polynomial function
formal power series
「形式冪級數」。自然數次方。
8x⁰ - 4x¹ + 0x² + 2x³
可表達x進位整數。
polynomial(power series)
「多項式」、「冪級數」。整數次方。
5x⁻² - 3x⁻¹ + 8x⁰ - 4x¹ + 0x² + 2x³
可表達x進位小數。
polynomial function
「多項式函數」。函數是一個多項式。
f(x) = 8x⁰ - 4x¹ + 0x² + 2x³
輸入各種底數x、輸出各種數量f(x)。這件事具備什麼意義、擁有什麼用途,我不清楚。
多項式函數是離散與連續的橋樑。x從整數變成實數、甚至複數,多項式函數從離散變成連續。
infinite polynomial function
polynomial fraction
「多項式分式」。分子、分母是多項式。
1 - x ———————————— 1 + 2x + 3x²
可表達x進位分數。
infinite polynomial
「無窮多項式」。無窮項。
... + 5x⁻² - 3x⁻¹ + 8x⁰ - 4x¹ + 0x² + 2x³
可表達x進位無窮小數。
infinite polynomial function
「無窮多項式函數」。函數是一個無窮多項式。
f(x) = ... + 5x⁻² - 3x⁻¹ + 8x⁰ - 4x¹ + 0x² + 2x³
穿梭超時空、轉移異世界
整數、多項式,位於不同世界。
先前談過「反運算拓展數域」。整數裝備除法,得到有理數(分數)。整數裝備無窮除法,得到無窮小數。
而在平行世界當中,多項式裝備除法,得到多項式分式。多項式裝備無窮除法,得到無窮多項式。
兩個世界擁有相同之處。整數與多項式,可以互相轉換,指定底數即可。
兩個世界也有不同之處。整數可以進位和借位,多項式卻不行。多項式可以微分與積分,整數卻不行。
這些不同之處,穿越到平行世界,造就了奇幻,創造了魔法。比方來說,無窮多項式,實施微分與積分,然後穿越到平行世界,可以產生那個世界原本造不出來的圓周率π。
古希臘尺規作圖三大難題之化圓為方:畫出直線長度√π。這個問題懸宕數百年,直到有人見到了從平行世界穿越過來的圓周率π,這個問題才得到證明:畫不出來。
圓周率π不屬於自然數、整數、有理數、代數數、……這系統。目前數學家仍然無法確認其所屬、無法掌握其範疇。
無窮小數、無窮多項式,穿越到平行世界之後等價於什麼東西、穿越到平行世界之前需要準備哪些條件,是數學界的大難題。
無窮多項式變成數字
目前數學家只知道:收斂時,無窮多項式才可以變成數字。
無窮數列收斂至零:一串數列,末端數字絕對值足夠微小。 無窮數列收斂至常數:一串數列,每項減去常數,末端數字絕對值足夠微小。 無窮小數收斂至常數:建立一串數列,數列第n項是無窮小數前n位數。 無窮級數收斂至常數:建立一串數列,數列第n項是無窮級數前n項總和。 無窮多項式收斂至常數:建立一串數列,數列第n項是無窮多項式前n項。 x代入各種數字,各自判斷是否收斂。
方便起見,數學家將「收斂至常數」視作「等於常數」,即便差距總是大於0。
例如0.999... = 1。即便事實是0.999...永生永世碰不到1。
建立一串數列 0 0.9 0.99 0.999 ... |0 - 1| = 1 |0.9 - 1| = 0.1 |0.99 - 1| = 0.01 |0.999 - 1| = 0.001 : : 末端數字足夠微小
無窮多項式的各種運算,如果輸入都能變成數字,那麼輸出也能變成數字。只要有一個輸入不能變成數字,那麼輸出就不能變成數字。強行變成數字,數字可能錯誤。
Taylor expansion
Taylor expansion(Taylor series)
「泰勒展開」。數學公式。多項式更換底數。
已知原係數a₀ a₁ ...,底數減k,求得新係數b₀ b₁ ...。
a₀x⁰ + a₁x¹ + a₂x² + a₃x³ = b₀(x-k)⁰ + b₁(x-k)¹ + b₂(x-k)² + b₃(x-k)³
sum aₙxⁿ = sum bₙ(x-k)ⁿ f⁽ⁿ⁾(k) where bₙ = ——————— , f(x) = sum aₙxⁿ n!
實際範例。
8x⁰ - 4x¹ + 0x² + 2x³ = 6(x-1)⁰ + 2(x-1)¹ + 6(x-1)² + 2(x-1)³ f(x) = 8x⁰ - 4x¹ + 0x² + 2x³ f′(x) = - 4x⁰ + 0x¹ + 6x² f″(x) = 0x⁰ + 12x¹ f‴(x) = 12x⁰ k = 1 f(k) = 8 - 4 + 0 + 2 = 6 f′(k) = - 4 + 0 + 6 = 2 f″(k) = 0 + 12 = 12 f‴(k) = 12 = 12 b₀ = f(k) / 0! = 6 / 1 = 6 b₁ = f′(k) / 1! = 2 / 1 = 2 b₂ = f″(k) / 2! = 12 / 2 = 6 b₃ = f‴(k) / 3! = 12 / 6 = 2
證明方式:原多項式反覆微分、代入k,得到新多項式係數。
方便起見,定義0! = 1與0⁰ = 1,讓數學公式變漂亮。
f(x) = b₀ (x-k)⁰ + b₁ (x-k)¹ + b₂ (x-k)² + b₃ (x-k)³ f(k) = b₀ b₀ = f(k) f′(x) = 1 b₁ (x-k)⁰ + 2 b₂ (x-k)¹ + 3 b₃ (x-k)² f′(k) = b₁ b₁ = f′(k) f″(x) = (2⋅1) b₂ (x-k)⁰ + (3⋅2) b₃ (x-k)¹ f″(k) = 2! b₂ b₂ = f″(k) / 2! f‴(x) = (3⋅2⋅1) b₃ (x-k)⁰ f‴(k) = 3! b₃ b₃ = f‴(k) / 3!
泰勒展開也能改寫成這些模樣。
f(k) f′(k) f″(k) f(x) = ————— (x-k)⁰ + ————— (x-k)¹ + ————— (x-k)² + ... 0! 1! 2! f(k) f′(k) f″(k) f(x + k) = ————— x⁰ + ————— x¹ + ————— x² + ... 變數代換 0! 1! 2! x⁰ x¹ x² f(x + k) = f(k) —— + f′(k) —— + f″(k) —— + ... 分母換位置 0! 1! 2! k⁰ k¹ k² f(x + k) = f(x) —— + f′(x) —— + f″(x) —— + ... 變數代換 0! 1! 2!
binomial series
順帶一提,二項式級數的數學公式,也可以利用泰勒展開求得。
f(x) = (1+x)ⁿ f′(x) = n(1+x)ⁿ⁻¹ f″(x) = n(n-1)(1+x)ⁿ⁻² f‴(x) = n(n-1)(n-2)(1+x)ⁿ⁻³ k = 0 f(k) = 1 f′(k) = n f″(k) = n(n-1) f‴(k) = n(n-1)(n-2) 1 n n(n-1) n(n-1)(n-2) f(x) = ——— x⁰ + ——— x¹ + —————— x² + ——————————— x³ + ... 0! 1! 2! 3!
Lagrange expansion
natural exponential function
微分不動點
微分不動點:一個多項式函數,經過微分,仍然相同。
零多項式是微分不動點。缺乏討論意義。
其他有窮多項式都不是微分不動點。微分總是消滅最高次方項。
無窮多項式才有微分不動點。兩種計算方式:
一、遞迴函數。
f(x) = c₀x⁰ + c₁x¹ + c₂x² + c₃x³ + ... f′(x) = 1c₁x⁰ + 2c₂x¹ + 3c₃x² + ... equations recurrence ⎧ c₀ = 1c₁ ⎰ c₀ = any number ⎨ c₁ = 2c₂ ⎱ cₙ = cₙ₋₁ / n ⎪ c₂ = 3c₃ ⎩ : :
二、泰勒展開的特例。
x⁰ x¹ x² f(x + k) = f(k) —— + f′(k) —— + f″(k) —— + ... 0! 1! 2! ⎛ x⁰ x¹ x² ⎞ 微分不動點 f(x + k) = f(k) ⎜ —— + —— + —— + ... ⎟ f(x) = f′(x) = f″(x) = ... ⎝ 0! 1! 2! ⎠ ⎛ x⁰ x¹ x² ⎞ f(x) = f(0) ⎜ —— + —— + —— + ... ⎟ 讓k = 0 ⎝ 0! 1! 2! ⎠
微分不動點、常數項是1
大家令c₀ = f(0) = 1,讓答案只有唯一一種,讓答案變漂亮。
x⁰ x¹ x² f(x) = —— + —— + —— + ... when f(0) = 1 0! 1! 2!
「微分不動點、常數項是1」屬於「指數函數」
指數函數:a的x次方。a是任意數。
f(x) = aˣ
指數函數的等價定義:輸入相加等同輸出相乘。
f(x + y) = f(x) f(y)
證明方式:二項式展開、冪級數乘法(加性卷積)。
f(x + y) (x+y)⁰ (x+y)¹ (x+y)² = —————— + —————— + —————— + ... 0! 1! 2! 0! ⎛ x⁰y⁰ ⎞ 1! ⎛ x⁰y¹ x¹y⁰ ⎞ 2! ⎛ x⁰y² x¹y¹ x²y⁰ ⎞ = —— ⎜ ———— ⎟ + —— ⎜ ———— + ———— ⎟ + —— ⎜ ———— + ———— + ———— ⎟ + ... 0! ⎝ 0!0! ⎠ 1! ⎝ 0!1! 1!0! ⎠ 2! ⎝ 0!2! 1!1! 2!0! ⎠ ⎛ x⁰y⁰ ⎞ ⎛ x⁰y¹ x¹y⁰ ⎞ ⎛ x⁰y² x¹y¹ x²y⁰ ⎞ = ⎜ ———— ⎟ + ⎜ ———— + ———— ⎟ + ⎜ ———— + ———— + ———— ⎟ + ... ⎝ 0!0! ⎠ ⎝ 0!1! 1!0! ⎠ ⎝ 0!2! 1!1! 2!0! ⎠ x⁰y⁰ x⁰y¹ x⁰y² x¹y⁰ x¹y¹ x¹y² = ———— + ———— + ———— + ... + ———— + ———— + ———— + ... 0!0! 0!1! 0!2! 1!0! 1!1! 1!2! ⎛ x⁰ x¹ x² ⎞ ⎛ y⁰ y¹ y² ⎞ = ⎜ —— + —— + —— + ... ⎟ ⎜ —— + —— + —— + ... ⎟ ⎝ 0! 1! 2! ⎠ ⎝ 0! 1! 2! ⎠ = f(x) f(y)
f(x + y) (x+y)ⁿ (x+y)ᵃ⁺ᵇ 1 (a+b)! = sum —————— = sum ———————— = sum —————— —————— xᵃyᵇ n n! n=a+b (a+b)! n=a+b (a+b)! a!b! xᵃyᵇ xᵃyᵇ ⎛ xᵃ ⎞ ⎛ yᵇ ⎞ = sum ———— = sum sum ———— = ⎜ sum —— ⎟ ⎜ sum —— ⎟ n=a+b a!b! a b a!b! ⎝ a a! ⎠ ⎝ b b! ⎠ = f(x) f(y)
「微分不動點、常數項是1」的底數
指數函數,代入一次方,可得底數。
f(x) = aˣ where a = f(1)
「微分不動點、常數項是1」的底數是一個無限長數字。
1 1 1 f(x) = aˣ where a = f(1) = —— + —— + —— + ... = 2.7182818... 0! 1! 2!
natural exponential function
「微分不動點、常數項是1」重新稱作「自然指數函數」。
1 1 1 exp(x) = eˣ where e = exp(1) = —— + —— + —— + ... = 2.7182818... 0! 1! 2!
並且重新設計數學符號:
exp(x)稱作「自然指數函數」。
exp(1)稱作「歐拉數」,簡寫為小寫英文字母e。
natural exponential function下界
近似公式,但是不實用。證明請見維基百科。
x⁰ x¹ x² xⁿ exp(x,n) = —— + —— + —— + ... + —— ≥ (1 + x/n)ⁿ 0! 1! 2! n! x⁰ x¹ x² exp(x) = —— + —— + —— + ...... = lim (1 + x/n)ⁿ 0! 1! 2! n→∞
natural exponential function演算法
計算exp(x)的演算法:Horner's rule。
natural logarithmic function
自然指數函數的反函數
自然指數函數是嚴格遞增函數,擁有反函數。
自然指數函數的反函數,擁有多種寫法。畢竟可以進位和借位。
自然指數函數的反函數,經典的寫法是「Mercator series」。
(x-1)¹ (x-1)² (x-1)³ exp⁻¹(x) = —————— - —————— + —————— - ...... (0 < x ≤ 2) 1 2 3 1 ⎛x-1⎞¹ 1 ⎛x-1⎞² 1 ⎛x-1⎞³ exp⁻¹(x) = — ⎜———⎟ + — ⎜———⎟ + — ⎜———⎟ + ...... (x > 1/2) 1 ⎝ x ⎠ 2 ⎝ x ⎠ 3 ⎝ x ⎠
兩種計算方式:
一、二項式反演(拉格朗日展開的特例)。
二、函數複合、一次微分。
「自然指數函數的反函數」屬於「對數函數」
「指數函數的反函數」稱作「對數函數」。
對數函數:a的幾次方是x。a是任意數。
f(x) = loga(x)
對數函數的等價定義:輸入相乘等同輸出相加。
f(xy) = f(x) + f(y)
natural logarithmic function
「自然指數函數的反函數」重新稱作「自然對數函數」。
(x-1)¹ (x-1)² (x-1)³ ln(x) = logₑ(x) = —————— - —————— + —————— - ...... (0 < x ≤ 2) 1 2 3
並且重新設計數學符號:
ln(x)稱作「自然對數函數」。
e稱作「歐拉數」。
natural logarithmic function上界
近似公式,但是不等於。證明請見維基百科。
(x-1)¹ (x-1)² (x-1)³ (x-1)ⁿ ln(x,n) = —————— - —————— + —————— - ... + —————— 1 2 3 n 1 1 1 1 < ——— + ——— + ——— + ... + ——— 1 2 3 n (x-1)¹ (x-1)² (x-1)³ ln(x) = —————— - —————— + —————— - ...... 1 2 3 1 1 1 < ——— + ——— + ——— + ...... 1 2 3
「自然指數函數的反函數」恰是x⁻¹的積分
反函數即是函數圖形沿著45°斜線翻面。
斜率是高度除以寬度。反函數翻轉高度和寬度,讓斜率變成倒數。以此推導出exp⁻¹(x)的斜率是x⁻¹。
斜率就是微分結果。以此推導出exp⁻¹(x)是x⁻¹的積分。
exp⁻¹(x) = y d/dx exp⁻¹(x) = 1 / (d/dy exp(y)) 反函數的斜率變成倒數 d/dx exp⁻¹(x) = 1 / exp(y) 微分不動點 d/dx exp⁻¹(x) = 1 / x exp(y) = x exp⁻¹(x) = ∫ (1 / x) dx
「自然指數函數的反函數」完成了整數次方的微積分
微分讓次方值減一,唯一例外是0次方。0次方微分之後,不是-1次方,而是回歸虛無。
積分讓次方值加一,唯一例外是-1次方。-1次方積分之後,不是0次方,而是涵蓋萬物。「自然指數函數的反函數」涵蓋所有非負次方。
transcendental number
數量種類(基於無窮多項式)
這邊的世界有自然數、整數、有理數、代數數,那邊的世界有多項式、無窮多項式。數學家仍未完全弄懂兩個世界之間的關係。
transcendental number
「超越數」。不屬於代數數的數。
例如無窮多項式所變成的數字。
超越數仍有許多謎團。例如超越數的四則運算是否為超越數。
e
「歐拉數」。尾一微分不動點代入1。數值是2.718...。
π
「圓周率」。圓周長除以直徑。數值是3.141...。
計算圓周率的演算法:Brent–Salamin algorithm。
延伸閱讀:π is wrong!
有兩派人馬,一派支持角度,一派支持面積。
角度派認為π是180°,是圓周角360°的一半,要乘以二才能補成360°,極不方便。這派人馬認為應該替360°特地訂立符號。
面積派認為π剛好就是單位圓面積,明明很方便,不需要改。
transcendental function
transcendental function
「超越函數」。不屬於代數函數的函數。
例如無窮多項式函數。
超越函數仍有許多謎團。畢竟超越數就有許多謎團。
exp() ln()
自然指數函數、自然對數函數都是超越函數。
UVa 1185 10061 701
sin() cos() tan()
三角函數都是超越函數。
UVa 12413