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輸入計算

運算式可使用 x、n、+ - * / ^ sqrt exp ln log sin cos tan pi e。例如 sqrt(x):b0=1、a_n=x-1、b_n=2。

數學公式

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結果

f(x)
2.23606797749979
converged at n = 40 (14 significant digits requested)
n 逐階收斂分數 f_n(x)
1 3
2 2
3 2.3333333333333335
4 2.2
5 2.25
6 2.230769230769231
7 2.238095238095238
8 2.235294117647059
9 2.2363636363636363
10 2.235955056179775
11 2.236111111111111
12 2.236051502145923
13 2.236074270557029
14 2.236065573770492
15 2.236068895643364
16 2.2360676268002506
17 2.236068111455108
18 2.236067926333413
19 2.2360679970436066
20 2.236067970034716
21 2.2360679803511943
22 2.23606797641065
23 2.236067977915804
24 2.2360679773408862
25 2.2360679775604853
26 2.236067977476606
27 2.236067977508645
28 2.236067977496407
29 2.2360679775010817
30 2.2360679774992964

這個計算器的功能

本工具用來計算廣義連分數,其形式為 \(f(x) = b_0 + \cfrac{a_1}{b_1 + \cfrac{a_2}{b_2 + \cfrac{a_3}{b_3 + \cdots}}}\)。它最大的特色在於:開頭項 \(b_0\)、第 \(n\) 個分子 \(a_n\) 以及第 \(n\) 個分母 \(b_n\),都是以數學運算式輸入的,並且可以同時依賴變數 \(x\) 與項次編號 \(n\)。計算器會代入你指定的 \(x\),依序產生 \(n = 1, 2, 3, \ldots\) 的各項,最後回報收斂值 \(f(x)\),並附上逐階收斂分數 \(f_n(x)\) 的表格。這是一個純粹的數值分析工具,普遍適用於任何情境——不涉及任何地區規定或單位換算。

使用方式

請輸入三個運算式以及一個 \(x\) 值。每個運算式都可以使用符號 \(x\) 與 \(n\)、運算子 + - * / ^(次方),以及函數 sqrt、exp、ln、log、sin、cos、tan,還有常數 pi 與 e。你可以選擇有效數字位數來控制結果的顯示方式(這只會影響收斂的容許誤差與顯示,不會改變底層的數學運算)。結果欄會顯示 \(f(x)\) 以及達到收斂時的項次 \(n\);下方表格則列出前幾階的收斂分數,讓你清楚看到數值如何逐步穩定下來。

公式說明

各階收斂分數由前向基本遞迴關係(forward fundamental recurrence)產生。起始值為 \(A_{-1} = 1\)、\(A_0 = b_0\)、\(B_{-1} = 0\)、\(B_0 = 1\),接著每一層都依下式更新:$$A_n = b_n A_{n-1} + a_n A_{n-2}$$ $$B_n = b_n B_{n-1} + a_n B_{n-2}$$ 而第 \(n\) 階收斂分數即為 \(f_n = A_n / B_n\)。當連續兩階收斂分數在所要求的精度下一致時,迭代即停止;若始終未收斂,最多計算到 1000 項為止。

含 b0、a1、b1、a2、b2 各項的廣義連分數巢狀階梯圖
廣義連分數 \(f(x) = b_0 + \cfrac{a_1}{b_1 + \cfrac{a_2}{b_2 + \cdots}}\) 的巢狀結構。

實例演練

以預設值 \(b_0 = 1\)、\(a_n = x - 1\)、\(b_n = 2\),並取 \(x = 5\) 為例。這正是 \(\sqrt{x}\) 的經典連分數展開:$$\sqrt{x} = 1 + \cfrac{x-1}{2 + \cfrac{x-1}{2 + \cdots}}$$ 當 \(x = 5\) 時,每個分子都是 4、每個分母都是 2。前幾階收斂分數為 \(f_1 = 3\)、\(f_2 = 2\)、\(f_3 = 2.3333\ldots\)、\(f_4 = 2.2\),逐步逼近 \(\sqrt{5} = 2.2360679774997896\)。其不動點 \(t = 2 + 4/t\) 的解為 \(t = 1 + \sqrt{5}\),因此 \(f = 1 + \cfrac{4}{1+\sqrt{5}} = \sqrt{5}\)。

連續收斂值振盪並收斂於水平極限線的折線圖
部分收斂值在極限上下來回曲折,逐漸逼近收斂值。

常見問題

\(a_n\) 與 \(b_n\) 可以依賴項次 \(n\) 嗎?可以。例如函數 \(x/(e^x - 1)\) 即可寫成 \(b_0 = 1 - x/2\)、\(a_n = x^2/4\)、\(b_n = 2n + 1\),其中 \(b_n\) 會隨 \(n\) 增大。

如果某個分母變成 0 怎麼辦?求值器會代入一個極小的 epsilon 讓計算繼續進行,做法仿照改良式 Lentz 法(modified Lentz method);若持續無法收斂,系統會提出警示。

為什麼到 1000 項就停止?那是安全上限。若到達該上限仍未收斂,計算器會回傳最後一階的收斂分數,並附上警告訊息。

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