局所線型近似の基本演習
mathcalculusexerciselinear-approximation
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1問題 1
f(x)=\sqrt{x} を x=9 の近くで局所線型近似し、\sqrt{9.2} を近似せよ。
1.1解答例
f(x)=\sqrt{x} とする。差商を有理化すると
\frac{\sqrt{9+h}-3}{h}=\frac{1}{\sqrt{9+h}+3}\qquad(h\ne0,\ 9+h>0)
であるため、f'(9)=1/6 である。f(9)=3 なので、局所線型近似は
f(x)\approx3+\frac16(x-9)
である。したがって
\sqrt{9.2}\approx3+\frac{0.2}{6}=3.033\overline{3}
を得る。
1.2解説
近似式は基準点 x=9 で関数値と傾きを共有する。実際の値は \sqrt{9.2}\approx3.03315 であり、近似誤差が小さいことも確認できる。
1.3よくある誤り
基準点から離れても同一の精度が維持されるとは限らない。局所という語は、近似の有効性が基準点の近傍に限定されることを表す。
2問題 2
f(x)=x^2 の x=1 における接線を求めよ。
2.1解答例
f(x)=x^2 とする。f(1)=1 であり、差商は
\frac{(1+h)^2-1}{h}=2+h\qquad(h\ne0)
であるため、f'(1)=2 である。したがって、接線は
y=1+2(x-1)
である。
2.2解説
増分 h=x-1 に対する線型写像は L(h)=2h であり、接線 y=1+2h は定数項を含むアフィン近似である。
3問題 3
f(x)=x^2 とし、任意の基準点 a\in\mathbb{R} を固定する。
f(a+h)=f(a)+f'(a)h+r(h)
を満たす剰余 r(h) を求め、r(h)=o(h) であることを確認せよ。
3.1解答例
f'(a)=2a であるため、
(a+h)^2=a^2+2ah+h^2
より r(h)=h^2 である。さらに
\frac{r(h)}{h}=h\to0\qquad(h\to0)
なので、r(h)=o(h) である。
3.2解説
一次項 2ah が増分に対する線型部分を構成し、二次項 h^2 は |h| に比して無視できる剰余となる。したがって、アフィン近似の全体は a^2+2ah である。この計算は、差商による微分可能性と o(h) による特徴付けの同値性を具体化する。
4関連リンク
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