อ่าน 10 นาที
การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติก
ในการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกหรือที่รู้จักกันในชื่ออะซิมโทติกคือการพัฒนาและการประยุกต์ใช้วิธีการที่สร้างคำตอบเชิงวิเคราะห์ โดยประมาณ...
การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติก

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
- ฟังก์ชันพาร์ติชันสำหรับจำนวนเต็มบวกnฟังก์ชันพาร์ติชันp ( n ) จะให้จำนวนวิธีในการเขียนจำนวนเต็มnเป็นผลรวมของจำนวนเต็มบวก โดยไม่คำนึงถึงลำดับของตัวบวก
- ฟังก์ชันอากาศฟังก์ชัน 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
- ฟังก์ชันแกมมา
- อินทิกรัลเลขชี้กำลัง
- ฟังก์ชันข้อผิดพลาด โดยที่m !!คือ แฟกทอเรี ยลคู่
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
- ในคณิตศาสตร์ประยุกต์การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกถูกนำมาใช้เพื่อสร้างวิธีการเชิงตัวเลขในการประมาณคำตอบของสมการ
- ในสถิติทางคณิตศาสตร์และทฤษฎีความน่าจะเป็น วิธีการประมาณค่าเชิงอนุกรม (asymptotics) ถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์พฤติกรรมในระยะยาวหรือในตัวอย่างขนาดใหญ่ของตัวแปรสุ่มและตัวประมาณค่า
- ในวิทยาการคอมพิวเตอร์การวิเคราะห์อัลกอริทึมจะประเมินประสิทธิภาพของอัลกอริทึมและแสดงออกมาในรูปของสัญกรณ์บิ๊กโอ (Big O notation )
- พฤติกรรมของระบบทางกายภาพตัวอย่างเช่นกลศาสตร์เชิงสถิติ
- ในการวิเคราะห์อุบัติเหตุเมื่อระบุสาเหตุของการชนโดยใช้แบบจำลองการนับจำนวนอุบัติเหตุที่มีจำนวนมากในช่วงเวลาและพื้นที่ที่กำหนด
การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกเป็นเครื่องมือสำคัญในการสำรวจสม การเชิงอนุพันธ์ สามัญและ เชิงอนุพันธ์ ย่อยที่เกิดขึ้นในการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของปรากฏการณ์ในโลกแห่งความเป็นจริง[ 9 ] ตัวอย่างที่แสดงให้เห็นคือการหาอนุพันธ์ของสมการชั้นขอบเขตจากสมการนาเวียร์-สโตกส์ แบบสมบูรณ์ ที่ควบคุมการไหลของของเหลว ในหลายกรณี การขยายเชิงอะซิมโทติกอยู่ในกำลังของพารามิเตอร์ขนาดเล็กε : ในกรณีของชั้นขอบเขต นี่คือ อัตราส่วน ไร้มิติของความหนาของชั้นขอบเขตต่อมาตราส่วนความยาว ทั่วไป ของปัญหา อันที่จริง การประยุกต์ใช้การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติกในการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์มักจะเน้นไปที่พารามิเตอร์ไร้มิติซึ่งแสดงให้เห็นหรือสันนิษฐานว่ามีขนาดเล็กโดยพิจารณาจากมาตราส่วนของปัญหาที่กำลังพิจารณาอยู่[ 9 ]
การขยายอนุกรมเชิงอะ ซิมโทติกมักเกิดขึ้นในการประมาณค่าอินทิกรัลบางประเภท ( เช่น วิธีของลาปลาสวิธีจุดอานม้าวิธีความชันสูงสุด ) 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
- เส้นกำกับ – ลิมิตของเส้นสัมผัส ณ จุดที่เข้าใกล้ค่าอนันต์
- ความซับซ้อนในการคำนวณเชิงอะซิมโทติก – การวัดความซับซ้อนในการคำนวณ
- ความหนาแน่นเชิงอะซิมโทติก – แนวคิดในทฤษฎีจำนวน
- ทฤษฎีเชิงอะซิมโทติก (สถิติ) – การศึกษาคุณสมบัติการลู่เข้าของตัวประมาณค่าทางสถิติ
- เชิงอะซิมโทโทโลยี – การจัดการกับระบบทางคณิตศาสตร์ประยุกต์ในกรณีจำกัด
- สัญกรณ์บิ๊กโอ – อธิบายพฤติกรรมโดยประมาณของฟังก์ชัน
- พจน์ลำดับนำ – พจน์ในนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ที่มีลำดับขนาดใหญ่ที่สุด
- วิธีการสมดุลที่เด่นชัด – การแก้สมการในรูปแบบที่ง่ายขึ้น
- วิธีการขยายอนุกรมเชิงอะซิมโทติกที่ตรงกัน – การประมาณค่าในทางคณิตศาสตร์
- ทฤษฎีบทของวัตสัน – ทฤษฎีบททางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับพฤติกรรมเชิงอะซิ้มโทติกของปริพันธ์
หมายเหตุ
- ^ Murray 2012 , หน้า 1.
- ^ a b de Bruijn 1981 .
- ^ เมอร์เร ย์ 2012
- ^ พอล เซน 2013
- ^ a b Estrada & Kanwal 2012 .
- ^ a b Paulsen 2013 , หน้า 1–3, 7.
- ^ a b Paulsen 2013 , หน้า 9.
- ^ Olver 1974 , หน้า 8, 9, 21.
- ^ a b Howison 2005 .
ลิงก์ภายนอก
- การวิเคราะห์เชิงอะซิมโทติก — หน้าหลักของวารสาร ซึ่งจัดพิมพ์โดย IOS Press
- บทความเกี่ยวกับการวิเคราะห์อนุกรมเวลาโดยใช้การแจกแจงเชิงอะซิมโทติก
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!