函数求值

             

   函数求值归根结底,就是找到一个解析公式,用加减乘除表示一个函数.如果算法没有用到近似,有限精度和任意精度都是一样的,只是每个数占的内存不同罢了.任意精度的加减乘除和开根号参考 Numerical Recipes 最后一节.

   最常见的展开有三种,分别是泰勒展开,渐进展开,以及连续分数.这些展开在 functions.wolfram.com 都可以找到.

   接下来是如何计算级数或连续分数.求级数的方法一般是用

\begin{equation} f_N(x) = \sum_{n = 0}^N c_n x^n = (\dots ((c_n x + c_{n-1})x + c_{n-2} \dots )x + c_0 \end{equation}
这么做误差和直接对多项式求和一样,但计算量却少了很多.将上式中的 $x$ 换成 $1/x$ 就是渐进展开的形式.注意我们可以在计算开始前估计误差,根据精度要求得到我们需要的项数.

   显然,$ \left\lvert x \right\rvert $ 越小时泰勒展开收敛得越快,而 $ \left\lvert x \right\rvert $ 越大时渐进展开收敛得越快.

   再来看连续分数

\begin{equation} f_N(x) = b_0 + \dfrac{a_1}{b_1 + \dfrac{a_2}{b_2 + \dots \dfrac{a_N}{b_N}}} \end{equation}
也可以表示为
\begin{equation} f_N(x) = b_0 + \frac{a_1}{b_1 +} \frac{a_2}{b_2 +} \frac{a_3}{b_3 +} \dots \frac{a_N}{b_N} \end{equation}
其中 $a_n$ 和 $b_n$ 都可以是 $x$ 的函数.

   乍看之下连续分数只能从右往左求,其实不然.由递归法可以证明

\begin{equation} f_n = \frac{A_n}{B_n} \end{equation}
其中
\begin{equation} A_n = b_n A_{n-1} + a_n A_{n-2} \qquad B_n = b_n B_{n-1} + a_n B_{n-2} \end{equation}
\begin{equation} A_{-1} = 1 \qquad B_{-1} = 0 \qquad A_0 = b_0 \qquad B_0 = 1 \end{equation}
还有一种 Steed's 方法,详见 Numerical Recipes.正向求和的好处是可以判断什么时候开始收敛. 据说特定情况下连续分数收敛较快,但具体什么时候用还有待考察.

   另外两种不明觉厉的算法分别是切比雪夫多项式(Chebyshev Polynomial)算数几何平均(Agorithmic-Geometric Mean, AGM,后者也通常被用于计算高精度的 $\pi$,且有二次收敛.

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