線性近似

線性近似

在數學中,線性近似是指使用線性函式對一般函式進行近似處理的方法。線性近似就是用線性函式對普通函式進行近似。這個線性函式稱為仿射函式。

定義

圖1.線性近似,切線近似 圖1.線性近似,切線近似

所謂線性近似,也叫線性逼近,主要作用是把一個複雜的非線性函式用一個簡單的線性函式來表示。

假設一般函式上存在點(a, f(a)),當x接近a時,可以使用函式在a點的切線作為函式的近似線。函式L(x)≈f(a)+f'(a)(x-a)即稱為函式f在a點的 線性近似切線近似

例如,有一個實數變數的可導函式 f,根據 n=1的泰勒公式,

線性近似 線性近似
線性近似 線性近似

其中 是餘數。捨去餘數就是線性近似:

線性近似 線性近似

當 x無限接近於 a的時候這個等式成立。

圖1的表示是 f在點 ( a, f( a)) 處的切線,因此這個過程也叫作 切線近似

線性近似 線性近似
線性近似 線性近似
線性近似 線性近似
線性近似 線性近似

我們也可以對以向量作為變數的向量函式作 線性近似,這時在該點的導數用雅可比矩陣代替 。例如,一個有實數變數的可導函式 ,可以用函式 在接近 的 點處的值來近似,

線性近似 線性近似
線性近似 線性近似
線性近似 線性近似

方程右側是在點處的平面切線。

在更具普遍意義的巴拿赫空間上,

線性近似 線性近似
線性近似 線性近似
線性近似 線性近似
線性近似 線性近似

其中 是函式 在 處的 Fréchet 導數。

示例

線性近似的方法在尋找函式近似值時有很大作用:

線性近似 線性近似

例1.求 的值。

線性近似 線性近似
線性近似 線性近似

1) 設函式 ,問題化為求 的值,

2)可以得到

線性近似 線性近似

3)根據 線性近似

線性近似 線性近似

4)結果 2.926 非常接近於實際值 2.924。

幾何意義

線性近似求解的是近似值,其幾何意義是在基點的切線近似於原函式的曲線 。

圖2.線性近似的幾何意義——切線 圖2.線性近似的幾何意義——切線
線性近似 線性近似

以f(x)=lnx為例,根據公式,在x=1, ,曲線和切線如圖2所示:

在x=1點附近,曲線近似於直線,x越接近x,二者的近似度越高。在討論近似時,只有指定基點才有意義。這很容易理解,x越遠離x,曲線和直線的差距越大;同時,當基點不同時,切線的斜率也不同。

常用線性近似公式

x=0時,常用的線性近似值:

線性近似 線性近似

1);

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2);

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3);

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4);

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5)。

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