什么是第一类切比雪夫多项式?
第一类切比雪夫多项式记作 T_n(x),是一族正交多项式,在数值分析、逼近论、信号处理以及数字滤波器设计中应用极为广泛。本计算器可在你指定的 x 区间上生成 T_n(x) 的数值表(同时勾勒出函数曲线的走势),只需给定阶数 n、起始 x 值、步长以及行数即可。它是一款纯数学工具,全球通用,不涉及任何地区性规则。
如何使用
填入阶数 n(非负整数,例如 0、1、2、3……);设置 x 的起始值(标准定义域为 -1 到 1,但递推公式对任意实数 x 同样成立);再选择每一行 x 递增的步长,以及要生成的行数。默认参数为起始 x = -1、步长 = 0.02、行数 = 101,会让 x 从 -1.00 一直走到 +1.00(含端点)。
计算公式
这里采用稳健的三项递推关系:
T_0(x) = 1,T_1(x) = x,当 k ≥ 2 时 T_k(x) = 2x · T_{k-1}(x) - T_{k-2}(x)。
等价地,在区间 -1 ≤ x ≤ 1 上还有三角函数形式 T_n(x) = cos(n · arccos x)。前几个具体的多项式为:T_2(x) = 2x² - 1,T_3(x) = 4x³ - 3x,T_4(x) = 8x⁴ - 8x² + 1。在 [-1, 1] 上,函数值始终满足 |T_n(x)| ≤ 1;一旦超出这一区间,数值便会迅速增大。
实例演算
取 n = 3,则多项式为 T_3(x) = 4x³ - 3x。当 x = -1:4(-1) - 3(-1) = -1;当 x = -0.5:4(-0.125) + 1.5 = 1;当 x = 0:0;当 x = 0.5:0.5 - 1.5 = -1;当 x = 1:4 - 3 = 1。因此,参数为起始 x = -1、步长 = 0.5、行数 = 5 的数值表会得到序列:-1、1、0、-1、1。
常见问题
n 可以取 0 吗?可以。对任意 x 都有 T_0(x) = 1,所以表中每一行都显示 1。
x 能超出 [-1, 1] 吗?可以——递推公式照样能算出正确的结果(数值可能很大);只有三角函数形式才被限制在 |x| ≤ 1 之内。
步长设为 0 会怎样?每一行都会重复同一个 x 值,这是允许的,只不过会得到一张数值恒定的表格。