กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 10 นาที

การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติก

ในการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกหรือที่รู้จักกันในชื่ออะซิมโทติกคือการพัฒนาและการประยุกต์ใช้วิธีการที่สร้างคำตอบเชิงวิเคราะห์ โดยประมาณ...

การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติก

รูปที่ 1. การประมาณเชิงอะซิมโทติก: ฟังก์ชัน f(x)=x เป็นการประมาณเชิงอะซิมโทติกสำหรับฟังก์ชัน f(x)=x+e^-x สำหรับค่า x ที่เป็นบวกมาก ๆ

ในการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกหรือที่รู้จักกันในชื่ออะซิมโทติกคือการพัฒนาและการประยุกต์ใช้วิธีการที่สร้างคำตอบเชิงวิเคราะห์ โดยประมาณ สำหรับปัญหาทางคณิตศาสตร์เมื่อตัวแปรหรือพารามิเตอร์มีค่ามาก น้อย หรือใกล้เคียงกับค่าที่กำหนด[ 1 ]

ตัวอย่างหนึ่งของการวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกคือการประมาณฟังก์ชัน เช่น ฟังก์ชันประมาณค่าฟังก์ชันได้อย่างแม่นยำสำหรับค่าบวกขนาดใหญ่ (รูปที่ 1) สำหรับความแม่นยำที่ต้องการ จะมีช่วงค่าที่สอดคล้องกันซึ่งความแม่นยำนั้นเกิดขึ้น ในกรณีนี้ ความแม่นยำที่เลือกโดยมีข้อผิดพลาดสัมพัทธ์น้อยกว่า 1% จะเกิดขึ้นเมื่อค่ามากกว่า 3.4

ทฤษฎีบทจำนวนเฉพาะเป็นตัวอย่างหนึ่งของผลลัพธ์เชิงอะซิ้มโทติกที่สำคัญ สำหรับจำนวนจริงใดๆฟังก์ชันนับจำนวนเฉพาะ ซึ่งเขียนแทนด้วยคือจำนวนของจำนวนเฉพาะที่น้อยกว่าหรือเท่ากับฟังก์ชันประมาณค่าฟังก์ชันนับจำนวนเฉพาะสำหรับจำนวนขนาดใหญ่ดังเช่นในตัวอย่างก่อนหน้านี้ เมื่อจำนวนมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ ฟังก์ชันประมาณค่าก็จะมีความแม่นยำมากขึ้นเรื่อยๆ ส่งผลให้ความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์ลดลงเรื่อยๆ ความสัมพันธ์เชิงอะซิ้มโทติกนี้แสดงได้โดยใช้สัญลักษณ์ดังนี้:

การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกมีผลกระทบต่อคณิตศาสตร์หลายสาขา นักคณิตศาสตร์ใช้การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกในการคำนวณการประมาณค่าฟังก์ชัน ฟังก์ชันโดยปริยาย อินทิกรัลฟังก์ชันแบบวนซ้ำ ผลรวมอนุกรมผลรวมย่อยคำตอบของสมการเชิงผลต่างคำตอบของสมการเชิงอนุพันธ์และคุณสมบัติของ อัลกอริ ทึมคอมพิวเตอร์[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

คำนิยาม

ตามหลักการแล้ว เมื่อกำหนดฟังก์ชันf ( x )และg ( x )เราจะกำหนดความสัมพันธ์ทวิภาคก็ต่อเมื่อ ( de Bruijn 1981 , §1.4)

สัญลักษณ์~คือเครื่องหมายทิลเด (~ ) ความสัมพันธ์นี้เป็นความสัมพันธ์สมมูลบนเซตของฟังก์ชันของxกล่าวคือฟังก์ชันfและg สมมูลกันในเชิงอะซิมโทติก (asymptotically equivalent ) โดเมนของfและgสามารถเป็นเซตใดก็ได้ที่ลิมิตนั้นกำหนดไว้ เช่น จำนวนจริง จำนวนเชิงซ้อน จำนวนเต็มบวก

สัญลักษณ์เดียวกันนี้ยังใช้สำหรับวิธีการอื่นในการหาลิมิตด้วย เช่นx → 0 , x ↓ 0 , | x | → 0วิธีการหาลิมิตมักจะไม่ระบุอย่างชัดเจน หากเข้าใจได้จากบริบท

แม้ว่านิยามข้างต้นจะพบได้ทั่วไปในเอกสารทางวิชาการ แต่ก็มีปัญหาหากg ( x )เป็นศูนย์บ่อยครั้งอย่างไม่มีที่สิ้นสุดเมื่อxเข้าใกล้ค่าลิมิต ด้วยเหตุนี้ ผู้เขียนบางคนจึงใช้นิยามทางเลือกอื่น นิยามทางเลือกนี้ ในสัญกรณ์ little-oคือf ~ gก็ต่อเมื่อ

นิยามนี้เทียบเท่ากับนิยามก่อนหน้าหากg ( x )ไม่เป็นศูนย์ในบริเวณ ใกล้เคียง ค่าจำกัด[ 5 ] : §1.2

คุณสมบัติ

ฟังก์ชันศูนย์ไม่สามารถเทียบเท่ากับฟังก์ชันอื่นใดได้เลย[ 6 ]

ความสัมพันธ์ little -oมีคุณสมบัติการเรียงลำดับบางส่วน ที่กำหนดไว้เป็น ถ้าและจากนั้น[ 6 ]

ความสมมูลเชิงอะซิมโทติกมีคุณสมบัติ สะท้อนกลับสมมาตรและถ่ายทอดได้

ถ้าฟังก์ชันเหล่านี้เทียบเท่ากันฟังก์ชันที่ยกกำลังจริงก็จะเทียบเท่ากันด้วย: [ 7 ]

ถ้าฟังก์ชันเหล่านี้เทียบเท่ากันและฟังก์ชันเหล่านี้เทียบเท่ากันผลหารก็จะเทียบเท่ากันด้วย: [ 7 ] คุณสมบัติเหล่านี้อนุญาตให้แลกเปลี่ยนฟังก์ชันที่เทียบเท่ากันในเชิงอะซิมโทติกได้อย่างอิสระในนิพจน์พีชคณิตจำนวนมาก

ฟังก์ชันที่เทียบเท่าเชิงอะซิมโทติกจะยังคงเทียบเท่าเชิงอะซิมโทติกภายใต้การอินทิเกรตหากตรงตามข้อกำหนดที่เกี่ยวข้องกับการลู่เข้า มีข้อกำหนดที่เข้มงวดกว่าสำหรับฟังก์ชันที่เทียบเท่าเชิงอะซิมโทติกที่จะยังคงเทียบเท่าเชิงอะซิมโทติกภายใต้ การ หาอนุพันธ์[ 8 ]

ตัวอย่างของสูตรเชิงอะซิมโทติก

  • แฟกทอเรียล —นี่คือค่าประมาณของสเตอร์ลิง
  • ฟังก์ชันพาร์ติชัน
    สำหรับจำนวนเต็มบวกnฟังก์ชันพาร์ติชันp ( n ) จะให้จำนวนวิธีในการเขียนจำนวนเต็มnเป็นผลรวมของจำนวนเต็มบวก โดยไม่คำนึงถึงลำดับของตัวบวก
  • ฟังก์ชันอากาศ
    ฟังก์ชัน Airy, Ai( x ), คือคำตอบของสมการเชิงอนุพันธ์y″xy = 0ซึ่งมีการประยุกต์ใช้มากมายในวิชาฟิสิกส์
  • ฟังก์ชันของแฮงเคล

การขยายตัวเชิงเส้นกำกับ

การขยายอนุกรมเชิงอะซิมโทติกของฟังก์ชันf ( x )ในทางปฏิบัติคือการแสดงฟังก์ชันนั้นในรูปของอนุกรม ซึ่ง ผลรวมย่อยของอนุกรมนั้นไม่จำเป็นต้องลู่เข้า แต่การหาผลรวมย่อยเริ่มต้นใดๆ ก็ตามจะให้สูตรเชิงอะซิมโทติกสำหรับf แนวคิดก็คือ พจน์ที่ต่อเนื่องกันจะให้คำอธิบายที่แม่นยำมากขึ้นเรื่อย ๆ เกี่ยวกับลำดับการเติบโตของf

ในเชิงสัญลักษณ์ หมายความว่าเรามีแต่ก็ยัง มี และสำหรับk ที่กำหนดไว้แต่ละค่า เมื่อพิจารณาจากนิยามของสัญลักษณ์ สมการสุดท้ายหมายถึงในสัญกรณ์ o เล็กนั่นคือ มีค่าน้อยกว่า มาก

ความสัมพันธ์จะมีความหมายสมบูรณ์ก็ต่อเมื่อสำหรับทุกkซึ่งหมายความว่ารูปแบบนั้นเป็นมาตราส่วนเชิงอะซิมโทติกในกรณีนั้น ผู้เขียนบางคนอาจใช้ สัญลักษณ์นี้ อย่างไม่เหมาะสมเพื่อแสดงถึงข้อความดังกล่าวอย่างไรก็ตาม ควรระมัดระวังว่านี่ไม่ใช่การใช้สัญลักษณ์ตามมาตรฐาน และไม่สอดคล้องกับคำจำกัดความที่ให้ไว้ในหัวข้อ § คำจำกัดความ

ในสถานการณ์ปัจจุบัน ความสัมพันธ์นี้ได้มาจากการรวมขั้นตอนkและk −1 เข้าด้วยกัน โดยการลบออกจากหนึ่งจะได้ie

ในกรณีที่การขยายอนุกรมเชิงอะซิมโทติกไม่ลู่เข้า สำหรับค่าใด ๆ ของตัวแปร จะมีผลรวมย่อยเฉพาะค่าหนึ่งที่ให้ค่าประมาณที่ดีที่สุด และการเพิ่มพจน์เพิ่มเติมจะทำให้ความแม่นยำลดลง ผลรวมย่อยที่เหมาะสมที่สุดนี้มักจะมีจำนวนพจน์มากขึ้นเมื่อตัวแปรเข้าใกล้ค่าลิมิต

ตัวอย่างของการขยายอนุกรมเชิงอะซิมโทติก

ตัวอย่างการใช้งาน

การขยายอนุกรมเชิงอะซิมโทติกมักเกิดขึ้นเมื่อใช้อนุกรมธรรมดาในนิพจน์เชิงรูปธรรมที่บังคับให้ค่าของอนุกรมอยู่นอกเหนือขอบเขตการลู่เข้า ตัวอย่างเช่น เราอาจเริ่มต้นด้วยอนุกรมกำลังเชิงรูปธรรม

นิพจน์ทางด้านซ้ายใช้ได้บนระนาบเชิงซ้อน ทั้งหมด ในขณะที่ด้านขวามือลู่เข้าเฉพาะเมื่อ การคูณด้วยและการอินทิเกรตทั้งสองข้างจะ ได้

อินทิกรัลทางด้านซ้ายมือสามารถแสดงได้ในรูปของอินทิกรัลเลขชี้กำลังส่วนอินทิกรัลทางด้านขวามือ หลังจากแทนที่แล้วอาจถือได้ว่าเป็นฟังก์ชันแกมมาเมื่อประเมินทั้งสองค่า จะได้การกระจายเชิงอะซิมโทติก

ในที่นี้ ด้านขวามือเห็นได้ชัดว่าไม่ลู่เข้าสำหรับค่า tใดๆ ที่ไม่ใช่ศูนย์อย่างไรก็ตาม โดยการทำให้t มี ค่าน้อย และตัดทอนอนุกรมทางด้านขวาให้เหลือจำนวนพจน์ที่จำกัด เราอาจได้ค่าประมาณที่ดีพอสมควรสำหรับค่าของโดยการแทนค่าและสังเกตว่าส่งผลให้ได้การขยายอนุกรมเชิงอะซิมโทติกที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ในบทความนี้

การกระจายเชิงเส้นกำกับ

ในสถิติทางคณิตศาสตร์การแจกแจงเชิงอะซิมโทติกคือการแจกแจงสมมุติฐาน ซึ่งในแง่หนึ่งเป็นการแจกแจง "ลิมิต" ของลำดับของการแจกแจง การแจกแจงคือเซตเรียงลำดับของตัวแปรสุ่มZ iสำหรับi = 1, …, nสำหรับจำนวนเต็มบวกn บางค่า การแจกแจงเชิงอะซิมโทติกอนุญาตให้iมีค่าได้ไม่จำกัด นั่นคือnเป็นอนันต์

กรณีพิเศษของการแจกแจงเชิงอะซิมโทติกคือเมื่อค่าในช่วงท้ายเข้าใกล้ศูนย์ กล่าวคือ ค่าZ iเข้าใกล้ 0 เมื่อiเข้าสู่ค่าอนันต์ บางกรณีของ "การแจกแจงเชิงอะซิมโทติก" หมายถึงเฉพาะกรณีพิเศษนี้เท่านั้น

แนวคิดนี้อิงตามหลักการของ ฟังก์ชัน เชิงเส้นกำกับซึ่งเข้าใกล้ค่าคงที่ ( เส้นกำกับ ) อย่างราบรื่นเมื่อตัวแปรอิสระมีค่าเข้าสู่∞ โดยคำว่า "ราบรื่น" ในที่นี้หมายความว่า สำหรับค่าความใกล้เคียงที่ต้องการ epsilon จะมีค่าของตัวแปรอิสระค่าหนึ่งที่หลังจากนั้นฟังก์ชันจะไม่แตกต่างจากค่าคงที่เกินกว่า epsilon

เส้นกำกับคือเส้นตรงที่เส้นโค้งเข้าใกล้แต่ไม่เคยพบหรือตัดผ่าน โดยทั่วไปแล้ว อาจกล่าวได้ว่าเส้นโค้งพบกับเส้นกำกับ "ที่อนันต์" แม้ว่านี่จะไม่ใช่คำจำกัดความที่แม่นยำก็ตาม ในสมการนี้ ค่า yจะมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ เมื่อค่า xเพิ่มขึ้น

แอปพลิเคชัน

การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกถูกนำมาใช้ใน วิทยาศาสตร์ทางคณิตศาสตร์หลายสาขาในทางสถิติทฤษฎีเชิงอะซิมโทติกให้ค่าประมาณจำกัดของความน่าจะเป็นของการแจกแจงของสถิติจากตัวอย่างเช่นสถิติอัตราส่วนความน่าจะเป็น และค่าเฉลี่ยของความเบี่ยงเบนอย่างไรก็ตาม ทฤษฎีเชิงอะซิมโทติกไม่ได้ให้วิธีการประเมินการแจกแจงของสถิติจากตัวอย่างที่มีขนาดจำกัด ขอบเขตที่ไม่ใช่เชิงอะซิมโทติกนั้นได้มาจากวิธีการของทฤษฎีการประมาณค่า

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้มีดังต่อไปนี้

การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกเป็นเครื่องมือสำคัญในการสำรวจสม การเชิงอนุพันธ์ สามัญและ เชิงอนุพันธ์ ย่อยที่เกิดขึ้นในการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของปรากฏการณ์ในโลกแห่งความเป็นจริง[ 9 ] ตัวอย่างที่แสดงให้เห็นคือการหาอนุพันธ์ของสมการชั้นขอบเขตจากสมการนาเวียร์-สโตกส์ แบบสมบูรณ์ ที่ควบคุมการไหลของของเหลว ในหลายกรณี การขยายเชิงอะซิมโทติกอยู่ในกำลังของพารามิเตอร์ขนาดเล็กε : ในกรณีของชั้นขอบเขต นี่คือ อัตราส่วน ไร้มิติของความหนาของชั้นขอบเขตต่อมาตราส่วนความยาว ทั่วไป ของปัญหา อันที่จริง การประยุกต์ใช้การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกในการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์มักจะเน้นไปที่พารามิเตอร์ไร้มิติซึ่งแสดงให้เห็นหรือสันนิษฐานว่ามีขนาดเล็กโดยพิจารณาจากมาตราส่วนของปัญหาที่กำลังพิจารณาอยู่[ 9 ]

การขยายอนุกรมเชิงอะ ซิมโทติกมักเกิดขึ้นในการประมาณค่าอินทิกรัลบางประเภท ( เช่น วิธีของลาปลาวิธีจุดอานม้าวิธีความชันสูงสุด ) หรือในการประมาณค่าการกระจายความน่าจะเป็น (เช่น อนุกรมเอ็ดจ์เวิร์ธ ) กราฟของไฟน์แมนในทฤษฎีสนามควอนตัมเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของการขยายอนุกรมเชิงอะซิมโทติกซึ่งมักไม่ลู่เข้า

การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกเทียบกับการวิเคราะห์เชิงตัวเลข

เดอ บรูอิน ยกตัวอย่างการใช้ทฤษฎีบทเชิงอนุกรมในบทสนทนาต่อไปนี้ระหว่าง ดร. เอ็นเอนักวิเคราะห์เชิงตัวเลขและ ดร. เอเอ นักวิเคราะห์เชิงอนุกรม:

NA: ฉันต้องการประเมินฟังก์ชันของฉันสำหรับค่าขนาดใหญ่ของโดยมีข้อผิดพลาดสัมพัทธ์ไม่เกิน 1%

AA: .

NA: ขอโทษค่ะ ฉันไม่เข้าใจ

เอเอ:

NA: แต่ค่าของฉันมีแค่ 100 เท่านั้น

AA: ทำไมคุณไม่บอกตั้งแต่แรก? ผลการประเมินของผมบอกว่า...

NA: นี่ไม่ใช่เรื่องใหม่สำหรับฉัน ฉันรู้เรื่องนี้อยู่แล้ว

AA: ผมสามารถปรับปรุงประมาณการบางส่วนของผมได้เล็กน้อย ตอนนี้ผมพบว่า

NA: ฉันขอแค่ 1% ไม่ใช่ 20%

AA: มันแทบจะเป็นสิ่งที่ดีที่สุดที่ฉันจะได้รับแล้ว ทำไมคุณไม่ลองใช้ค่าที่มากกว่านี้ล่ะ?

NA: !!! ฉันคิดว่าถามเครื่องคำนวณอิเล็กทรอนิกส์ของฉันน่าจะดีกว่า

เครื่องจักร: f(100) = 0.01137 42259 34008 67153

AA: ผมบอกคุณแล้วไม่ใช่เหรอ? การประมาณการของผมที่ 20% นั้นไม่ห่างจากค่าความคลาดเคลื่อนจริงที่ 14% มากนัก

NA: !!! . . . !

หลายวันต่อมา คุณ NA ต้องการทราบค่าของ f(1000) แต่เครื่องของเธอต้องใช้เวลาคำนวณนานถึงหนึ่งเดือนจึงจะให้คำตอบได้ เธอจึงกลับไปหาเพื่อนร่วมงาน Asymptotic ของเธอ และได้รับคำตอบที่น่าพอใจอย่างยิ่ง[ 2 ] : 19

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

  1. ^ Murray 2012 , หน้า 1.
  2. ^ a b de Bruijn 1981 .
  3. ^ เมอร์เร ย์ 2012
  4. ^ พอล เซน 2013
  5. ^ a b Estrada & Kanwal 2012 .
  6. ^ a b Paulsen 2013 , หน้า 1–3, 7.
  7. ^ a b Paulsen 2013 , หน้า 9.
  8. ^ Olver 1974 , หน้า 8, 9, 21.
  9. ^ a b Howison 2005 .
  • การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติก  — หน้าหลักของวารสาร ซึ่งจัดพิมพ์โดย IOS Press
  • บทความเกี่ยวกับการวิเคราะห์อนุกรมเวลาโดยใช้การแจกแจงเชิงอะซิมโทติก
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Asymptotic_analysis&oldid=1357227267 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติก

ในการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกหรือที่รู้จักกันในชื่ออะซิมโทติกคือการพัฒนาและการประยุกต์ใช้วิธีการที่สร้างคำตอบเชิงวิเคราะห์ โดยประมาณ...

คำนิยาม

ตามหลักการแล้ว เมื่อกำหนดฟังก์ชัน f ( x ) และ g ( x ) เราจะกำหนด ความสัมพันธ์ทวิภาค ก็ต่อเมื่อ ( de Bruijn 1981 , §1.4) เอฟ ( x ) ~ จี ( x ) ( เช่น x → ∞ ) {\displaystyle f(x)\sim g(x)\quad ({\text{เมื่อ }}x\to \infty )} ลิม x → ∞ เอฟ ( x ) จี ( x ) = 1.

คุณสมบัติ

ฟังก์ชันศูนย์ไม่สามารถเทียบเท่ากับฟังก์ชันอื่นใดได้เลย [ 6 ] เอฟ ( z ) = 0 {\textstyle f(z)=0}

ตัวอย่างของสูตรเชิงอะซิมโทติก

แฟกทอเรียล —นี่คือ ค่าประมาณของสเตอร์ลิง n ! ~ 2 π n ( n อี ) n {\displaystyle n!