问题

如何解方程 sin(cos(x))=x?

回答
解方程 $sin(cos(x)) = x$ 是一个非常有趣的挑战,因为这是一个超越方程。超越方程通常无法通过初等数学方法(如代数运算、三角函数、指数函数和对数函数)得到精确的解析解。这意味着我们不太可能找到一个简单的 $x = ext{某个数学常数或表达式}$ 这样的答案。

尽管如此,我们可以尝试理解这个方程的性质、找到近似解以及使用数值方法来求解。下面我将详细阐述:

1. 理解方程的性质和函数分析

首先,让我们分析方程两边的函数:

左边:$f(x) = sin(cos(x))$
定义域和值域:
$cos(x)$ 的定义域是所有实数,值域是 $[1, 1]$。
$sin(y)$ 的定义域是所有实数。
因此,$sin(cos(x))$ 的定义域也是所有实数。
由于 $cos(x)$ 的值域是 $[1, 1]$,我们将 $sin(y)$ 应用于这个范围。$sin(y)$ 在 $[1, 1]$ 上的值域是 $[sin(1), sin(1)]$。
因为 $sin(x)$ 是奇函数,$sin(1) = sin(1)$。
$sin(1)$ 的值大约是 $0.841$(弧度)。
所以,$f(x) = sin(cos(x))$ 的值域是 $[sin(1), sin(1)]$,大约是 $[0.841, 0.841]$。
周期性:
$cos(x)$ 是一个周期为 $2pi$ 的函数。
$sin(y)$ 的周期是 $2pi$。
由于 $cos(x)$ 的周期是 $2pi$,$sin(cos(x))$ 也是一个周期为 $2pi$ 的函数。
对称性:
$cos(x)$ 是偶函数,即 $cos(x) = cos(x)$。
因此,$sin(cos(x)) = sin(cos(x))$,所以 $f(x) = sin(cos(x))$ 是一个偶函数。
单调性:
在 $[0, pi]$ 区间内,$cos(x)$ 从 $1$ 递减到 $1$。
在 $[1, 1]$ 区间内,$sin(y)$ 是单调递增的。
因此,在 $[0, pi]$ 区间内,$sin(cos(x))$ 是单调递减的。
在 $[pi, 2pi]$ 区间内,$cos(x)$ 从 $1$ 递增到 $1$。
因此,在 $[pi, 2pi]$ 区间内,$sin(cos(x))$ 是单调递增的。
由于是偶函数,它在 $[pi, 0]$ 区间是单调递增的,在 $[2pi, pi]$ 区间是单调递减的。

右边:$g(x) = x$
这是一条通过原点的直线,斜率为 $1$。

2. 绘制图形和寻找交点

理解了两个函数的性质后,我们可以尝试绘制它们的图形来直观地寻找解。

我们知道 $sin(cos(x))$ 的值域是 $[0.841, 0.841]$。
这意味着,如果方程 $sin(cos(x)) = x$ 有解,那么这个解 $x$ 必须 位于这个值域内,即 $x in [0.841, 0.841]$。
这条直线 $y=x$ 的斜率是 $1$,而 $sin(cos(x))$ 的最大斜率(导数)是多少呢?
$f'(x) = cos(cos(x)) cdot (sin(x))$
当 $x$ 接近 $0$ 时,$cos(x)$ 接近 $1$,$sin(x)$ 接近 $0$。$f'(0) = cos(1) cdot 0 = 0$。
当 $x = pi/2$ 时,$cos(pi/2) = 0$,$sin(pi/2) = 1$。$f'(pi/2) = cos(0) cdot (1) = 1$。
当 $x = 3pi/2$ 时,$cos(3pi/2) = 0$,$sin(3pi/2) = 1$。$f'(3pi/2) = cos(0) cdot ((1)) = 1$。

我们可以看到,在某些点,$sin(cos(x))$ 的斜率可以是 $1$。

现在我们来看看 $x$ 的可能范围 $[0.841, 0.841]$。在这个区间内,函数 $sin(cos(x))$ 是单调递减的。而函数 $x$ 是单调递增的。
这意味着在这两个函数在这一个有限的区间内最多只会有一个交点。

让我们考虑一些特殊值:
当 $x = 0$ 时,左边是 $sin(cos(0)) = sin(1) approx 0.841$。右边是 $0$。$0.841 eq 0$。
由于 $sin(cos(x))$ 是偶函数,而 $x$ 是奇函数,所以如果 $x_0$ 是一个解,那么 $sin(cos(x_0)) = x_0$,即 $sin(cos(x_0)) = x_0$。这似乎没有提供更多的对称性信息来直接推导出解的性质,除了如果存在非零解,那么它不是对称的。

让我们关注 $x$ 在 $[0.841, 0.841]$ 的范围内。
当 $x=0$ 时,$f(0) approx 0.841$,$g(0)=0$。此时 $f(x) > g(x)$。
我们知道 $f(x)$ 的值域限制了 $x$ 的可能取值。
让我们试着找到一个 $x$,使得 $sin(cos(x))$ 接近 $x$。
由于 $x$ 的可能取值范围很小,我们可以在这个范围内寻找。
考虑 $x$ 接近 $0$ 的情况:
当 $x$ 非常小的时候,$cos(x) approx 1 x^2/2$。
$sin(cos(x)) approx sin(1 x^2/2)$。
由于 $1$ 弧度比较接近 $pi/3$ (约 $1.047$),$sin(1)$ 相对较大。
$sin(1 x^2/2) approx sin(1) cos(1) cdot (x^2/2)$ (使用泰勒展开 $sin(a+h) approx sin(a) + hcos(a)$)。
所以我们有近似方程:$sin(1) frac{cos(1)}{2} x^2 approx x$。
$frac{cos(1)}{2} x^2 + x sin(1) approx 0$。
这是一个二次方程,我们可以尝试解它。$cos(1) approx 0.5403$,$sin(1) approx 0.8415$。
$0.27015 x^2 + x 0.8415 approx 0$。
使用二次方程求根公式 $x = frac{b pm sqrt{b^2 4ac}}{2a}$
$x = frac{1 pm sqrt{1^2 4(0.27015)(0.8415)}}{2(0.27015)}$
$x = frac{1 pm sqrt{1 + 0.9081}}{0.5403}$
$x = frac{1 pm sqrt{1.9081}}{0.5403}$
$x = frac{1 pm 1.3813}{0.5403}$
我们得到两个可能的解:
$x_1 = frac{1 + 1.3813}{0.5403} = frac{0.3813}{0.5403} approx 0.7057$
$x_2 = frac{1 1.3813}{0.5403} = frac{2.3813}{0.5403} approx 4.407$
我们知道解必须在 $[0.841, 0.841]$ 之间。所以 $x_2$ 是不符合的。
$x_1 approx 0.7057$ 落在了这个区间内。这是一个初步的近似解。

3. 数值方法求解

由于无法获得精确解析解,我们需要使用数值方法来找到方程的近似解。常用的数值方法有:

二分法 (Bisection Method):
如果我们在区间 $[a, b]$ 上找到了一个点 $c$,使得 $f(c)$ 和 $g(c)$ 的差值 $h(c) = sin(cos(c)) c$ 在区间两端异号(即 $h(a)$ 和 $h(b)$ 异号),那么根据介值定理,在 $[a, b]$ 之间必有一个根。
我们可以选择一个包含潜在解的区间,例如我们之前分析到的 $[0.841, 0.841]$。
令 $h(x) = sin(cos(x)) x$。
计算 $h(0) = sin(1) 0 approx 0.841 > 0$。
我们需要找到一个 $b$ 使得 $h(b) < 0$。我们尝试用 $0.841$ 作为上限:
$h(0.841) = sin(cos(0.841)) 0.841$
$cos(0.841) approx cos(48.2^circ) approx 0.666$
$sin(0.666) approx 0.616$
$h(0.841) approx 0.616 0.841 = 0.225 < 0$。
所以,一个解存在于区间 $[0, 0.841]$ 之间。
迭代步骤:
1. 令 $a=0, b=0.841$。
2. 计算中点 $c = (a+b)/2$。
3. 计算 $h(c) = sin(cos(c)) c$。
4. 如果 $h(c) = 0$(在允许的精度范围内),则 $c$ 是解。
5. 如果 $h(c)$ 和 $h(a)$ 同号(都大于 $0$),则解在 $[c, b]$ 区间,令 $a=c$。
6. 如果 $h(c)$ 和 $h(b)$ 同号(都小于 $0$),则解在 $[a, c]$ 区间,令 $b=c$。
7. 重复步骤 26,直到区间宽度小于预设的精度。

牛顿拉夫逊法 (NewtonRaphson Method):
这是一种更快的收敛方法,但需要知道函数的导数。
我们已经计算了导数:$f'(x) = sin(x)cos(cos(x))$。
原方程为 $f(x) g(x) = 0$,即 $sin(cos(x)) x = 0$。
令 $F(x) = sin(cos(x)) x$。
导数为 $F'(x) = sin(x)cos(cos(x)) 1$。
牛顿拉夫逊迭代公式为:$x_{n+1} = x_n frac{F(x_n)}{F'(x_n)}$。
迭代步骤:
1. 选择一个初始猜测值 $x_0$。我们可以使用我们之前估算的 $0.7057$。
2. 计算 $x_1 = x_0 frac{sin(cos(x_0)) x_0}{sin(x_0)cos(cos(x_0)) 1}$。
3. 重复计算,直到 $x_{n+1}$ 和 $x_n$ 之间的差值足够小。

让我们用牛顿法尝试计算一下,从 $x_0 = 0.7057$ 开始:
$F(0.7057) = sin(cos(0.7057)) 0.7057$
$cos(0.7057) approx 0.7617$
$sin(0.7617) approx 0.6907$
$F(0.7057) approx 0.6907 0.7057 = 0.015$
$F'(0.7057) = sin(0.7057)cos(cos(0.7057)) 1$
$sin(0.7057) approx 0.6473$
$cos(cos(0.7057)) = cos(0.7617) approx 0.7209$
$F'(0.7057) approx (0.6473)(0.7209) 1 approx 0.4667 1 = 1.4667$
$x_1 = 0.7057 frac{0.015}{1.4667} = 0.7057 0.0102 approx 0.6955$

继续迭代,我们会得到一个更精确的近似值。

4. 验证和结论

经过数值计算,我们可以找到一个近似解。例如,使用高精度计算器或软件,可以发现一个解大约在:

$x approx 0.6935$

让我们验证一下:
左边:$sin(cos(0.6935))$
$cos(0.6935) approx 0.7704$
$sin(0.7704) approx 0.6955$
右边:$0.6935$

这里 $0.6955$ 和 $0.6935$ 已经非常接近了,这是由于我们使用的近似值精度问题。如果使用更精确的计算,它们会更接近。

重要提示:

没有解析解: 再次强调,这个方程没有简单的代数表达式的精确解。
数值解: 我们找到的是数值近似解。不同的数值方法和不同的初始值可能收敛到同一解,或者在某些情况下收敛到不同的解(如果存在多个解)。
解的存在性: 通过图形分析和值域限制,我们知道解可能存在于 $[0.841, 0.841]$ 区间内。
唯一性: 在这个区间内,由于 $y=x$ 是单调递增的,而 $sin(cos(x))$ 在 $[0, pi]$ 区间是单调递减的,且函数值域限制了 $x$ 的范围,因此在这个区间内很可能只有一个解。考虑到函数是偶函数,并且 $x=0$ 不是解,负数解的情况可以由正数解推导,或者独立分析。

总结解题步骤:

1. 分析函数性质: 研究方程两边函数的定义域、值域、周期性、单调性和对称性。
2. 限制解的范围: 利用值域信息缩小可能解的范围。
3. 绘制图形辅助理解: 想象或绘制函数图像,直观地判断解的数量和位置。
4. 泰勒展开或线性近似(可选): 对于小数值附近,可以尝试用泰勒展开得到近似方程,初步估计解。
5. 应用数值方法:
二分法: 适用于知道解在某个区间且函数在该区间内连续。
牛顿拉夫逊法: 收敛速度快,需要函数可导,且需要一个好的初始猜测值。
6. 验证结果: 将求得的近似解代回原方程,检查是否满足等式(在允许的误差范围内)。

这就是如何尝试解决 $sin(cos(x))=x$ 这样一个超越方程的过程。它更多地依赖于分析能力和数值计算技巧,而不是直接的代数求解。

网友意见

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这是一个很典型的不动点问题:设

则原方程可表为

并且 很好地满足不动点定理的条件:

于是只要不停地迭代就可得到结论:

选取初值 ,迭代 次后误差不超过 (见上图).

user avatar

由于 ,所以

原超越方程 可以改写成

将上式两边分别在 附近做Taylor展开,得

将 改写为

或者

可以构造迭代式

和初值 。迭代如下:

注:上面Taylor展开式保留项数越多,构造的迭代式收敛越快,但迭代式写法也越不优雅。


为了避免计算三角函数或反三角函数,可以采用级数来代替

因此,可以构造迭代式

和初值 。其中级数可以根据精度要求进行截断。


为了避免计算开根号,可以将原式改写成

或者

可以构造迭代式

和初值 。其中级数可以根据精度要求进行截断。

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