Pereiti prie turinio

Trigonometrinių, rodiklinės ir hiperbolinių funkcijų reikšmių skaičiavimas

Iš Wikibooks.

Elementariųjų funkcijų reikšmių skaičiavimas


Šių funkcijų reikšmių skaičiavimas pagrįstas grandininėmis (arba tolydžiosiomis) trupmenomis. Reikalingos žinios apie tas trupmenas pateiktos toliau.
Išvardytų funkcijų reikšmių skaičiavimas yra susijęs su konkrečia grandinine trupmena, gaunama išskleidus funkcją Todėl pirmiausia aptarsime, kaip skaičiuoti funkcijos reikšmes, o paskui - kitų funkcijų reikšmes.
Toliau yra atitinkamai hiperbolinis kosinusas, hiperbolinis sinusas ir hiperbolinis tangentas. Apie hiperbolines funkcjas parašyta čia:

https://en.wikipedia.org/wiki/Hyperbolic_functions

1. Kai kurios žinios apie grandinines trupmenas.

[keisti]
Baigtine grandinine trupmena vadinamas šitoks reiškinys:
[ https://en.wikipedia.org/wiki/Generalized_continued_fraction ]
Skaičiai dažniausiai vadinami daliniai skaitikliais, o – daliniais vardikliais.
Grandininės trupmenos
vadinamos grandininės trupmenos reduktais.
Tarę, kad iš (8.96) lygybių, išreiškiančių reduktus (), galime gauti formules, siejančias su bei ir su bei
[Parodysime, kad jos teisingos, kai k=2.
(iš (8.96)),
Gauname
O iš (8.96) formulės gauname
Matome, kad trupmenos išraiška abiais būdais skaičiuojant yra tokia pati.]
Mums bus reikalinga speciali formulė, išreiškianti trupmeną apibrėžtą (8.95) reiškiniu. Tuo tikslu palyginsime du tos trupmenos reduktus ir Tų reduktų skirtumas, savaime aišku, lygus
Paskutinės trupmenos skaitiklį, atsižvelgdami į (8.97) lygybes, galime pertvarkyti šitaip
Paeiliui remdamiesi (8.99) sąryšiu reikšmėms ir atsižvelgdami į tai, kad (8.98) trupmeną išreikšime šitaip:
[
Kai k=1, gauname:
]
Kadangi
tai, pasinaudoję (8.100) lygybe, gausime reikalingą konkrečią formulę trupmenai

2. Funkcijos th(x) reiškimas grandinine trupmena.

[keisti]
Šiame skirsnyje aprašomą funkcijos reiškimo grandinine trupmena metodą pirmasis pritaikė Šliomilchas*, dėstydamas grandinine trupmena funkciją
Imkime funkciją kai Du kartus ją išdiferencijavę ir atlikę paprastus pertvarkymus, gauname tapatybes:
[
Bet antra y išvestinė nieko nepasako. Tiesiog reikia žinot, kad (sh(x))'=ch(x). ]
Iš lygybės
išplaukia tapatybė, kuri teisinga, kai (šios lygybės abi puses reikia padauginti iš ):
Šią tapatybę diferencijuodami toliau, gausime
Santykį pažymėsime simboliu Tada iš paskutinės (8.103) lygybės gausime tapatybę (padaliję tą lygybę iš )
iš kurios
Kadangi
tai (8.104) sąryšį, kai galima užrašyti šitaip:
Dešinėje paskutinės formulės pusėje vietoj įrašysime jo išraišką. gautą iš (8.104) lygybės, kai Tuomet
Šiame reiškinyje vietoje galima įrašyti jo išraišką iš (8.104) lygybės, kai Tokias operacijas galime atlikti kiek norime kartų. Galų gale gausime funkcijos dėstinį grandinine trupmena. Tame dėstinyje vietoj įrašę turėsime mums reikalingą funkcijos dėstinį baigtine grandinine trupmena:

__________________

* Schlömilch O. Ueber den Kettenbruch für tg x. Zs. Math. u. Phys. 2(1857), 137–165.

3. Funkcijos th(x) reikšmių skaičiavimas. Skaičiavimo paklaidos įvertinimas.

[keisti]
Skaičiuojant funkcijos reikšmes elektronine skaičiavimo mašina, dažniausiai naudojamsi (8.105) formule, iš kurios išbraukiamas narys Tuomet skaičius n paprastai laikomas lygiu 6 (n=6), o x reikšmių moduliai apribojami skaičiumi
Įvertinsime paklaidą su bet kokiu n.
Funkcijos reikšmės artinį, gautą iš (8.105) formulės, išbraukus narį žymėsime Pastebėsime, kad ir yra grandininės trupmenos, kurias atitinkamai žymėsime ir
Surašykime tų trupmenų dalinius skaitiklius ir bei dalinius vardiklius ir (brūkšneliu virš raidės žymėsime skaičius, susijusius su trupmena ):
Kadangi trupmenose ir turime tai, remdamiesi (8.106) formulėmis ir (8.97) sąryšiais, gauname šitokias lygybes
Dabar abi trupmenas ir išreikšime pagal (8.101) formulę. Iš (8.106) ir (8.107) lygybių matyti, kad tos išraiškos viena nuo kitos skirsis tik paskutiniu dėmeniu. Todėl skirtumas bus lygus tų trupmenų išraškų pagal (8.101) formulę paskutinių dėmenų skirtumui. Kadangi aptariamųjų trupmenų skirtumas lygus tai, pasinaudoję (8.106) lygybėmis, gauname formulę
Šią formulę, remiantis (8.107) lygybėmis, galima perrašyti šitaip:
Kad gautume reikalingą įvertį, pasinaudosime dviem nelygybėmis, kurias įrodysime vėliau.
Kai su bet kokiu teisinga nelygybė
Kai skaičius yra teigiamas:
Dabar įvertinsime skirtumą tarę, kad x>0. Kadangi ir visi yra teigiami, kai x>0, tai reiškinys, parašytas (8.108) lygybės dešinės pusės laužtiniuose skliaustuose, nėra didesnis už vienetą. Be to, iš (8.109) gauname nelygybę
Todėl, kai x>0, su bet kokiu numeriu n bus teisingas toks paklaidos įvertis:
Apskaičiuosime paklaidos įvertį, kai n=6, o x reikšmės tenkina nelygybes Kai n=6, skaičius lygus 11, o skaičius lygus 13. Kadangi tai Lengva apskaičiuoti, kad Todėl iš (8.111) formulės įsitikiname, kad reikšmės apytikslio skaičiavimo paklaida, kai n=6, ne didesnė už
[
11!! = 11*9*7*5*3 = 10395.
= 0.0549755813888/(10395^2 * 13) = 3.9136095151210110325069440028555e-11 ]
Dabar įrodysime, kad (8.109) ir (8.110) nelygybės yra teisingos.
(8.109) nelygybės įrodymas.
Iš pradžių įrodysime, kad visi yra neneigiami. Iš (8.106) formulių išplaukia, kad ir neneigiami, kai ir Be to, jau sakėme, kad Iš to ir iš antrosios (8.97) formulės aišku, kad visi neneigiami, kai
Iš antrosios (8.97) formulės ir iš to, kad ir neneigiami, išplaukia nelygybė
Kadangi o kai tai paeiliui iš (8.112) nelygybės gauname Įsitikinome, kad (8.109) nelygybė yra teisinga.
(8.110) nelygybės įrodymas.
Užtenka įrodyti, kad funkcijos visos išvestinės, kai x>0, yra teigiamos. Savaime aišku, kartu įrodysime ir (8.110) nelygybę, nes
Padauginę paskutinę (8.103) lygybę iš gautąją lygybę galime užrašyti šitaip:
[
]
Pirmiausia įsitikinsime, kad
Tam reikalui užtenka įrodyti, kad funkcija
lieka aprėžta, kai (kai x artėja prie nulio iš dešinės). Iš formulių ir išplaukia, kad funckijos ir yra aprėžtos, kai
[Kad funkcija yra aprėžta, įrodoma, pritaikius funkcijai Lopitalio taisyklę:
]
Tačiau tuomet iš (8.102) lygybės aišku, kad ir funkcija lieka aprėžta, kai
[
Lygybėje (A) dešinė pusė yra aprėžta, kai Todėl aprėžta ir kairė pusė. Be to, ]
Toliau matematinės indukcijos metodu, remdamiesi paskutiniąją (8.103) lygybe, įrodome, kad funkcija yra aprėžta, kai nepriklausomai nuo numerio n. Iš to aišku, kad (8.114) lygybė yra teisinga.
Dabar įsitikinsime, kad, imant bet kokį neneigiamą sveikąjį skaičių n, išvestinė
yra teigiama pustiesėje x>0. Savaime aišku, pustiesėje x>0 yra teigiama. Tarkime, kad pustiesėje x>0 yra teigiama, kai n – koks nors fiksuotas numeris. Įsitikinsime, kad tuomet išvestinė pustiesėje x>0 irgi yra teigiama. Iš (8.113) lygybės matyti, kad jos kairėje pusėje parašyta išvestinė yra teigiama, kai x>0, o tai reiškia, kad funkcija pustiesėje x>0 didėja. Remdamiesi (8.114) lygybe, galime spręsti, kad ta funkcija pustiesėje x>0 yra teigiama. Vadinasi, kai x>0, ir (8.110) nelygybė įrodyta.

4. Hiperbolinio sinuso, hiperbolinio kosinuso ir rodiklinės funkcijos reikšmių skaičiavimas.

[keisti]
Toliau simboliu žymėsime grandininę trupmeną
Elektroninei skaičiavimo mašinai dažniausiai sudaroma tos trupmenos skaičiavimo programa. Ja naudojantis, galima lengvai sudaryti ir hiperbolinio tangento reikšmių skaičiavimo programą, nes, kaip išsiaiškinome praeitame skirsnyje, funkcijos reikšmės artinį galima apskaičiuoti pagal formulę
Be to, praeituose skirsniuose paaiškėjo, kad, didinant n, skaičiavimo tikslumas didėja ir paklaida artėja prie nulio.
Funkcijas ir remiantis formulėmis
galima išreikšti hiperbolinio tangento funkcijomis. Iš tų formulių ir (8.118) lygybės gauname šitokias formules išvardytųjų funkcijų reikšmių artiniams skaičiuoti:
Aišku, remiantis šiomis formulėmis ir skaičiavimo programa, lengva sudaryti programas ir reikšmėms skaičiuoti.

5. Trigonometrinių funkcijų reikšmių skaičiavimas.

[keisti]
Funkcijos dėstinys grandinine trupmena gaunamas analogiškai, kaip ir funkcijos
Imkime funkciją apibrėžtą pustiesėje Du kartus išdiferencijavę tą funkciją ir atlikę paprastus pertvarkymus, gauname sąryšius
[]
Iš paskutinio sąryšio gauname tapatybę (padauginę tą paskutinį sąryšį iš )
Diferencijuodami tą tapatybę, gausime
Santykį pažymėję iš paskutinės tapatybės gauname lygybę iš kurios išreiškiame :
Toliau samprotaujame visiškai panašiai, kaip ir dėstydami hiperbolinį tangentą, ir gauname šitokį funkcijos dėstinį grandinine trupmena:
Funkcijos reikšmės artinį gauname iš tos formulės, atmetę narį Atsižvelgus į (8.117) reiškinį, tą artinį galima apskaičiuoti pagal formulę
Kaip ir nagrinėjant hiperbolinį tangentą, galima įsitikinti, kad, didinant n, skaičiavimo pagal (8.119) formulę tikslumas didėja, o paklaida artėja prie nulio. Pasinaudoję iš elementariosios matematkos žinomomis formulėmis ir bei (8.119) sąryšiu, gauname formules ir reikšmių artiniams skaičiuoti:
Baigdami pastebėsime, kad visų paskutiniuose dviejuose skirsniuose (4. ir 5.) aptartų funkcijų reikšmių skaičiavimo tikslumas, atliekant šešias iteracijas (n=6), bus ne mažesnis kaip jei tik argumento x modulis ne didesnis už

Pavyzdžiai

[keisti]
  • Apskaičiuosime kai x=0.5, o n=4. Tada, pagal (8.105) formulę,
= 0.46212121212121212121212121212121.
Įvertinsime paklaidą, pagal (8.111) formulę.
= 0.001953125/(105^2 *9) = 1.9683799445704207608969513731418e-8
Iš kalkuliatoriaus: 0.46211715726000975850231848364367.
0.46211715726000975850231848364367 - 0.46212121212121212121212121212121 =
= -0.00000405486120236270980272847754
Čia pas mus buvo n=2. Todėl paklaidos įvertis yra skaičiui n=2 toks:
= 0.03125/45 = 6.9444444444444444444444444444444e-4
Taigi, ir įvertis, kai n=2, gautas teisingai.
Toliau jau tikrai apskaičiuosime artinį kai n=4.
= 485.65625/1050.9375 = 0.46211715730002973535533749628308.
Atėmę šią gautą apytikslią reikšmę iš tikslios kalkuliatoriaus reikšmės, gauname paklaidą:
0.46211715726000975850231848364367 - 0.46211715730002973535533749628308 =
= -0.00000000004001997685301901263941
[Kad "atrast", kad 10 pakelta -11, reikia paskaičiuoti kelintu numeriu stovi pirmas skaičius po kablelio nelygus nuliui; čia prieš skaičių "4" yra 10 nuliu po kablelio (taško), o pats ketvertas stovi 11-tas po kablelio (pirmas nulis prieš kablelį neskaičiuojamas).]
Taigi,
Vadinasi, paklaidos įvertinimas gautas teisingai. Beveik trim eilėm reali paklaida mažesnė nei nustatytas paklaidos įvertis.


  • Apskaičiuosime kai x=0.5 radiano, o n=4.
= 459.40625/840.9375 = 0.54630248978075065031586770717205.
Atėmę šią gautą artinio reikšmę iš tikslios kalkuliatoriaus reikšmės, gauname paklaidą:
0.54630248984379051325517946578029 - 459.40625/840.9375 = 6.3039862939311758608230385155597e-11
Paklaidos įvertinimas tangentui yra panašus kaip hiperboliniam tangentui.
[Tangentui, (8.107) lygybės pavirsta į tokias:
Tada (8.108) formulė pavirsta į tokią (padauginome viską dar iš formulėje (8.108), nes yra n koeficientų pagal (8.101) formulę [kurie turi minusą], t. y. ):
Taigi, nėra funkcijai tg(x) griežto paklaidos nustatymo būdo, nes vardiklis gali būti mažesnis skaičius nei funkcijai (reiškinys laužtiniuose skliaustuose gali būti didesnis už 1). Gal kaip nors giliai aiškinantis galima nustatyt, kad ir paklaidos yra panašios.]
Todėl paklaida vertinama pagal (8.111) formulę. Pagal (8.111) formulę, hiperboliniam tangentui gavome, kad
Todėl
Paklaidos įvertinimas gautas teisingai.


  • Apskaičiuosime kai x=0.8, o n=6.
= 117102.4727552/176349.380032 = 0.66403677026792395500016180062552.
Atėmę gautą apytikslią reikšmę iš tikslios reikšmės, gauname paklaidą:
0.66403677026784896368484465640024 - 0.66403677026792395500016180062552 = -0.00000000000007499131531714422528 arba
tanh(0.8) - 117102.4727552/176349.380032 = -7.4991315317144225281449358567679e-14.
Taigi, kaip skaičiavome pagal (8.111) 3. skirsnyje su x=0.8 ir n=6, rezultatas buvo
Matome, kad reali paklaida mažesnė už paklaidos įvertį kas atitinka teoriją (reali paklaida mažesnė beveik trim eilėm).


Tangento paklaidos įvertinimas.
Kai x=0.5, o n=4, gavome, kad th(x) paklaida yra o tg(x) paklaida yra Matome, kad paklaidos modulis yra truputi didesnis funkcijai tg(x).
Nystatysime funkcijos tg(x) paklaidą, kai x=1, o n=6. Truputi aukščiau gavome tokia (8.108 for tg(x)) paklaidos formulę:
Iš aukščiau žinome, kad Taip pat žinome, kad Mums iš (8.97) sistemos
reikia išreikšti visus kai skaičius k yra nuo 1 iki n+1. Mes žinome, kad Ir žinome, kad Tada
Dabar galime pagal (8.108 for tg(x)) formulę nustatyti paklaidą, kai x=1, o n=6. Taigi,
Matome, kad reiškinys laužtiniuose skliaustuose tikrai mažesnis už 1, kai Vadinasi, jeigu tai tg(x) absoliuti paklaida, kai x=1, o n=6, yra mažesnė už
= 1/446139673 = 2.2414505154308480429625454986156e-9
Jei x būtų lygus 0.8, tai paklaida (tiksliau, jos įvertinimas) gauta šiuo būdu būtų kažkiek mažesnė (gal panaši į th(x) paklaidą [su x=0.8]; tiksliau, panaši į jos įvertinimą).
Įvertinsime th(x) paklaidą, kai x=1, o n=6. Pagal (8.111) formulę
gauname
= 1/1404728325 = 7.1188142376213564284752355940427e-10
Matome, kad funkcijos th(x), kai x=1, o n=6 paklaidos nustatymas gaunamas su didesniu tikslumu negu funckijos tg(x) (kai x=1, n=6).
Įrodysime arba paneigsime, kad funkcijai tg(x)
Užtenka įrodyti, kad funkcijos visos išvestinės, kai yra teigiamos. Savaime aišku, kartu įrodysime ir (8.110) nelygybę, nes
Padauginę lygybę
iš 5. skirsnio iš gautąją lygybę galime užrašyti šitaip:
[
]
Pirmiausia įsitikinsime, kad
Tam reikalui užtenka įrodyti, kad funkcija
lieka aprėžta, kai (kai x artėja prie nulio iš dešinės). Iš formulių ir išplaukia, kad funckijos ir yra aprėžtos, kai
[Kad funkcija yra aprėžta, įrodoma, pritaikius funkcijai Lopitalio taisyklę:
]
Tačiau tuomet iš 5. skirsnio lygybės aišku, kad ir funkcija lieka aprėžta, kai
[
Lygybėje (B) dešinė pusė yra aprėžta, kai Todėl aprėžta ir kairė pusė. Be to, ]
Toliau matematinės indukcijos metodu, remdamiesi lygybe iš 5. skirsnio, įrodome, kad funkcija yra aprėžta, kai nepriklausomai nuo numerio n. Iš to aišku, kad (8.114) lygybė yra teisinga.
Dabar įsitikinsime, kad, imant bet kokį neneigiamą sveikąjį skaičių n, išvestinė
gali būti neigiama ir gali būti teigiama (išvestinių ženklai kaitoliojaisi) su Savaime aišku, su yra teigiama. Tada pagal (8.113 for tg(x)), kai n=0, gauname ()
Pagal lygybę (C) funkcijos išvestinė yra neigiama. Todėl funkcija intervale mažėja. Remdamiesi (8.114) lygybe, galime spręsti, kad ta funkcija interavale yra neigiama (vadinasi, ).
Toliau pagal (8.113 for tg(x)) formulę, kai n=1, gauname (kai )
Lygybėje (D) dešinė pusė yra teigiama. Todėl funkcijos išvestinė yra teigiama. Tai reiškia, kad funkcija interavale didėja ir todėl, remiantis (8.114) lygybe,
Toliau pagal (8.113 for tg(x)) formulę, kai n=2, gauname (kai )
Lygybėje (E) dešinė pusė yra neigiama. Todėl funkcijos išvestinė yra neigiama. Tai reiškia, kad funkcija interavale mažėja ir todėl, remiantis (8.114) lygybe,
Toliau pagal (8.113 for tg(x)) formulę, kai n=3, gauname (kai )
Lygybėje (F) dešinė pusė yra teigiama. Todėl funkcijos išvestinė yra teigiama. Tai reiškia, kad funkcija interavale didėja ir todėl, remiantis (8.114) lygybe,
Taigi, indukcijos metodu gavome, kad išvestinių ženklai kaitoliojasi ( ), kai Kadangi tai (kai ). Vadinasi, tangentui negalime panašiai kaip hiperboliniam tangentui vertinti paklaidą.