基于Matlab环境优化Taylor中值定理教学

时间:2017-07-16 论文范文 我要投稿

     【摘要】  利用Matlab7.01数学软件学习《高等数学》中Taylor中值定理,把传统的教学模式“讲授?记忆”教学过程变成“直觉?探索?思考?猜想?验证”的探究式教学过程。充分利用计算机强大的计算能力和图形处理功能,实现科学合理的多媒体教学.

     【关键词】  Matlab; Taylor中值定理; 多媒体

  1 引言

  数学实验课程在大学悄然兴起,促使数学实验室从无到有、从小到大,“直觉?探索?思考?猜想?验证”的探究式学习有了物质基础。优秀软件Matlab在多媒体教学中占据了一席之地,PPT与Matlab界面可以通过超级链接等多种方式方便切换。在Matlab环境中,简单的操作界面具有一定的人机交流对话功能,有利于学生发挥主体性、提高学习主动性和创造性。在自主操作过程中,学生对数学概念和公式的理解得到深化,学习兴趣增强。所以,合理使用Matlab软件可以大大缩短抽象和直观、理论和实践的认识过程。

  2 在Matlab环境中学习Taylor定理

  在近似计算和误差理论分析以及级数学习中,Taylor中值定理有着非常重要的地位和作用。学生在学习Taylor中值定理时,学生往往只知其然不知其所以然,只能从教材中有限的静态图像中被动接受,对公式的实质不了解或不甚了解,所以学生对Taylor中值定理之美少有体会。在Matlab界面中,可以排除“讲授?记忆”课堂教学模式中许多不能解决的许多障碍。

  2.1 问题提出

  定理1 若f(x)在x0处可导,则在x0的某个邻域内有

  f(x)=f(x0)+f '(x0)(x-x0)+o(x-x0),

  或记为f(x)≈f(x0)+f '(x0)(x-x0) (1)

  例1 当|x|很小时,ex≈1+x,sinx≈x (如图1、2)。 图1 exp(x),1+x 图2 sin x,x

  例1两个关系的Matlab语句分别为:

  x=-2:0.1:2;

  plot(x,exp(x),x,1+x,)

  grid on;axis equal

  axis([-2.5 2.5 -1 8])

  x=-pi:0.1:pi;

  plot(x,sin(x), x,x,)

  grid on;axis equal

  axis([-pi pi -2 2])

  grid on和axis equal语句可以省略,只是图像中失去网格线、纵横坐标轴比例失调。

  直觉会激发学生的想象。通过探索与思考,学生会思考这样的问题:当|x|很小时,才能保证公式(1)式的精度,如果需要较大范围怎么办呢?也就是说,怎么保证在离坐标原点较远处也有较小的误差呢?这一点可以通过提高导数的阶数来保证。

  2.2 问题分析

  在微积分学中,多项式函数pn(x)显示出简洁性、易操作性。定理1就是以一次多项式p1(x)近似代替f(x),公式(1)右边多项式部分提取了f(x)的位置和倾斜度信息,说明了用一次函数p1(x)近似表示函数f(x),p1(x)与 f(x)在一定范围内就吻合得较好,如图1。根据导数的意义可以知道,f(x0)、f'(x0)、f''(x0)…分别表示了函数f(x)的位置、倾斜度、弯曲方向…特性。通过启发,学生猜想,若提取f(x)更多的特征值信息f(n)(x0):使f(n)(x0)= p(n)(x0),即提高导数的阶数要求,就可以保证在更大范围内pn(x)与 f(x)仍然吻合较好吗?对于同一个问题而言,是否导数的阶数越高,达到吻合要求的范围越大呢?

  定理2 (Taylor中值定理)若f(x)在x0的某个领域内有直到n+1阶导数,则对该领域内的任意x,有:

  f(x)=f(x0)+f''(x0)(x-x0)+12!f(x0)(x-x0)2+…+1n!f(x0)(x-x0)n + o(x-x0) (2)

  成立。

  例2 作图观察近似关系式ex≈1+x+12!x2+13!x3 和 sin x≈x-13!x3+ 15!x5 (如图3、4),并与例1比较。

  例2 两个关系的Matlab语句分别为:

  x=-3:0.1:4;

  y0=exp(x);

  y1=1+x+x.^2/2+x.^3/3;

  plot(x, y0,x, y1,)

 

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