Padé approximants of exp(x)

We can organize and present the Padé  P(m,n)  approximants in a table like this:

 P(m,n)   0   1   2   3   ... 
 0   P(0,0)   P(1,0)   P(2,0)   P(3,0)   ... 
 1   P(0,1)   P(1,1)   P(2,1)   P(3,1)   ... 
 2   P(0,2)   P(1,2)   P(2,2)   P(3,2)   ... 
 3   P(0,3)   P(1,3)   P(2,3)   P(3,3)   ... 
 ...   ...   ...   ...   ...   ... 

The table above shows, in order, Padé’s first approximants. This is a way to present and organize the Padé approximants. We can use the procedure presented in the previous posts to compute the Padé approximants for the exponential function  \exp(x) . Solving systems presented in the previous posts, leads to the following table:

 P(m,n)   0   1   2   3   ... 
 0   1   1 + x   1 + x + \frac{x^2}{2}   1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6}   ... 
 1   \frac{1}{1 - x}   \frac{1 + \frac{1}{2}x}{1 - \frac{1}{2}x}   \frac{1 + \frac{2}{3}x + \frac{1}{6}x^2}{1 - \frac{1}{3}x}   \frac{1 + \frac{3}{4}x + \frac{1}{4}x^2 + \frac{1}{24}x^3}{1 - \frac{1}{4}x}   ... 
 2   \frac{1}{1 - x + \frac{1}{2}x^2}   \frac{1 + \frac{1}{3}x}{1 - \frac{2}{3}x + \frac{1}{6}x^2}   \frac{1 + \frac{1}{2}x + \frac{1}{12}x^2}{1 - \frac{1}{2}x + \frac{1}{12}x^2}   \frac{1 + \frac{3}{5}x + \frac{3}{20}x^2 + \frac{1}{60}x^3}{1 - \frac{2}{5}x + \frac{1}{20}x^2}   ... 
 3   \frac{1}{1 - x + \frac{1}{2}x^2 - \frac{1}{6}x^3}   \frac{1 + \frac{1}{4}x}{1 - \frac{3}{4}x + \frac{1}{4}x^2 - \frac{1}{24}x^3}   \frac{1 + \frac{2}{5}x + \frac{1}{20}x^2}{1 - \frac{3}{5}x + \frac{3}{20}x^2 - \frac{1}{60}x^3}   \frac{1 + \frac{1}{2}x + \frac{1}{10}x^2 + \frac{1}{120}x^3}{1 - \frac{1}{2}x + \frac{1}{10}x^2 - \frac{1}{120}x^3}   ... 
 ...   ...   ...   ...   ...   ... 

Setting x = 1, we obtain the following values:

 P(m,n)   0   1   2   3 
 0   1.000000   2.000000   2.500000   2.666667 
 1   3.000000   2.750000   2.722222 
 2   2.000000   2.666667   2.714286   2.717949 
 3   3.000000   2.727273   2.718750   2.718310 

The ‘relative error’ is defined as:

\displaystyle \text{Relative error} := \frac{\text{Approximation} - \text{Exact value}}{\text{Exact value}}

Relative errors of Padé approximants  P(m,n)  of  e^x  evaluated at x = 1, using the exact value  e \approx 2.718281  are shown in the table below:

 P(m,n)   0   1   2   3 
 0   -0.632121   -0.264241   -0.080301   -0.018988 
 1   0.103638   0.011662   0.001449 
 2   -0.264241   -0.018988   -0.001471   -0.000122 
 3   0.103638   0.003307   0.000172   0.000010 

The Padé approximants exhibit an alternating sign pattern in their relative errors. This indicates that the Padé approximants oscillate around the true value  e , approaching it from both sides. In contrast, the Taylor approximations converge monotonically from below.

Comments

Leave a comment