找回密码
 快速注册
搜索
查看: 99|回复: 9

[函数] $x^2+\epsilon x-1=0$的渐近解

[复制链接]

3149

主题

8386

回帖

6万

积分

$\style{scale:11;fill:#eff}꩜$

积分
65391
QQ

显示全部楼层

hbghlyj 发表于 2023-2-27 17:48 |阅读模式
本帖最后由 hbghlyj 于 2023-5-30 15:13 编辑 $\abs\epsilon< 1, x^2+\epsilon x-1=0$的渐近解为
$$x_+\sim1-\frac{1}{2} \epsilon + \frac{1}{8} \epsilon^{2}+O\left(\epsilon^{4}\right)$$

$$x_-\sim-1-\frac{1}{2} \epsilon - \frac{1}{8} \epsilon^{2}+O\left(\epsilon^{4}\right)$$

48

主题

992

回帖

1万

积分

积分
14981
QQ

显示全部楼层

Czhang271828 发表于 2023-2-28 14:21
直截了当的方法是
\begin{align*}
x_\pm &=\dfrac{-\epsilon\pm \sqrt {\epsilon^2+4}}{2}\\
&=\pm \sqrt{1+\epsilon^2/4}-\epsilon/2 \\
&=\pm (1+\frac{\epsilon^2}{8}-\frac{\epsilon^4}{128}+\mathcal O(\epsilon ^6))-\dfrac\epsilon 2.
\end{align*}
但求根公式未必能解析地写出. 一般地, 就是给定在 $(x_0,f(x_0))$ 处可逆的光滑函数 $f$, 并且已知 $f^{-1}$ 的表达式, 试求 $f(x_0)$ 附近的 Taylor 展开. 用 $f$ 各阶导数表示 $f^{-1}$ 各阶导数的算法估计有很多, 此处不议.

3149

主题

8386

回帖

6万

积分

$\style{scale:11;fill:#eff}꩜$

积分
65391
QQ

显示全部楼层

 楼主| hbghlyj 发表于 2023-2-28 19:36
本帖最后由 hbghlyj 于 2023-5-2 22:02 编辑
Czhang271828 发表于 2023-2-28 07:21
用 $f$ 各阶导数表示 $f^{-1}$ 各阶导数的算法估计有很多, 此处不议.


In mathematical analysis, the Lagrange inversion theorem, also known as the Lagrange–Bürmann formula, gives the Taylor series expansion of the inverse function of an analytic function.

例子. 如何求Lambert W函数的级数?

3149

主题

8386

回帖

6万

积分

$\style{scale:11;fill:#eff}꩜$

积分
65391
QQ

显示全部楼层

 楼主| hbghlyj 发表于 2023-5-3 03:59
Czhang271828 发表于 2023-2-28 07:21
一般地, 就是给定在 $(x_0,f(x_0))$ 处可逆的光滑函数 $f$, 并且已知 $f^{-1}$ 的表达式



我用同样的方法来解$x\tan x=ϵ\;(0<ϵ\ll1)$, 即$\tan x=\fracϵx$. 注意$k≠0$与$k=0$时leading order不同:
Putting $x∼x_0+ϵx_1+O(ϵ^2)$ into the equation, expanding $\tan x$ at $x_0$,$$\left(\tan x_0+(1+\tan^2 x_0)ϵx_1+O(ϵ^2)\right)\left(x_0+ϵx_1+O(ϵ^2)\right)=ϵ$$Equating the constant terms\[x_0\tan x_0=0⇒x_0=kπ,k∈\Bbb Z\]Putting into the equation, we get$$\left(ϵx_1+O(ϵ^2)\right)\left(kπ+ϵx_1+O(ϵ^2)\right)=ϵ$$For $k≠0$, equating the coefficients of $ϵ$\[x_1=\frac1{kπ}\]we obtain the asymptotic expansion$$x\sim kπ+\fracϵ{kπ}+O(ϵ^2)$$

For $k=0$, equating the coefficient of $ϵ^1$ we get $0=1$, contradiction😯
When $x\to0$, $\tan x=x+O(x^3)$, so $x(x+O(x^3))=ϵ$, we must have $x=O(ϵ^{1/2})$. Let$$x∼ϵ^{1/2}(x_0+ϵx_1+O(ϵ^2))$$Plugging into the equation, if expanding $\tan x$ at $x_0$,\[\left(\tan(ϵ^{1/2}x_0)+(1+\tan^2(ϵ^{1/2}x_0))ϵ^{3/2}x_1+O(ϵ^{5/2})\right)ϵ^{1/2}\left(x_0+ϵx_1+O(ϵ^2)\right)=ϵ\]which is cumbersome😵‍💫To get rid of $\tan$ let us expand at $0$ instead😀\[\left(ϵ^{1/2}x_0+ϵ^{3/2}x_1+O(ϵ^{5/2})+\frac13\left(ϵ^{1/2}x_0+O(ϵ^{3/2})\right)^3+O(ϵ^{5/2})\right)ϵ^{1/2}\left(x_0+ϵx_1+O(ϵ^2)\right)=ϵ\]
Equating the coefficient of $ϵ^1$ we get$$x_0^2=1⇒x_0=±1$$
Equating the coefficient of $ϵ^2$ we get$$2x_0x_1+\frac{x_0^4}3=0⇒x_1=-\frac16x_0$$
we obtain the asymptotic expansions $±ϵ^{1/2}(1-\fracϵ6+O(ϵ^2))$

点评

$\tan(x)$在$x_0$的导数$\sec^2x_0$可以写成$1+\tan^2x_0$, 这个应该没错  发表于 2023-5-3 04:05
$x_0=kπ$好像也没错🤔因为可以观察$\tan x$与$\fracϵx$的图像交点:当$x$大时$\frac{\epsilon}x≈0⇒\tan x=\fracϵx$的根近似于$\tan x=0$的根$kπ$. 到底哪错了呢  发表于 2023-5-3 04:09
终于算对了. 现在和Mathematica的结果一样了  发表于 2023-5-3 06:02

3149

主题

8386

回帖

6万

积分

$\style{scale:11;fill:#eff}꩜$

积分
65391
QQ

显示全部楼层

 楼主| hbghlyj 发表于 2023-5-3 04:01

验证

  1. InverseSeries[Series[x Tan[x], {x, Pi, 1}]]
复制代码

\[\pi +\frac{x}{\pi }+O\left(x^2\right)\]
  1. InverseSeries[Series[x Tan[x], {x, 0, 4}]]
复制代码

\[\sqrt{x}-\frac{x^{3/2}}{6}+O\left(x^2\right)\]

3149

主题

8386

回帖

6万

积分

$\style{scale:11;fill:#eff}꩜$

积分
65391
QQ

显示全部楼层

 楼主| hbghlyj 发表于 2023-5-3 06:18

级数和它的反演级数的最高阶有何规律?

以下是InverseSeries的输出:
级数反演级数
$x^2+O\left(x^3\right)$$\sqrt{x}+O\left(x^1\right)$
$x^2+\frac{x^4}{3}+O\left(x^5\right)$$\sqrt{x}-\frac{x^{3/2}}{6}+O\left(x^2\right)$
$x^2+\frac{x^4}{3}+\frac{2 x^6}{15}+O\left(x^7\right)$$\sqrt{x}-\frac{x^{3/2}}{6}+\frac{11 x^{5/2}}{360}+O\left(x^3\right)$
$x^2+\frac{x^4}{3}+\frac{2 x^6}{15}+\frac{17 x^8}{315}+O\left(x^9\right)$$\sqrt{x}-\frac{x^{3/2}}{6}+\frac{11 x^{5/2}}{360}-\frac{17 x^{7/2}}{5040}+O\left(x^4\right)$

级数的最高阶是$2,4,6,8$
反演级数的最高阶是$\frac12,\frac32,\frac52,\frac72$这能否直接看出来

3149

主题

8386

回帖

6万

积分

$\style{scale:11;fill:#eff}꩜$

积分
65391
QQ

显示全部楼层

 楼主| hbghlyj 发表于 2023-5-3 06:22

反演级数2次 最高阶数减少

$$x^2+\frac{x^4}{3}+\frac{2 x^6}{15}+\frac{17 x^8}{315}+O\left(x^9\right)$$
的InverseSeries结果为$$\sqrt{x}-\frac{x^{3/2}}{6}+\frac{11 x^{5/2}}{360}-\frac{17 x^{7/2}}{5040}+O\left(x^4\right)$$再做一次InverseSeries结果为$$x^2+\frac{x^4}{3}+\frac{2 x^6}{15}+O\left(x^7\right)$$与原级数相比, 最高阶数减少了$1$, 最高阶项的数据丢失了!
再做一次InverseSeries结果为
\[\sqrt{x}-\frac{x^{3/2}}{6}+\frac{11 x^{5/2}}{360}+O\left(x^3\right)\]再做一次InverseSeries结果为
\[x^2+\frac{x^4}{3}+O\left(x^5\right)\]
最高阶数又减少了$1$!

手机版|悠闲数学娱乐论坛(第3版)

GMT+8, 2025-3-4 15:50

Powered by Discuz!

× 快速回复 返回顶部 返回列表