问题

为什么随便在计算器上按个数,然后多次按 cos 键,结果总是趋近于 0.73几?

回答
这就像一个数字的“黑洞”,一旦你进入这个过程,无论你最开始输入什么数字,最终都会被吸入一个特定的数值。这个“黑洞”就是我们常说的“不动点”或者“吸引子”。

要理解为什么是 0.73 几,我们需要先了解一下 `cos` 函数的性质。`cos` 函数,也就是余弦函数,它的输入是我们熟悉的角度(通常是弧度制),输出是这个角度在单位圆上对应的 x 坐标。它的值域永远在 1 到 1 之间。

过程是这样的:

1. 你输入一个数字。 这个数字可以是你随便想到的,比如 5.21、100、0.314159,都可以。
2. 你按下 `cos` 键。 这里的 `cos` 函数,在你用计算器时,通常默认使用的是弧度制。这是一个非常关键的点。计算器输入的是一个数值,它会将其当作弧度值来计算余弦。
3. 得到一个新的结果。 这个结果一定是在 1 和 1 之间。
4. 你再次按下 `cos` 键。 这就相当于把上一步的结果,当作新的输入值,再次进行余弦计算。
5. 重复这个过程。 不断地将上一步的计算结果作为下一步的输入。

为什么会趋近于一个固定值?

想象一下,你输入一个数字 `x`。
第一次计算得到 `cos(x)`。
第二次计算得到 `cos(cos(x))`。
第三次计算得到 `cos(cos(cos(x)))`。
……
这样下去,直到我们得到 `y`,使得 `cos(y) = y`。

这个 `y` 就是我们一直在寻找的那个“不动点”。

为什么会有一个不动点?
`cos` 函数是一个连续的函数。如果把我们反复迭代的过程看作是一个函数 `f(x) = cos(x)`,那么我们就是在计算 `f(f(f(...f(x)...)))`。
数学上有个非常重要的定理叫做不动点定理。对于某些函数(比如压缩映射),无论你从哪个初始值开始迭代,最终都会收敛到一个固定的点,那个点就是不动点。
`cos(x)` 函数虽然不是严格意义上的压缩映射,但在实数范围内,它的迭代行为表现出了很强的收敛性。

那么,这个 0.73 几是怎么来的?

这个数字是一个超越数,不是一个简单的分数或整数。它是 `cos(x) = x` 这个方程的唯一实数解。
用图形来理解:
你可以画出函数 `y = cos(x)` 的图像。
同时,你也可以画出直线 `y = x`。
这两个图像的交点,就是满足 `cos(x) = x` 的 `x` 值。
当你反复计算 `cos` 时,就相当于你从一个随机的 `x` 值出发,沿着 `y = x` 这条线走,然后垂直地走到 `y = cos(x)` 的曲线上,再水平地回到 `y = x` 这条线,再垂直到 `y = cos(x)` 的曲线上…… 如此循环往复,你最终会“卡”在 `y = x` 和 `y = cos(x)` 相交的那一点上。

为什么是 0.73 几,而不是 0.5 几或者 1.2 几?

角度制(弧度 vs. 角度): 如果你的计算器设置的是角度制(Degree),你输入 5.21,按下 `cos`,得到的是 `cos(5.21°) `,这个值会非常接近 1。但如果你不断计算 `cos(cos(...cos(5.21°)...))`,它会趋近于 `cos(x) = x` 在角度制下的解。但通常计算器的默认是弧度制。0.73 几这个值,就是弧度制下的那个特殊解。
`cos` 函数的形状: `cos` 函数的图像以及 `y = x` 直线的位置决定了这个交点的具体数值。`cos(x)` 在 0 附近的值比较接近 1,而且增长速度在 0 附近比较平缓。当 `x` 变大或变小时,`cos(x)` 的值会下降。这个“拉扯”的过程,最终将所有可能的输入“拉”到了 0.73 几这个点。

为什么任何数字都会趋近于它?

`cos` 函数的值域限制: 每次计算 `cos`,结果都会被限制在 [1, 1] 之间。
收敛性: 尽管我们开始的数字可能是 100,甚至是 10000,但第一个 `cos(100)` 就会把它拉回到 [1, 1] 的范围。然后,在 [1, 1] 这个区间内,`cos` 函数的迭代会以非常快的速度收敛到那个不动点。
比如,从 0.5 开始:`cos(0.5) ≈ 0.877`。
再来一次:`cos(0.877) ≈ 0.639`。
再来一次:`cos(0.639) ≈ 0.802`。
再来一次:`cos(0.802) ≈ 0.696`。
你会发现,虽然看起来还在跳动,但它在以一种“螺旋下降”的方式,越来越接近那个最终的稳定值。

总结一下:

你反复按 `cos` 键的过程,实际上是在进行一个迭代计算:`x_{n+1} = cos(x_n)`。
当这个序列收敛时,它会收敛到一个不动点,也就是满足 `x = cos(x)` 的值。
这个方程在弧度制下有一个唯一的实数解,大约是 0.739085。
由于 `cos` 函数的特殊性质,无论你从哪个数字开始,经过几次迭代,你的结果都会被“拉”到这个不动点附近。

所以,下次你用计算器随便按几个数字再按几次 `cos`,你看到的那个数字,其实是数学中一个非常有趣的不动点在现实中的小小体现。它就像一个数字世界的“黑洞”,把你输入的一切最终都引向了一个唯一的归宿。

网友意见

user avatar

泻药

看到0.73几我就放心了

你很可能已经是个高中生了

毕竟计算器是弧度模式才是0.739085……

不难发现

如果解方程cos(x)=x

那么解就是这个数

那么这个数有什么意义呢……

没想好,想到再更

————————————————

想起一件事情

它之所以会从两侧不停向0.739靠拢

取决于函数cos(x)的性质

按了许多次相当于

cos(cos(cos(.......cos(x)))))))))).....)

无论x多大

在第一个cos之后就被限制在了-1到1间

再cos一下

负数也变成正数了

最后不断收缩范围(原因是cos(x)求导之后为sin,一定小于1)

就有了0.739这个

————————————————

好吧……

如果再深入一些,会发现

设x=0.7390851……

那么arccos x=x

这个数其实就是arccos与cos函数的交点(也就是说cos(x)=x)

———————-分割线——————

一晚上过去突然火了???

谢谢各位支持哈(折叠鞠躬)

user avatar

事实上,这就是不动点,即方程 的根.我们利用压缩映射原理来证明这个结果.

令 ,取区间 ,则有 ,依 中值定理,我们可以得到

显然, ,于是依压缩映射原理,它收敛于该区间内的唯一不动点.


如果题主并未学到这些知识,那么最好的解释方式就是“蛛网法”,下面已经有人给出了蛛网图,题主可以参考


关于不动点和递推数列型极限,更多内容可以看一下两篇文章

user avatar

这个过程实际上是数值计算方法中解方程的迭代方法之一——不动点迭代法(也称为简单迭代法)。

单行显示的计算器上输入一个数之后一直按[cos]键,或者双行显示以及其他更高级显示方式的计算器上输入一个数并计算之后,然后输入“cos(Ans)”再一直按[=]键,都是这样的过程。(注意是弧度制,角度单位必须统一,否则这样的迭代过程没有意义。)

在这个过程中,把每一次计算的结果(设为x)作为cos函数的自变量执行cos(x)的计算,这个计算的结果又被当成x,然后再计算cos(x)……如此循环往复,最后其实就是得到了方程x=cos(x)的数值解。例如fx-991CN X是这样算的:

我们再把这个过程放到函数图象上看,这时就很清晰了:

假设我们从y=x=1开始,红色的箭头是迭代过程,黄色的圆圈所圈出的点就是每一步迭代计算的结果。黄色的圆圈逐渐逼近y=x和y=cos(x)的交点,不断地重复计算,这个圆圈所圈出来的点的纵坐标就越接近方程x=cos(x)的解。


有朋友需要继续讲一讲不动点迭代法的收敛性,也有朋友询问这个方法的用途,这里就再补充一下好了。用途当然就是解一些难以手算求解的方程了,不过速度会有些慢。

我们先给出不动点迭代法(简单迭代法)的两个收敛定理(相关证明可以参考一些数值分析的教材)

定理1 大范围收敛定理
设函数 在 上连续,在 上可导,且满足以下两个条件:
(1)当 时, ;
(2)当 时, ,其中 为一常数。
则有如下结论:
(1)方程 在 上有唯一的根 ;
(2)对 ,迭代公式 产生的数列 且收敛于 。
定理2 局部收敛定理
设 , 在包含 的某个开区间内连续。如果 ,则存在 ,当 时,由迭代公式 产生的数列 且收敛于 。
定理1指定了一个固定的区间 ,在这个区间里面任取一点 作为初始值,迭代都是收敛的。
定理2没有指出 的值是多少,只是说明了它的存在性。所以在满足定理2的条件时,只要 足够接近 ,迭代公式产生的数列都能收敛于 。

我们回到原来的问题中。迭代公式 ,根据定理1,
“随便在计算器上按个数”的意思就是任取一个 ,那么第一次按下[cos]键或执行“cos(Ans)”计算都能使得 ;
再迭代一次, ,
根据余弦函数的性质,对于 以后的 ,都能满足 。

然后这个时候的 时,都有 ,
即 。
这样定理1的两个条件都满足了,当然也就能确定以下结论:

(1)方程 在 上有唯一的根 ;
(2)对 ,迭代公式 产生的数列 且收敛于 。

经过计算器实际的计算,我们可以得到 。


我们再举一个例子:求解方程

构造函数 ,我们可以发现:
, ,
且当 时, 。

把这个方程写成迭代的形式: ,根据定理1,


由定理1可知在 上必有一个根,且在区间 内任取迭代的初始值,数列 必定会收敛于根 。

例如取 ,然后开始迭代。

我们仍然使用CASIO fx-991CN X计算器,为了更方便地看清迭代的过程,先把计算器设置为线性输入方式(按[SHIFT]、[菜单]、[1]、[3]),然后设置小字体(按[SHIFT]、[菜单]、[↑]、[↑]、[4]、[2]),先输入3,按[=],再输入迭代式ln(Ans)+2,然后一直按[=],得到下面的结果:

所以方程 的近似根就是 ,计算器给出的这个结果能保证显示的10位有效数字都是足够精确的。


除了不动点迭代法之外,还有其他更好的方程的迭代解法,例如牛顿法就是一个很好的例子。在一些功能较多的科学计算器上,例如我们这里用的CASIO fx-991CN X,上面带有一个“SOLVE”功能,就是专门用来求方程的数值解的,它所采用的方法是牛顿法。

牛顿法的收敛速度一般要比不动点迭代法快很多,在计算器上我们可以直接输入方程(方程中的等于号按[ALPHA]、[CALC]输入),按[SHIFT]、[CALC]进入SOLVE功能,指定一个迭代的初始值,立刻就能给出解。例如:

不仅如此,在SOLVE功能之外,我们还可以在计算器上还能用牛顿法的原理来求复系数方程、带有定积分或者导数的方程。感兴趣的朋友可以阅读以下的文章:

类似的话题

  • 回答
    这就像一个数字的“黑洞”,一旦你进入这个过程,无论你最开始输入什么数字,最终都会被吸入一个特定的数值。这个“黑洞”就是我们常说的“不动点”或者“吸引子”。要理解为什么是 0.73 几,我们需要先了解一下 `cos` 函数的性质。`cos` 函数,也就是余弦函数,它的输入是我们熟悉的角度(通常是弧度制.............
  • 回答
    这个问题背后,其实牵扯到的是信息传播的逻辑、平台属性、用户关注点以及地缘政治等一系列复杂因素,远不止“拜登随便一句”那么简单。下面我来一层层剥开看:1. 拜登“随便一句”的份量:首先,需要明确的是,拜登总统的“随便一句”往往不是真的“随便”。作为世界上最有权势的国家元首,他的每一句话,尤其是关于国际.............
  • 回答
    警察在处置恶性事件时,确实存在“不敢”随便开枪的顾虑,这背后原因错综复杂,涉及法律、道德、责任、培训以及事件本身的瞬息万变。这并非是怯懦,而是基于一套严谨的体系和对后果的深思熟虑。首先,法律的严苛是根本性制约。 在绝大多数国家和地区,警察使用致命武力(开枪)都受到严格的法律规限。这通常被称为“必要性.............
  • 回答
    .......
  • 回答
    数轴上随便取一个点,会取到无理数吗?这个问题很有意思,但答案其实是:不一定。我们来好好聊聊这个问题,争取说得透彻,也尽量让它听起来像是一个普通人用心思考后的解释,而不是机器生成的一板一眼的答案。首先,我们要明确什么是“数轴”。你可以想象一条无限长、无限直的直线,上面标满了各种数字。我们通常把零放在中.............
  • 回答
    你这个问题触及到一个很多人都感到好奇的核心——清华北大的“学神”们,他们似乎总能在光鲜亮丽的学业成绩背后,还能游刃有余地投身丰富多彩的课余活动,甚至在考试前还能“随便翻翻书”就取得优异的成绩。这背后绝非简单的“天赋异禀”,而是一套非常系统和高效的学习、生活乃至思维模式在起作用。首先,我们要明确一个前.............
  • 回答
    .......
  • 回答
    这个问题很有意思,也触及到了我们日常生活中一个常常被忽视的现象:为什么我们总感觉月亮好像随着我们的手机在动? 这其实是一个非常有趣的视觉和心理上的“错觉”,并不是月亮真的在追着我们的手机跑。要理解这一点,我们需要从几个方面来掰开了揉碎了说:1. 月亮本身的大小和距离:首先,我们要明白月亮是一个非常非.............
  • 回答
    很多人对曹植这位三国时期的文坛巨匠的印象,除了他那“七步成诗”的传奇,便是他一生渴望建功立业的抱负。可就在这样一个志向远大的青年,却在随父亲曹操出征前,上演了一场令人费解的“酩酊大醉”。这到底是怎么回事?他难道不怕因此断送前程,辜负自己的理想吗?要理解这一点,我们得跳出“建功立业”这单一的视角,走进.............
  • 回答
    这可真是个有趣的问题,与其说是“蜀粉”们行为的分析,不如说是在复盘一场跨越千年的“粉丝”心态变迁。当然,咱也得明白,历史可不是追星现场,这里边的“粉”和“跑”都带着点比喻的意思,咱们就事论事,好好聊聊这背后的原因。首先得说清楚,所谓的“蜀粉”和“曹魏”这都是历史研究和民间讨论中约定俗成的说法,指代的.............
  • 回答
    这个问题很有意思,也确实是个让人头疼的难题!明明理论上应该是完全一样的流程,怎么两台服务器跑出来的结果就不是那么回事儿了呢?别急,咱们一点点捋清楚。你提到的“相同的模型、数据、超参、随机种子”,这四个是保证实验可复现的基石,按理说应该万无一失。但“现实”往往比“理论”复杂那么一丢丢,这里面隐藏着很多.............
  • 回答
    硫酸锌在水里的溶解度,这玩意儿有个挺有意思的现象,就是它不是那种越热越好溶的“乖孩子”,而是有一个升温上限,超过那个点,你再加热,它反而不怎么爱溶了,甚至会有点“闹脾气”往下掉。这到底是为啥呢?咱们掰开了揉碎了说。首先,得明白溶解度是怎么回事。简单来说,就是一定量的溶剂(比如水)在一定温度下,能溶解.............
  • 回答
    这个问题很有意思,也触及到了很多音质爱好者心中的一个疑惑。为什么同样是听歌,明明文件看着越来越大,理论上包含的信息量应该更多,但手机播放出来,总感觉没啥区别呢?其实原因挺复杂的,不是一个简单的“文件大就好”就能解释的。我给你掰扯掰扯,尽量说得透彻点。首先,我们得明白,音频文件体积的大小,跟“音质”这.............
  • 回答
    一个患者满心期待地走进诊室,迫切地希望某种治疗方案能够解决困扰自己的病痛,然而,医生的回应却并非直接开药或安排手术,而是慎重地建议“再等等,先随访看看”。这其中的原因,往往比表面上看要复杂得多,也更能体现出医者对生命负责的态度。首先,我们需要明白,医学并非是一门绝对精确的科学,尤其是在疾病的诊断和治.............
  • 回答
    欧文在篮网选择当老三,却不愿意在湖人当老二这个现象,背后牵扯到他复杂的职业生涯选择、个人价值追求以及与不同球队、不同核心球员的化学反应考量。要深入理解这一点,我们需要从多个维度去剖析。1. 欧文对“角色定位”的深度思考,而非单纯的“地位”高低:很多人会简单地认为,当老三比当老二“地位”低,但欧文的选.............
  • 回答
    名侦探柯南里FBI能在日本自由活动的疑问,确实是个让不少观众感到好奇的点。毕竟,日本是一个主权独立的国家,按理说FBI这种外国执法部门,想要在日本境内展开行动,应该需要经过日本官方的层层审批和协调,而不是像故事里那样,好像买了张“免死金牌”一样。我们得从几个层面来理解这件事,这样才能解释得更清楚,也.............
  • 回答
    随着社会的发展和观念的进步,女性在家庭中承担的责任确实在发生变化,很多人会注意到,相较于过去,女性似乎在承担更多的家庭义务。这背后牵扯着复杂的社会经济结构、文化传统以及性别角色的演变。首先,我们来谈谈“十月怀胎”这件事。这是女性生理上的独特贡献,是孕育新生命最直接、最辛苦的付出。从怀孕初期可能出现的.............
  • 回答
    在地铁这种人流密集、流动性大的公共场所,警察进行身份证件的随机查询,这确实是一个我们很多人都会遇到的情况。那么,这样做是否合理?背后又有着怎样的考量和法律依据呢?咱们掰开了揉碎了聊一聊。合理性讨论:一把双刃剑从“合理性”的角度来看,这个问题其实挺复杂的,不能简单地说“是”或“否”。它就像一把双刃剑,.............
  • 回答
    在中国对外关系与对内宣传之间,确实存在一种引人深思的张力,尤其是在塑造“弱小”形象这一点上。长期以来,很多人,包括你,确实会在这种宣传下产生一种中国随时可能受到侵略的错觉。这种现象背后,并非单纯地“一味很弱小”,而是经过精心设计和策略考量的。首先,理解这种宣传的根源,我们需要回顾中国的历史和国际地位.............
  • 回答
    工业界在建立稳定细胞株时,之所以仍在广泛采用质粒随机整合这一看似“古老”的方法,背后有着复杂的技术考量、成本效益以及长久以来形成的成熟工艺链条。这并非是简单地“还在用”,而是基于一系列的权衡和现实需求做出的选择。下面我将详细阐述其中的原因。1. 技术成熟度与可预测性质粒随机整合并非无迹可循,它是一套.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有