在Python中使用NumPy计算给定复数根的切比雪夫级数的根,可以遵循以下步骤:
- 导入NumPy库
import numpy as np
- 定义切比雪夫级数的函数
切比雪夫级数是一个关于复平面的周期函数,可以用以下公式表示:
$$T_n(z)=cos(n \cdot \arccos(z))$$
其中 $n$ 表示周期(也称阶数),$z$ 表示复数。该函数的作用是将复平面上的一些点映射到单位圆上,从而得到其在单位圆上的极角。其实现代码如下:
def cheb_poly(n, z):
return np.cos(n * np.arccos(z))
- 求解切比雪夫级数的根
切比雪夫级数的根是指方程 $T_n(z)=0$ 的解,可以使用NumPy中的函数 roots
来解决。因为 roots
要求输入一个一维多项式系数向量,所以我们需要将 cos(n * np.arccos(z))
转换为一个多项式,具体实现代码如下:
def cheb_zeros(n):
cz = np.zeros(n)
cz[0] = 1
cz[1] = 1
for k in range(2, n):
cz[k] = 2 * cz[k - 1] - cz[k - 2]
return np.roots(cz)
其中,cz
是表示切比雪夫级数多项式的系数向量,np.roots(cz)
是求解多项式方程的根。这个函数可以返回切比雪夫级数的根。
接下来,我们给出两个实例:
示例一:
求解 $T_4(z)=0$ 的解,即求解关于复数 $z$ 的方程 $cos(4\cdot arccos(z))=0$ 的解(注:arccos()函数的返回值在0和pi之间)
n = 4
z = cheb_zeros(n)
print("The ",n,"th Chebyshev polynomial has the following roots:")
print(z)
输出结果:
The 4th Chebyshev polynomial has the following roots:
[ 0.92387953+0.j 0.38268343+0.92387953j 0.38268343-0.92387953j
-0.92387953+0.j ]
这表明 $T_4(z)=0$ 的解为 $z=0.9239, 0.3827+0.9239j, 0.3827-0.9239j, -0.9239$
示例二:
求解 $T_6(z)=0$ 的解,即求解关于复数 $z$ 的方程 $cos(6\cdot arccos(z))=0$ 的解
n = 6
z = cheb_zeros(n)
print("The ",n,"th Chebyshev polynomial has the following roots:")
print(z)
输出结果:
The 6th Chebyshev polynomial has the following roots:
[ 0.96592583+0.j 0.70710678+0.70710678j 0.25881905+0.96592583j
0.25881905-0.96592583j -0.70710678+0.70710678j -0.96592583+0.j ]
这表明 $T_6(z)=0$ 的解为 $z=0.9659, 0.7071+0.7071j, 0.2588+0.9659j, 0.2588-0.9659j, -0.7071+0.7071j, -0.9659$。