什麼是第一類切比雪夫多項式?
第一類切比雪夫多項式(Chebyshev polynomials of the first kind),通常記作 T_n(x),是一族正交多項式,在數值分析、逼近理論、訊號處理以及數位濾波器設計等領域都扮演重要角色。本計算器會依據您指定的階數 n、起始 x 值、步長與列數,在選定的 x 範圍上建立一張 T_n(x) 的數值表。這是一個純數學工具,全球通用,不受任何地區性規則影響。
使用方法
請輸入階數 n(非負整數,例如 0、1、2、3……)。接著設定 x 的起始值(標準定義域為 -1 到 1,不過遞迴公式對任意實數 x 都成立)。再選擇每一列遞增的步長,以及要產生的列數。預設掃描值為 initialX = -1、step = 0.02、rows = 101,會讓 x 從 -1.00 一路走到 +1.00(含端點)。
計算公式
本工具採用穩定可靠的三項遞迴關係式:
T_0(x) = 1、T_1(x) = x,且當 k ≥ 2 時,T_k(x) = 2x · T_{k-1}(x) - T_{k-2}(x)。
等價地,在區間 -1 ≤ x ≤ 1 上,可以用三角函數形式表示:T_n(x) = cos(n · arccos x)。前幾個明確的多項式為 T_2(x) = 2x² - 1、T_3(x) = 4x³ - 3x,以及 T_4(x) = 8x⁴ - 8x² + 1。在 [-1, 1] 區間內,其值恆滿足 |T_n(x)| ≤ 1;一旦超出這個範圍,數值會迅速增大。
實例演算
當 n = 3 時,多項式為 T_3(x) = 4x³ - 3x。在 x = -1 時:4(-1) - 3(-1) = -1;在 x = -0.5 時:4(-0.125) + 1.5 = 1;在 x = 0 時:0;在 x = 0.5 時:0.5 - 1.5 = -1;在 x = 1 時:4 - 3 = 1。因此,當 initialX = -1、step = 0.5、rows = 5 時,得到的數值序列為 -1、1、0、-1、1。
常見問題
n 可以是 0 嗎?可以。T_0(x) = 1 對任何 x 都成立,所以每一列都會顯示 1。
x 可以超出 [-1, 1] 嗎?可以——遞迴公式仍會算出正確(但可能很大)的數值;只有三角函數形式才限制在 |x| ≤ 1。
如果步長設為 0 會怎樣?每一列都會重複相同的 x 值,這是允許的,但會產生一張數值全部相同的表。