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關于cosx的等價無窮小

圖文 更新时间:2024-12-28 02:57:36

說起cosx=x的解,簡直就像數學裡的魔法一樣,因為隻要你在計算器上一直點cos,然後随便輸入一個數值,例如1,就能得到這個方程的解,你可以理解成這個方程的解x=cos(cos(cos(……cos(1)……)))≈0.739085133216rad,是不是感覺不可思議,下面小編帶你探索cosx=x究竟應該如何解。

探究本質

關于cosx的等價無窮小(數學裡的魔法方程cosx)1

cosx=x的解

估計許多同學看到上面的式子感覺對數學不再愛了吧,哈哈,不怕不怕,看似複雜,實際其實挺簡單的。如果僅僅是求近似解,相信大多數同學都會使用牛頓叠代法,俗稱流數法,隻要假設f(x)=x-cosx,就可以利用x=x。-f(x。)/f'(x。)一直叠代得到這個方程的近似解。而對于為什麼x=cos(cos(cos(……cos(x。)……))),這個也是叠代法呀,那為什麼是這種形式的叠代呢?其實我們不妨把x=cosx看成是xn=cosx(n-1),然後随便假設一個x。,哈哈是不是當n趨于無窮大的時候就是這個結果了?這種方法其實也是某種意義上的流數法。

但是數學的美畢竟不在近似解,而在于完美解,隻有完美地把解的形式表達出來,才能真的稱之為數學中的魔法。cosx=x其實是一個超越方程,但是并不是所有的超越方程都有完美解,隻有被上帝眷顧了的超越方程才有可能得到完美解,而cosx=x正是這樣一個幸運兒,下面我們來看應該如何求cosx=x的完美解。

深入分析

我們令x=π/2-t,代入cosx=x得sint=π/2-t,整理得t sint=π/2,這個不就是開普勒方程嗎?可能許多同學問啥是開普勒方程呢?好的,下面開普勒方程隆重登場:

E-esinE=M

這個是開普勒用來求解天體運動的方程,它的性質非常多。至此我們知道了cosx=x其實等價于開普勒方程,隻要求出這個方程的解,那cosx=x的解也就知道了,好的二話不說,我們馬上來求解開普勒方程。

關于cosx的等價無窮小(數學裡的魔法方程cosx)2

開普勒方程的求解過程

于是我們得到了E-esinE=M的貝塞爾函數解:

關于cosx的等價無窮小(數學裡的魔法方程cosx)3

開普勒方程的貝塞爾函數解

于是我們不難得到cosx=x的完美解:

關于cosx的等價無窮小(數學裡的魔法方程cosx)4

cosx=x的完美解

總結

一切神奇的數學結果都有其嚴謹的推導過程,隻要我們科學探知,那麼數學就可以成為我們探索宇宙的工具,cosx=x的解隻是大自然的某一種魔法而已,還有更多的魔法有待我們去破解。

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