用泰勒展开线性化

用泰勒一阶展开线性化

在点x_{0}附近做泰勒展开:

xx_{0}很接近的时候,x-x_{0}很小,(x-x_{0})^{2}更小,所以可以忽略(x-x_{0})^{2}及后面的高阶项,得到

f(x)=f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})

因为f(x_{0})f'(x_{0})都是常数,所以等式右边是 x的线性方程,在x_{0}点附近进行了线性化。

举例

正弦函数线性化

假设f(x)=sin(x)

那么做一阶泰勒展开,得到:

f(x)=sin(x_{0})+cos(x_{0})(x-x_{0})

如果x_{0}=0,即在0点附近做泰勒展开,得

f(x)=sin(0)+cos(0)(x-0)=x

变量的倒数线性化

例如,下面公式:

\ddot{x}+\dot{x}+\frac{1}{x}=1

因为\frac{1}{x}不是线性的,所以公式不是线性的。

现在要在平衡点附件将上面的公式线性化,那么就需要把\frac{1}{x}线性化。

在平衡点\ddot{x}\dot{x}都等于0,带入上式,得

0+0+\frac{1}{x}=1

得到平衡点x=1,记该点为x_{0},即x_{0}=1

\frac{1}{x}=f(x)

那么在平衡点附近,做泰勒展开,得

f(x)=f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})

f'(x)=-\frac{1}{x^{2}}

x_{0}=1f'(x)=-\frac{1}{x^{2}}代入f(x),得

\frac{1}{x}=f(x)=\frac{1}{1}+(-\frac{1}{1})(x-1)=1-(x-1)=2-x

代入公式\ddot{x}+\dot{x}+\frac{1}{x}=1,得到

\ddot{x}+\dot{x}+(2-x)=1

化简,得到了在平衡点附近的线性化公式:

\ddot{x}+\dot{x}-x+1=0

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