要描述 在 时的行为,只说“趋于 3”会丢掉许多信息。减去 3 后,剩下的量主要是 ;再减去它,才看见 。渐近尺度规定每次放大剩余误差时,应该用多大的单位去看。
这里的层次属于函数随参数变化的行为。固定 时比较两个数的大小,并不能建立一个渐近尺度。
形式陈述
相邻项必须真正分离
固定一种极限理路极限Limit · Epsilon–delta limit用任意精度的邻近关系描述序列或函数趋向某个值。的趋近方式,例如 。设 在充分大的 上都有定义且不为零。称它们构成渐近尺度,如果对每个固定的 ,
也写作 。函数可以为负或为复数,条件比较的是比值趋零;相应的误差估计用绝对值。有限列表也可以构成有限渐近尺度。
要求相邻项就够了。若 ,则
因为这里只有有限个因子。于是后面每一层都比前面任意一层小。这个结论并没有对“ 也随 增大”的情形作承诺。
直觉
幂次只是最熟悉的一种尺度
是尺度,相邻比值都是 。若研究 ,同一件事写成 ;换元 把两个记法连接起来。
有些问题需要更细的单位。对于 ,
也构成尺度:三个相邻比值分别是 、、,全部趋零。因此 的第二项不能藏进“常数乘 ”中。忽略对数层会让提取第二个系数的极限发散。
指数层还能排在任何固定幂次后面:对每个固定 ,。不过普通序列 已占用了所有有限编号,不能说在某个“最后的幂次项”后面接上 。若只需要有限精度,可以明确使用 这样的有限尺度;若要组织全部幂次和指数层,需要更丰富的展开语言。
例子与边界
两种常见的失败
列表 不是尺度,因为中间两项的比值恒为 2。它们只是同一测量单位的不同倍数。若把两者都保留, 的两个系数就不能唯一识别,只能识别 。
列表 也不是尺度。第三项除以第二项等于 ,始终在 与 1 之间。振幅被夹住可以证明同阶,却不能证明严格分层。渐近记号理路渐近记号Asymptotic notation · Big O notation忽略常数和低阶项,比较函数在输入趋于无穷时的增长速度。中的 与这里所需的 承担不同任务。
尺度还必须写明趋近区域。 对每个固定 都是 时的尺度;若允许同时取 ,第二项恒为 1,分离便消失。在含空间位置的近似中,这正是检查边界附近是否需要重新缩放的第一步。
尺度怎样帮助读出系数
设已经选定尺度,并猜测
先除以 ,后两项相对于它都趋零,所以 。再减去 并除以 ,得到
例如 ,先提出 ,再用平方根在 1 附近的有限 Taylor 展开理路泰勒定理Taylor's theorem足够光滑函数由有限阶导数多项式加余项表示。,得到
合适的前三层是 。依次计算 、、 的极限,便读出 。直接在计算机上用很大的 做后两个减法会发生相消;定义中的极限并不保证朴素浮点求值稳定。
推论与应用
从尺度走向展开
尺度只提供一列单位,不保证任意函数都能按它展开。对尺度 ,函数 的首系数极限就不存在。Poincaré 渐近展开理路Poincaré 渐近展开Poincaré asymptotic expansion · Poincare asymptotic expansion · 渐近级数对每个固定的有限截断控制余项,而不要求把全部项在某个固定参数处相加收敛。进一步要求每个有限截断后的余项小于最后保留的尺度,并据此证明系数唯一。
自测时可以给 下的 排序,并逐一写出相邻比值。若改把 换成 ,最后两项还满足定义吗?不满足;它们的比值没有趋零。检查比值比凭外形判断更可靠。
参考资料
- F. W. J. Olver, Asymptotics and Special Functions, A K Peters, 1997 reprint, Chapter 1, asymptotic sequences and expansions。
- NIST Digital Library of Mathematical Functions, §2.1(v) Generalized Asymptotic Expansions,一般尺度的定义与参数一致性。