漸近分析與攝動方法

漸近等價(asymptotic equivalence)

有時兩個複雜的量雖然從不嚴格相等,卻隨著某個變量變大而步調一致地前進——它們的比值趨於 1。漸近等價正是「這兩者在極限下表現相同」的精確說法。我們寫 f(x) ~ g(x),讀作「f 漸近於 g」,意思是當 x 很大時(或在所指的任何極限附近),較簡單的 g 抓住了 f 真正的主導行為。

精確的含義是:當 x 趨於某極限時 f(x) ~ g(x),意思是比值 f(x)/g(x) 趨於 1。等價地說,差 f - g 是 g 的小o,也就是誤差相比 g 本身可忽略。於是調和數之和 1 + 1/2 + ... + 1/n ~ ln n,因為此和與 ln n 之比趨於 1,儘管它們的差(趨於歐拉-馬斯刻若尼常數,約 0.5772)從不消失。這個關係是對稱且傳遞的,所以它表現得像一個真正的「最終同尺寸、同形狀」概念。

這是大多數漸近分析的頭條結論:質數計數函數 pi(x) ~ x / ln x(質數定理),以及斯特林公式 n! ~ sqrt(2 pi n) (n/e)^n。關鍵的提醒是:~ 只控制相對誤差,不控制絕對誤差。作為比值 n! ~ sqrt(2 pi n)(n/e)^n 極其出色,但對大的 n,兩邊的絕對差是天文數字般地巨大——兩邊本身都大得驚人。等價保證的是百分比上吻合得好,絕不是數值上的差很小。

斯特林公式:n! ~ sqrt(2 pi n) (n/e)^n。在 n = 10 時比值已約為 0.9917,儘管兩邊都超過三百萬。

比值接近 1(相對精度極佳),而絕對差卻有數萬之大——等價只管比值。

f ~ g 對 f - g 一無所知。不能把兩個漸近關係相減:由 f ~ g 和 h ~ g 推不出 f - h ~ 0,因為那些小的相對誤差可能與你想要的那個差同量級。

又稱
asymptotic equalitythe twiddle ~渐近相等波浪号 ~