Trigonometrinių, rodiklinės ir hiperbolinių funkcijų reikšmių skaičiavimas

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.