改变下列表达式,使计算结果比较精确:(1) (1)/(1+2x) - (1-x)/(1+x), |x| << 1(2) sqrt(1+(1)/(x)) - sqrt(1-(1)/(x)), |x| >> 1(3) (1-cos x)/(x), x neq 0, |x| << 1(4) sin alpha - sin beta, alpha approx beta
改变下列表达式,使计算结果比较精确: (1) $\frac{1}{1+2x} - \frac{1-x}{1+x}$, $|x| << 1$ (2) $\sqrt{1+\frac{1}{x}} - \sqrt{1-\frac{1}{x}}$, $|x| >> 1$ (3) $\frac{1-\cos x}{x}$, $x \neq 0$, $|x| << 1$ (4) $\sin \alpha - \sin \beta$, $\alpha \approx \beta$
题目解答
答案
(1) 原式 $= \frac{1}{1+2x} - \frac{1-x}{1+x}$,
通分得 $= \frac{(1+x) - (1-x)(1+2x)}{(1+2x)(1+x)} = \frac{2x^2}{(1+2x)(1+x)}$,
答案: $\boxed{\frac{2x^2}{(1+2x)(1+x)}}$
(2) 原式 $= \sqrt{1 + \frac{1}{x}} - \sqrt{1 - \frac{1}{x}}$,
有理化得 $= \frac{\frac{2}{x}}{\sqrt{1 + \frac{1}{x}} + \sqrt{1 - \frac{1}{x}}}$,
答案: $\boxed{\frac{\frac{2}{x}}{\sqrt{1 + \frac{1}{x}} + \sqrt{1 - \frac{1}{x}}}}$
(3) 原式 $= \frac{1 - \cos x}{x}$,
用泰勒展开 $\cos x \approx 1 - \frac{x^2}{2}$,得 $= \frac{x^2/2}{x} = \frac{x}{2}$,
答案: $\boxed{\frac{x}{2}}$
(4) 原式 $= \sin \alpha - \sin \beta$,
用和差化积公式得 $= 2 \cos \left(\frac{\alpha + \beta}{2}\right) \sin \left(\frac{\alpha - \beta}{2}\right)$,
答案: $\boxed{2 \cos \left(\frac{\alpha + \beta}{2}\right) \sin \left(\frac{\alpha - \beta}{2}\right)}$
解析
考查要点:本题主要考查在特定条件下(如变量趋近于0或无穷大)对表达式进行变形,以减少计算误差、提高精度的能力。
核心思路:
- 通分或有理化:消除分母或根号中的小量相减导致的误差;
- 泰勒展开:用多项式近似展开消除高阶小量;
- 和差化积公式:将相近角度的三角函数差转化为乘积形式,避免直接相减的精度损失。
第(1)题
关键点:当 $|x| \ll 1$ 时,直接计算 $\frac{1}{1+2x} - \frac{1-x}{1+x}$ 可能因分母展开误差叠加。
通分合并
将两分式通分,合并后分子展开并化简:
$\begin{aligned} \text{原式} &= \frac{1+x - (1-x)(1+2x)}{(1+2x)(1+x)} \\ &= \frac{1+x - (1+x-2x^2)}{(1+2x)(1+x)} \\ &= \frac{2x^2}{(1+2x)(1+x)}. \end{aligned}$
优势:保留了 $x^2$ 高阶项,避免直接相减的误差。
第(2)题
关键点:当 $|x| \gg 1$ 时,$\frac{1}{x}$ 很小,直接计算平方根差易失精度。
有理化处理
分子分母同乘以共轭表达式:
$\begin{aligned} \text{原式} &= \frac{\left(\sqrt{1+\frac{1}{x}} - \sqrt{1-\frac{1}{x}}\right)\left(\sqrt{1+\frac{1}{x}} + \sqrt{1-\frac{1}{x}}\right)}{\sqrt{1+\frac{1}{x}} + \sqrt{1-\frac{1}{x}}} \\ &= \frac{\frac{2}{x}}{\sqrt{1+\frac{1}{x}} + \sqrt{1-\frac{1}{x}}}. \end{aligned}$
优势:分母变为两正数之和,避免了小量相减。
第(3)题
关键点:当 $|x| \ll 1$ 时,$1-\cos x$ 中的高阶小量被忽略,导致误差。
泰勒展开近似
利用 $\cos x \approx 1 - \frac{x^2}{2}$(保留二次项):
$\text{原式} = \frac{1 - \left(1 - \frac{x^2}{2}\right)}{x} = \frac{x^2/2}{x} = \frac{x}{2}.$
优势:消除了二次小量,保留一次项。
第(4)题
关键点:当 $\alpha \approx \beta$ 时,$\sin \alpha - \sin \beta$ 直接计算误差大。
和差化积公式
应用公式 $\sin A - \sin B = 2\cos\frac{A+B}{2}\sin\frac{A-B}{2}$:
$\text{原式} = 2\cos\left(\frac{\alpha+\beta}{2}\right)\sin\left(\frac{\alpha-\beta}{2}\right).$
优势:转化为乘积形式,避免相近角度相减。