:
1/18^14/14 = 1.9057103509769875767803163358316e-19
Tada
Todėl
= 0.78539816339744830961566084581988 + 0.46364760900080611621425623146121 +0.12435499454676143503135484916387 + 0.05549850524571683556705277298107 = 1.428899272190732696428324699426.
Atėmę ką tik gautą arctg(7) reikšmę iš kalkuliatoriaus tikslios arctg(7) reikšmės, gauname paklaidą:
1.4288992721907326964184700745372 - 1.428899272190732696428324699426 = -9.8546248888316409091970590727231e-21 =
= -0.0000000000000000000098546248888


Pastabos. Čia visos arkatangento reikšmės skaičiuojamos radianais. Kad kalkuliatorius skaičiuotų radianais, reikia paspausti mygtuką, kuris keičia tarp laipsnių, radianų ir gradianų (iš "DEG", "RAD" ir "GRAD" reikia išrinkti, kad rodytų "RAD"). O tam, kad kalkuliatorius apskaičiuotų arktangento reikšmę, reikia iš pradžių įrašyti skaičių į kalkuliatorių ir paskui Windows 10 kalkuliatoriuje (kuris turi būti nustatytas [vienu paspaudimu] per patį kalkuliatorių, kad būtų "Scientific") paspausti "Trigonometry", vėliau paspausti ir tada paspausti . Tada ir bus gauta arktangento reikšmė radianais, jei buvo pasirinkta "RAD".