说起cosx=x的解,简直就像数学里的魔法一样,因为只要你在计算器上一直点cos,然后随便输入一个数值,例如1,就能得到这个方程的解,你可以理解成这个方程的解x=cos(cos(cos(……cos(1)……)))≈0.739085133216rad,是不是感觉不可思议,下面小编带你探索cosx=x究竟应该如何解。

探究本质

关于cosx的等价无穷小(数学里的魔法方程cosx)(1)

cosx=x的解

估计许多同学看到上面的式子感觉对数学不再爱了吧,哈哈,不怕不怕,看似复杂,实际其实挺简单的。如果仅仅是求近似解,相信大多数同学都会使用牛顿迭代法,俗称流数法,只要假设f(x)=x-cosx,就可以利用x=x。-f(x。)/f'(x。)一直迭代得到这个方程的近似解。而对于为什么x=cos(cos(cos(……cos(x。)……))),这个也是迭代法呀,那为什么是这种形式的迭代呢?其实我们不妨把x=cosx看成是xn=cosx(n-1),然后随便假设一个x。,哈哈是不是当n趋于无穷大的时候就是这个结果了?这种方法其实也是某种意义上的流数法。

但是数学的美毕竟不在近似解,而在于完美解,只有完美地把解的形式表达出来,才能真的称之为数学中的魔法。cosx=x其实是一个超越方程,但是并不是所有的超越方程都有完美解,只有被上帝眷顾了的超越方程才有可能得到完美解,而cosx=x正是这样一个幸运儿,下面我们来看应该如何求cosx=x的完美解。

深入分析

我们令x=π/2-t,代入cosx=x得sint=π/2-t,整理得t sint=π/2,这个不就是开普勒方程吗?可能许多同学问啥是开普勒方程呢?好的,下面开普勒方程隆重登场:

E-esinE=M

这个是开普勒用来求解天体运动的方程,它的性质非常多。至此我们知道了cosx=x其实等价于开普勒方程,只要求出这个方程的解,那cosx=x的解也就知道了,好的二话不说,我们马上来求解开普勒方程。

关于cosx的等价无穷小(数学里的魔法方程cosx)(2)

开普勒方程的求解过程

于是我们得到了E-esinE=M的贝塞尔函数解:

关于cosx的等价无穷小(数学里的魔法方程cosx)(3)

开普勒方程的贝塞尔函数解

于是我们不难得到cosx=x的完美解:

关于cosx的等价无穷小(数学里的魔法方程cosx)(4)

cosx=x的完美解

总结

一切神奇的数学结果都有其严谨的推导过程,只要我们科学探知,那么数学就可以成为我们探索宇宙的工具,cosx=x的解只是大自然的某一种魔法而已,还有更多的魔法有待我们去破解。

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