Logaritminės ir atvirkštinių trigonometrinių funkcijų reikšmių skaičiavimas

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".