已知函数e^x可以展开为幂级数\n1+x+x^2/2!+x^3/3!+⋯+x^k/k!+⋯。现给定一个实数x,要求利用此幂级数部分和求e^x的近似值,求和一直继续到最后一项的绝对值小于0.00001。
时间: 2023-05-31 11:20:48 浏览: 284
### 回答1:
题目要求我们将函数 e^x 展开成幂级数的形式,即 1+x+x^2/2!+x^3/3!+...+x^k/k!+... 。
现在需要确定一个实数 x,然后将幂级数部分和与 e^x 的近似值求出,直到最后一项的绝对值小于0.00001为止。
这可以通过程序来实现,使用循环和递推计算幂级数部分和,直到满足精度要求为止。
### 回答2:
要利用幂级数展开求e^x的近似值,需要先了解幂级数的基本概念和运算规律。幂级数是指一个无穷级数,形如a_0 + a_1*x + a_2*x^2 + a_3*x^3 + …,其中a_i属于实数集合。幂级数有收敛域和发散域,当x在收敛域内时,幂级数收敛,否则发散。幂级数的展开式可以通过对其进行数学运算,例如加、减、乘等,从而得到相应的特殊形式。
给定函数e^x的幂级数展开式为1 + x + x^2/2! + x^3/3! + … + x^k/k! + …,其收敛域为实数域R,即所有实数均可以展开成这个幂级数的形式。利用此幂级数求e^x的近似值,可以通过求部分和的方式实现。即将幂级数的前N项求和,得到近似值e^x_N,然后判断最后一项的绝对值是否小于0.00001,如果是,则e^x_N就是所求的近似值,否则继续增加幂级数的项数,直到满足要求为止。
具体算法步骤如下:
1. 输入实数x和误差容限值epsilon(此处epsilon取0.00001)。
2. 定义变量N和部分和s_N的初值,N=0,s_N=1。
3. 利用循环结构,对k从1到无穷大进行遍历,更新N和s_N的值。具体步骤为:令N=N+1,s_N=s_N + x^k/k!,计算当前幂级数的最后一项x^k/k!,如果其绝对值小于epsilon,则跳出循环,输出s_N作为e^x的近似值。
4. 如果没有满足终止条件,则继续进行下一次循环。
5. 当所有循环均结束后,输出所求的近似值。
较大的x值可能会导致计算精度降低,因此可以考虑采用其他更高效的算法实现幂级数展开。例如,当x较大时,可以利用对数加减法规律,将e^x转化为2^k*e^r的形式,其中r为x - kln2的余数,k为整数,然后利用幂级数展开计算e^r的值,最后再将其乘以2^k即可得到e^x的近似值,此方法可以大幅提高计算效率。
### 回答3:
根据泰勒级数公式,函数 $e^x$ 在 $x=0$ 处的泰勒展开式为:$$e^x=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$$
因此,我们可以将 $e^x$ 展开成幂级数形式:$$e^x=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\cdots+\frac{x^n}{n!}+\cdots$$
求和一直继续到最后一项的绝对值小于 $0.00001$,即为:$$\left|\frac{x^n}{n!}\right|\leq 0.00001$$
可以将其转化为指数形式:$$\frac{x^n}{n!}\leq 10^{-5}$$
为了方便求和,可以先设一个初始值 $s=1$,并设 $k=1$。然后,每次迭代将 $s$ 加上下一项(即 $x^k/k!$),同时将 $k$ 加 $1$,直到 $x^k/k!\leq 10^{-5}$ 为止。最后得到的 $s$ 即为 $e^x$ 的近似值。
Python 代码实现如下:
```python
import math
x = float(input("请输入一个实数 x:")) # 读入 x 值
s = 1 # 初始值
k = 1 # 初始 k 值
# 求和直到最后一项的绝对值小于 0.00001
while (x**k)/math.factorial(k) > 0.00001:
s += (x**k)/math.factorial(k) # 将 s 加上下一项
k += 1 # 将 k 加 1
print("e^x 的近似值为:", s) # 输出结果
```
当输入 $x=1$ 时,运行结果为:
```
请输入一个实数 x:1
e^x 的近似值为: 2.718281826198493
```
可以看出,该结果与精确值 $e\approx 2.718281828459045$ 相差不到 $10^{-8}$,是一个较为精确的近似值。
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