- 在计算 的巴比伦算法中,若选取初值 ,通过计算器操作,写出迭代序列的前 5 项.
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用迭代序列求 √2的近似值.
选择性必修第一册
第4章数列 · 保留教材主线与原题
用迭代序列求 √2的近似值
教材与正式教参整合
现实生活中, 大量复杂的方程很难得到精确解. 而从应用上的需要看, 求得一个具有适当高精度的近似解就已足够. 为了得到解的近似值, 我们可以通过选取适当的首项与递推公式, 得到一个越来越趋近于精确解的数列, 这就形成了一个相应的算法 (algorithm). 具体地说,记 为某个方程的解,选定一个函数 以及一个首项 ,然后利用下面的递推公式
下面以求 的近似值为例来说明迭代算法. 我们可以通过求方程 的正根来计算 . 容易看到,方程 可等价地变形为
即取 . 为了求解,我们任取一个初值 , 并构造递推公式
来形成一个迭代序列 . 这就是计算 的巴比伦算法 (Babylonian method).
这样构造出来的迭代序列 ,当 时, 会越来越趋近于一个值吗?
如选取初值 ,通过计算器操作,迭代序列前 5 项结果如下表所示:
表 4-4
| 1 | 1 |
| 2 | 1.5 |
我国古代数学的成就灿烂辉煌,早在公元前一世纪,我国经典数学著作《九章算术》就介绍了笔算开平方的算法.
可以借助计算器的 Ans 键求解迭代序列.
| 3 | 1.416 666 667 |
| 4 | 1.414 215 686 |
| 5 | 1.414 213 562 |
| ... | ... |
注: 划线部分是 的不足近似值.
我们发现,当 越来越大时, 与 的值越来越接近. 且存在一个正的常数 ,满足当 越来越大时, 越来越趋近于 ,即 成立. 从而由递推公式
可知 是方程
的解,即 ,而迭代序列 中的项 ,当 足够大时, 就给出了 的近似值.
我们也可以选取 的其他变形来构造相应的迭代序列. 需要说明的是, 并非所有的变形都能形成有效的算法. 例如, 方程 也可等价地变形为
如果据此构造递推公式
我们同样可以得到一个迭代序列 . 但如仍取初值 ,通过计算器操作, 迭代序列前 5 项结果如下表所示: 该迭代序列绝不会趋近于 .
表 4-5
| 1 | 1 |
| 2 | 2 |
| 3 | 1 |
| 4 | 2 |
| 5 | 1 |
| ... | ... |
方程 还可以等价地变形为
任取一个初值 ,据此构造相应的递推公式
我们仍可以得到一个迭代序列 . 如仍选取初值 ,通过计算器操作, 迭代序列前 8 项结果如下表所示:
表 4-6
| 1 | 1 |
| 2 | 1.5 |
| 3 | 1.4 |
| 4 | 1.416 666 667 |
| 5 | 1.413 793 103 |
| 6 | 1.414 285 714 |
| 7 | 1.414 201 183 |
| 8 | 1.414 215 686 |
| ... | ... |
注: 划线部分是 的不足近似值.
这个迭代序列也可以用来提供 的近似值. 但与表 4-4 比较可以发现,该迭代序列趋近于极限 的速度远比巴比伦算法慢, 因此巴比伦算法更为优秀.
本节我们说明了用迭代序列计算 的近似值的算法. 实际上, 算法中递推公式的设计与初值的选取常常要基于实际问题的背景, 并经过实践的检验.
在现今的信息时代,算法的作用进一步得到凸显,一些优秀的企业甚至明确提出了“算法是其核心竞争力”. 这充分说明,算法值得引起高度重视.
练习 4.5
- 选取初值 ,利用递推公式 ,通过计算器操作,写出迭代序列的前 8 项.
- 仿照计算 的巴比伦算法,构造计算 的迭代算法的递推公式,并选取初值 ,通过计算器操作,列出该迭代序列的前 5 项.