漸近分析與攝動方法
漸近級數(asymptotic series)
漸近級數是一串修正項,它在某個特定點或極限附近越來越精確地描述一個函數——但只在一個甜蜜點之前不斷改善,過了那個點再加項反而越來越糟。它放棄了收斂冪級數那種令人安心的設想,換來一個不同卻極其實用的承諾:在恰當的地方停下,截斷後的和會與真值驚人地接近。
精確的(龐加萊)含義是:當 x 趨於無窮時,級數 a_0 + a_1/x + a_2/x^2 + ... 是 f(x) 的漸近展開,如果對每個固定的項數 N,取前 N 項之後的誤差都是所保留的最後一項的小o——也就是餘項縮小得比 1/x^N 還快。關鍵詞是「每個固定的 N」:我們固定項數,讓 x 增大,絕不反過來。這與收斂級數的運作恰好相反,那裡是固定 x,讓項數增大。正因為這兩個極限次序被對調,漸近級數作為無窮對象可能劇烈發散,截斷後卻極其精確。
這些展開是數學物理與應用數學的通用貨幣:誤差函數、貝塞爾函數、指數積分以及無數特殊函數在大 x 處的行為,往往只能以漸近級數的形式知道。實踐中人們採用經驗法則「在最小項之前截斷」,這給出該展開所能提供的最佳精度。要破除的誠實誤解是:漸近級數不必收斂,收斂也不是目標——在變量可及的取值範圍內得到可控、有界的誤差才是。
對大的 x,指數積分給出 e^x E_1(x) ~ 1/x - 1/x^2 + 2/x^3 - 6/x^4 + ...;第 n 項像 n!/x^(n+1) 那樣增長,所以級數發散,然而在 x = 10 時取頭幾項卻非常精確。
係數的階乘式增長意味著無窮級數發散;在最小項附近截斷給出可能的最佳答案。
兩個不同的函數可以擁有完全相同的漸近級數(它們相差一個指數級小量,如 e^(-x),它是 1/x 的每個冪的小o)。所以漸近級數本身並不能唯一地確定函數。
又稱
另見