Магия математики: Как найти x и зачем это нужно - [73]

 – 2/√8, что и в самом деле равно 0 (а можно добавить x/√(x² + 1) справа, возвести обе части в квадрат и умножить члены крест-накрест – после нескольких сокращений вы придете к x = 1).

Неплохим вариантом будет метод отражения, уже знакомый нам по главе 7. Представьте, что вместо коровника (точка B = (3, 2)) корова пошла к его отражению (точка B' = (3,–2)), как показано на следующем рисунке.

Расстояние до B' абсолютно такое же, как и до B. Любой отрезок, соединяющий точку, расположенную на севере от реки, с ее «отражением», расположенным к югу от реки, неизбежно пересечет ось x. Кратчайшим маршрутом в этом случае будет прямая линия от (0, 1) до (3, –2) (с наклоном –3/3 = –1), пересекающая ось x при x = 1. И никаких квадратных корней!

Фокус-покус: ряд Тейлора

Доказывая в конце прошлой главы уравнение Эйлера, мы воспользовались тремя загадочными формулами:

Перед тем как разбираться, как мы пришли к этому, давайте немного поиграем. Интересно, что получится, если взять отдельно каждый член ряда e^x и продифференцировать? Правило дифференцирования степенной функции говорит нам, что производной функции x⁴/4! будет (4x³)/4! = x³/3! то есть предшествующий член ряда! Другими словами, продифференцировав ряд e^x, мы вновь получим ряд e^x, что полностью соответствует тому, что мы знаем о показательной функции e^x!

Последовательно дифференцируя x – x³/3! + x⁵/5! – x⁷/7! +…, получаем 1 – x²/2! + x⁴/4! – x⁶/6! +…, что соотносится с тем, что производная синуса – это косинус. Справедливо и обратное: производная косинуса – это синус со знаком минус. А еще этот ряд лишний раз доказывает, что cos 0 = 1, и поскольку каждая степень в нем выражена четным числом, значение cos (–x) будет равно cos x. Впрочем, нам это уже известно (например, (–x)⁴/4! = x⁴/4!). Следуя той же логике, мы можем прийти к sin 0 = 0, а поскольку каждая степень выражена нечетным числом, sin (–x) = –sin x, как мы и предполагали.

Теперь давайте попытаемся понять, откуда, собственно говоря, берутся эти формулы. Мы знаем, как найти производные наиболее популярных функций. Но бывают такие ситуации, когда одну и ту же функцию нужно продифференцировать несколько раз, разыскав ее вторую (f''(x)), третью (f'''(x)) и т. д. производную. f''(x) выражает крутизну наклона функции (то есть ее вогнутость) в точке (x, f(x)), f'''(x) делает то же для второй производной и т. д.

Для этого имеются специальные формулы. Они называются рядами Тейлора, потому что первым, кто ввел их в оборот, был английский математик Брук Тейлор (1685–1731). Для функции f(x) с производными f'(x), f''(x), f'''(x) и т. д. мы имеем

при любом значении x, «достаточно близком» к 0. Что значит «достаточно близком»? В некоторых функциях – например, ex, sin x или cos x – x может быть практически любой величиной. Но есть и такие функции (мы встретимся с ними чуть позже), которые имеют смысл только при очень маленьких значениях x.

Проследим, как меняется формула для f(x) = e^x. Так как e^x равна своей собственной первой (равно как и второй, и третьей и т. д.) производной, следовательно

f (0) = f' (0) = f'' (0) = f''' (0) =… = e >0 = 1

то есть ряд Тейлора для ex превращается в 1 + x + x²/2! + x³/3! + x⁴/4! +…, как и предполагалось. При небольшом значении x нам достаточно посчитать лишь несколько членов ряда, чтобы получить точную аппроксимацию верного ответа.

Посчитаем с его помощью проценты. Как мы выяснили в прошлой главе, если положить на счет $1000 под 5 %, то, при условии непрерывных начислений, к концу года мы будем иметь $1000 e^0,05 = $1051,27. И мы знаем, как это подсчитать. Но к тому же ответу можно прийти и с помощью формул сначала второго –

$1000(1 + 0,05 + (0,05)²/2!) = $1051,25

а потом и третьего порядка аппроксимации: $1051,27.

Аппроксимации Тейлора могут быть представлены в виде графика, на котором вместе с первыми тремя многочленами Тейлора изображена показательная (экспоненциальная) функция y = e^x.

Постепенно увеличивая степень многочлена, мы достигаем все большей точности аппроксимации, особенно если x близок к 0. Но что же такого особенного в многочленах Тейлора, что делает их настолько эффективными? Аппроксимация первого порядка (называемая линейной) утверждает, что при x, близком к 0,

f ( x ) ≈ f (0) + f' (0) x

На графике получается прямая линия, проходящая через точку (0, f(0)) с наклоном f'(0). Значит, многочлен Тейлора степени n будет проходить через ту же точку (0, f(0)) и иметь такие же первую, вторую, третью и т. д., вплоть до n-ной, производные, что и начальная функция f(x).

Отступление

Кстати, многочлены и ряды Тейлора отлично показывают себя при работе и с другими величинами (не только 0), к которым стремится х. Так, ряд Тейлора для f(x) с начальной точкой a равен

При a = 0 он будет равен f(x) для всех действительных или комплексных значений x, близких к a.

Возьмем ряд Тейлора для f(x) = sin x. Посмотрите: f'(x) = cos x, f''(x) = –sin x, f'''(x) = –cos x, а f''''(x) = sin x = f(x). При сопоставлении с 0, начав с f(0), мы придем к циклу 0, 1, 0, –1, 0, 1, 0, –1…., в котором каждое четное значение x попросту исчезает из ряда. Следовательно, получается, что при любом