如何求解方程 cosx=x?

作者: 大小吴

来源: 大小吴的数学课堂

发布日期: 2022-03-26 11:32:00

本文探讨了如何求解方程 cosx=x,通过使用计算器和图像法,展示了不动点问题的求解过程。

今天小编来和大家探讨一个问题:如何求解如下这个优美的方程 cosx=x?为什么说它优美呢?因为我们没学过如何求解它(不是)。实际上,对于方程 cosx=x 我们是可以求解的。但是对于上述方程的求解难点在于方程右边并不是一个常数,这样使得我们对此问题一筹莫展。噢!有了,来借助强大的计算器吧。让我们拿出炫酷的卡西欧 fx-991CN X。

把计算器设置为弧度制,然后随便输入一个值,比如 0.5,然后使用强大的 Ans 键,持续进行 Ans 的操作,其含义是重复取上一个计算结果的值。如果仅考虑小数点后六位,那么实际上我们已经得到了方程 cosx=x 的解!你一定觉得非常疑惑,这是怎么一回事呢?为什么越往后面按计算器的值越接近一个确定的值呢?而这个值为何恰好就是方程 cosx=x 的解呢?别着急,我们来娓娓道来。

求解方程有一种很直观的方法,想必你也想到了:如果我们能画出函数 cosx 和函数 x 的图像的话,寻找其交点(的横坐标),我们就能确定方程的解。从图像中我们也能直观地观察出来 cosx 和 x 仅有一个交点,且可以确定其横坐标(也即方程的解)的范围。但是,好像接下来就什么都不知道了。点 A 很孤单,我们来给它找一个朋友点 B,其坐标为 (0.739,0.739)。

接下来过点 B 作 x 轴的平行线交 cosx 于点 C,易知其坐标为 (0.739,0.739)。继续过点 C 作 x 轴的平行线交 x 于点 D,易知其坐标为 (0.739,0.739)。按照这个做法继续做下去,易得下一个在 cosx 上出现的点 E 其坐标为 (0.739,0.739)。我们知道,这个操作可以一直做下去,永远不会停下,就如同我们可以把计算器一直按下去那样。

实际上,随便你选一个初始值 x0(也即在 cosx 图像上选取任意一个初始点),最后都能通过有限次迭代得到(任何你想要的)近似解。这类问题在数学上被称为不动点问题,不动点问题产生的图像被称为不动点图像,上面这个美丽的图像就是一种不动点图像,美哉妙哉!

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