3 административно правовой статус муниципальных служащих. Курсовая работа: Правовой статус муниципального служащего в Российской Федерации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат на тему: «Решение нелинейных уравнений

методом простых итераций»

Выполнил:. Бубеев Б.М.

Проверил: Ширапов Д.Ш.

Введение

Нелинейные уравнения можно разделить на 2 класса - алгебраические и трансцендентные. Алгебраическими уравнениями называют уравнения, содержащие только алгебраические функции (целые, рациональные, иррациональные). В частности, многочлен является целой алгебраической функцией. Уравнения, содержащие другие функции (тригонометрические, показательные, логарифмические и другие) называются трансцендентными.

Методы решения нелинейных уравнений делятся на две группы:

точные методы ;

итерационные методы .

Точные методы позволяют записать корни в виде некоторого конечного соотношения (формулы). Из школьного курса алгебры известны такие методы для решения тригонометрических, логарифмических, показательных, а также простейших алгебраических уравнений.

Как известно, многие уравнения и системы уравнений не имеют аналитических решений. В первую очередь это относится к большинству трансцендентных уравнений. Доказано также, что нельзя построить формулу, по которой можно было бы решить произвольное алгебраическое уравнение степени выше четвертой. Кроме того, в некоторых случаях уравнение содержит коэффициенты, известные лишь приблизительно, и, следовательно, сама задача о точном определении корней уравнения теряет смысл. Для их решения используются итерационные методы с заданной степенью точности.

Пусть дано уравнение

Функция f (x ) непрерывна на отрезке [a, b ] вместе со своими производными 1-го и 2-го порядка.

Значения f (x ) на концах отрезка имеют разные знаки (f (a )  f (b ) < 0).

Первая и вторая производные f" (x ) и f"" (x ) сохраняют определенный знак на всем отрезке.

Условия 1) и 2) гарантируют, что на интервале [a, b ] находится хотя бы один корень, а из 3) следует, что f (x ) на данном интервале монотонна и поэтому корень будет единственным.

Решить уравнение (1) итерационным методом значит установить, имеет ли оно корни, сколько корней и найти значения корней с нужной точностью.

Всякое значение , обращающее функцию f (x ) в нуль, т.е. такое, что:

называется корнем уравнения (1) или нулем функции f (x ).

Задача нахождения корня уравнения f (x ) = 0 итерационным методом состоит из двух этапов:

отделение корней - отыскание приближенного значения корня или содержащего его отрезка;

уточнение приближенных корней - доведение их до заданной степени точности.

Процесс отделения корней начинается с установления знаков функции f (x ) в граничных x = a и x = b точках области ее существования.

Пример 1 . Отделить корни уравнения:

Следовательно, уравнение (2) имеет три действительных корня, лежащих в интервалах [-3, -1], и .

Приближенные значения корней (начальные приближения ) могут быть также известны из физического смысла задачи, из решения аналогичной задачи при других исходных данных, или могут быть найдены графическим способом.

В инженерной практике распространен графический способ определения приближенных корней.

Принимая во внимание, что действительные корни уравнения (1) - это точки пересечения графика функции f (x ) с осью абсцисс, достаточно построить график функции f (x ) и отметить точки пересечения f (x ) с осью Ох, или отметить на оси Ох отрезки, содержащие по одному корню. Построение графиков часто удается сильно упростить, заменив уравнение (1) равносильным ему уравнением:

где функции f 1 (x ) и f 2 (x ) - более простые, чем функция f (x ). Тогда, построив графики функций у = f 1 (x ) и у = f 2 (x ), искомые корни получим как абсциссы точек пересечения этих графиков.

Рисунок 2.

Пример 2 . Графически отделить корни уравнения (Рисунок 2):

x lg x = 1.

Уравнение (4) удобно переписать в виде равенства:

Отсюда ясно, что корни уравнения (4) могут быть найдены как абсциссы точек пересечения логарифмической кривой y = lg x и гиперболы y = . Построив эти кривые, приближенно найдем единственный корень уравнения (4) или определим его содержащий отрезок .

Итерационный процесс состоит в последовательном уточнении начального приближения х 0 . Каждый такой шаг называется итерацией . В результате итераций находится последовательность приближенных значений корня х 1 , х 2 , ..., х n . Если эти значения с увеличением числа итераций n приближаются к истинному значению корня, то говорят, что итерационный процесс сходится .

Метод простой итерации

Для использования метода итерации исходное нелинейное уравнение f (х ) = 0 заменяется равносильным уравнением

Геометрически метод итерации может быть пояснен следующим образом. Построим на плоскости хОу графики функций у = х и у =  (х ). Каждый действительный корень уравнения (8) является абсциссой точки пересечения М кривой у =  (х ) с прямой у = х (Рисунок 6, а ).

Рисунок 6.

Отправляясь от некоторой точки А 0 [x 0 ,  (x 0)], строим ломаную А 0 В 1 А 1 В 2 А 2 ... (“лестница”), звенья которой попеременно параллельны оси Ох и оси Оу , вершины А 0 , А 1 , А 2 , ... лежат на кривой у=  (х ), а вершины В 1 , В 2 , В 3 , …, - на прямой у = х. Общие абсциссы точек А 1 и В 1 , А 2 и В 2 , ..., очевидно, представляют собой соответственно последовательные приближения х 1 , х 2 , ... корня .

Возможен также другой вид ломаной А 0 В 1 А 1 В 2 А 2 ... - “спираль” (Рисунок 6, б ). Решение в виде “лестницы” получается, если производная " (х ) положительна, а решение в виде “спирали”, если " (х ) отрицательна.

На Рисунке 6, а, б кривая у =  (х ) в окрестности корня - пологая, то есть <1, и процесс итерации сходится. Однако, если рассмотреть случай, где >1, то процесс итерации может быть расходящимся (Рисунок 7).

Рисунок 7.

Поэтому для практического применения метода итерации нужно выяснить достаточные условия сходимости итерационного процесса.

Теорема: Пусть функция  (х ) определена и дифференцируема на отрезке [a, b ], причем все ее значения  (х ) [a , b ].

Тогда, если существует правильная дробь q такая, что

при a < x < b, то: 1) процесс итерации

сходится независимо от начального значени я х 0  [a , b ];

2) предельное значение является единственным корнем уравнения х =  (х ) на отрезке [a, b ].

Пример 5 . Уравнение

f (x ) x 3 - x - 1 = 0

имеет корень , так как f (1) = - 1 < 0 и f (2) = 5 > 0.

Уравнение (10) можно записать в виде

х = х 3 - 1.

 (х ) = х 3 - 1 и " (х ) = 3х 2 ;

" (х ) 3 при 1 х 2

и, следовательно, условия сходимости процесса итерации не выполнены.

Если записать уравнение (10) в виде

то будем иметь:

.

Отсюда при 1 х 2 и значит, процесс итерации для уравнения (12) быстро сойдется. уравнений методом деления отрезка пополам... в памяти в форме простых переменных. Результат этой... итерация ) типа Real; d – дискриминант типа Real; x1 –первый корень уравнения , найденный методом решения квадратных уравнений ...

Метод Ньютона для решения нелинейных уравнений

Курсовая работа >> Информатика

... методов решения нелинейных уравнений Существует много различных методов решения нелинейных уравнений , некоторые из них представлены ниже: 1)Метод итераций . При решении нелинейного уравнения методом итераций ... формулу метода простой итерации xk+1=g(...

Решение нелинейных уравнений методом интераций

Контрольная работа >> Информатика

Описывающая правила вычисления коней нелинейного уравнения методом итераций , а также блок-схема метода . 2 Практическая реализация: ... вычисление корней уравнения методом итераций 2.4 Вычислительный эксперимент – сравнение результатов программы с решением в...

где функция f (x ) определена и непрерывна на конечном или бесконечном интервале x (a , b ) .

Всякое значение

ξ ,

обращающее

функцию f (x )

называется корнем

уравнения

функции f (x ) .

Число ξ

называется корнем k-й кратности,

если при x = ξ вместе с функцией

f (x)

равны нулю и ее производные до порядка (k-1) включительно:

(k − 1)

Однократный корень называется простым . Два уравнения называются равносильными (эквивалентными), если множества их решений совпадают.

Нелинейные уравнения с одной переменной подразделяются на алгебраические (функция f (x ) является алгебраической) и трансцендентные в противном случае. Уже на примере алгебраического многочлена известно, что нули f (x ) могут быть как действительными, так и комплексными. Поэтому более точная постановка задачи состоит в нахождении корней уравнения (6.1), расположенных в заданной области комплексной плоскости. Можно рассматривать также задачу нахождения действительных корней, расположенных на заданном отрезке. Иногда, пренебрегая точностью формулировок, просто говорят, что требуется решить уравнение (6.1). Большинство алгебраических и трансцендентных нелинейных уравнений аналитически (т.е. точно) не решается, поэтому на практике для нахождения корней используются численные методы. В связи с этим под решением уравнения (6.1) будем понимать задачу приближенного нахождения корней

уравнения вида (6.1). При этом под близостью приближенного значения x к корню ξ уравнения, как правило, понимают выполнение неравенства

| ξ − x | < ε при малых ε > 0 ,

т.е. абсолютную погрешность приближенного равенства x ≈ ξ .

Используют также и относительную погрешность, т.е. величину | ξ − x | .

Нелинейная функция f (x ) в своей области определения может иметь конечное или бесконечное количество нулей или может не иметь их вовсе.

Численное решение нелинейного уравнения (6.1) заключается в нахождении с заданной точностью значений всех или некоторых корней уравнения и распадается на несколько подзадач:

во-первых, надо исследовать количество и характер корней (вещественные или комплексные, простые или кратные),

во-вторых, определить их приближенное расположение, т.е. значения начала и конца отрезка, на котором лежит только один корень,

в-третьих, выбрать интересующие нас корни и вычислить их с требуемой точностью.

Большинство методов нахождения корней требует знания промежутков, где заведомо имеется и притом единственный нуль функции. В связи с этим вторая задача называется отделением корней . Решив ее, по сути дела, находят приближенные значения корней с погрешностью, не превосходящей длины отрезка, содержащего корень.

6.1. Отделение корней нелинейного уравнения

Для функций общего вида нет универсальных способов решения задачи отделения корней. Отметим два простых приема отделения действительных корней уравнения – табличный и графический .

Первый прием состоит в вычислении таблицы значений функции в заданных точках x i , расположенных на условно небольшом расстоянии h одна от другой и использовании следующих теорем математического анализа:

1. Если функция y=f(x) непрерывна на отрезке [а,b] и f(a)f(b)<0, то внутри отрезка существует по крайней мере один корень уравнения f(x)=0.

2. Если функция y=f(x) непрерывна на отрезке [а,b], f(a)f(b) < 0 и f′(x) на интервале (a,b) сохраняет знак, то внутри отрезка существует единственный корень уравнения f(x)=0.

Выполнив вычисление значений функции в этих точках (или только определив знаки f (x i ) ), сравнивают их в соседних точках, т.е. проверяют, не

выполняется ли на отрезке [ x i − 1 , x i ] условие f (x i − 1 ) f (x i ) ≤ 0 . Таким образом, если при некотором i числа f (x i − 1 ) и f (x i ) имеют разные знаки, то это означает, что на интервале (x i − 1 , x i ) уравнение имеет по крайней мере

один действительный корень нечетной кратности (точнее - нечетное число корней). Выявить по таблице корень четной кратности очень сложно. Если заранее известно количество корней в исследуемой области, то, измельчая шаг поиска h , таким процессом можно либо их локализовать, либо довести

процесс до состояния, позволяющего утверждать наличие пар корней, не различимых с точностью h = ε . Это хорошо известный способ перебора.

По таблице можно построить график функции y = f (x ) . Корнями

уравнения (6.1) являются те значения х , при которых график функции пересекает ось абсцисс. Этот способ более нагляден и даёт неплохие приближённые значения корней. Построение графика функции даже с малой точностью обычно дает представление о расположении и характере корней уравнения (иногда позволяет выявить даже корни четной кратности). Во многих задачах техники такая точность уже достаточна.

Если построение графика функции y = f (x ) вызывает затруднение, следует преобразовать исходное уравнение к виду ϕ 1 (x ) = ϕ 2 (x ) таким образом, чтобы графики функций y = ϕ 1 (x ) и y = ϕ 2 (x ) были достаточно

просты. Абсциссы точек пересечения этих графиков и будут корнями уравнения.

Пример: Отделить корни уравнения x 2 − sin x − 1 = 0 .
Представим уравнение в виде:	x 2 − 1= sin x						и построим графики
				2 −		y = sin x
Совместное				рассмотрение					графиков
позволяет сделать заключение, что данное
уравнение									ξ 1 [− 1,0] и

ξ 2 .

Допустим, что искомый корень уравнения отделен, т.е. найден отрезок , на котором имеется только один корень уравнения. Для вычисления корня с требуемой точностью ε обычно применяют какую-либо итерационную процедуру уточнения корня, строящую числовую последовательность значений x n , сходящуюся к искомому корню уравнения.

Начальное приближение x 0 выбирают на отрезке , продолжают

вычисления, пока не выполнится неравенство x n − 1 − x n < ε , и считают, что x n – есть корень уравнения, найденный с заданной точностью. Имеется

множество различных методов построения таких последовательностей и выбор алгоритма – весьма важный момент при практическом решении задачи. Немалую роль при этом играют такие свойства метода, как простота, надежность, экономичность, важнейшей характеристикой является его скорость сходимости.

Последовательность x

Сходящаяся

к пределу

x * ,

скорость

сходимости порядка α , если при n → ∞

− x *

− x *

n + 1

α =1 сходимость называется линейной, при 1<α <2 – сверхлинейной, при α =2 – квадратичной. С ростом α алгоритм, как правило, усложняется и условия сходимости становятся более жесткими.

Приближённые значения корней уточняют различными итерационными методами. Рассмотрим наиболее эффективные из них.

6.2. Метод половинного деления (бисекции, дихотомии)

Пусть функция f (x ) определена и непрерывна при всех x [ a , b ] и на меняет знак, т.е. f (a ) f (b ) < 0 . Тогда согласно теореме 1 уравнение имеет на (a , b ) хотя бы один корень. Возьмем произвольную точку c (a , b ) . Будем называть в этом случае отрезок промежутком

существования, корня, а точку c - пробной точкой. Поскольку речь здесь идет лишь о вещественных функциях вещественной переменной, то

вычисление значения f (c ) приведет к какой-либо одной из следующих

взаимоисключающих ситуаций:

А) f (a ) f (c ) < 0 Б) f (c ) f (b ) < 0 В) f (c ) = 0

Если f (c ) = 0 , то корень уравнения найден. В противном случае из двух частей отрезка [ a , c ] или [ c , b ] выберем ту, на концах которой функция имеет разные знаки, так как один из корней лежит на этой половине.

Затем повторяем процесс для выбранного отрезка.
								называют
					дихотомии. Наиболее употребительным
								метода дихотомии
		c(a1 )			является	метод половинного			деления,
					реализующий		самый простой способ
			b(b1 )
					выбора пробной точки – деление
					промежутка		существования
Рис. 6.1. Метод дихотомии

За один шаг метода половинного деления промежуток существования корня сокращается ровно вдвое. Поэтому, если за k -е приближение к корню ξ уравнения примем точку x k , являющуюся серединой полученного на k -м шаге отрезка [ a k , b k ] , полагая a 0 = a , b 0 = b , то придем к неравенству

ξ−	k < b − a

которое, с одной стороны, позволяет утверждать, что последовательность (x k ) имеет предел – искомый корень ξ уравнения (6.1), с другой стороны, является априорной оценкой абсолютной погрешности равенства x k ≈ ξ , что дает возможность подсчитать число шагов (итераций) метода половинного деления, достаточное для получения корня ξ с заданной точностью ε .Для

чего нужно лишь найти наименьшее натуральное k удовлетворяющее неравенству

b 2 − k a < ε .

Проще говоря, если требуется найти корень с точностью ε , то продолжаем деление пополам до тех пор, пока длина отрезка не станет меньше 2ε . Тогда середина последнего отрезка даст значения корня с требуемой точностью.

Дихотомия проста и очень надёжна: к простому корню она сходится для любых непрерывных функций f (x ) , в том числе недифференцируемых;

при этом она устойчива к ошибкам округления. Скорость сходимости невелика: за одну итерацию точность увеличивается примерно вдвое, т.е. уточнение трёх цифр требует 10 итераций. Зато точность ответа гарантируется.

К основным недостаткам метода дихотомии можно отнести следующие.

1. Для начала расчёта необходимо найти отрезок, на котором функция изменяет знак. Если в этом отрезке несколько корней, то заранее неизвестно, к какому из них сойдётся процесс (хотя к одному из них обязательно сойдётся).

2. Метод неприменим к корням чётной кратности.

3. Для корней нечётной высокой кратности он сходится, но менее точен и менее устойчив к ошибкам округления, возникающим при вычислении значений функции.

Дихотомия применяется тогда, когда требуется высокая надёжность счёта, а скорость сходимости малосущественна.

Один из недостатков дихотомии – сходимость неизвестно к какому корню – характерен почти для всех итерационных методов. Его можно устранить удалением уже найденного корня.

Если x 1 есть простой корень уравнения и f (x ) липшиц-непрерывна, то вспомогательная функция g (x ) = f (x ) /(x − x 1 ) непрерывна, причём все нули функций f(x) и g(x) совпадают, за исключением x 1 , так как g (x 1 ) ≠ 0. Если x 1 - кратный корень уравнения, то он будет нулём g(x) кратности на единицу

меньше; остальные нули обеих функций по-прежнему будут одинаковы. Поэтому найденный корень можно удалить, т.е. перейти к функции

g(x) . Тогда отыскание остальных нулей				f (x ) сведётся к отысканию нулей
g(x) . Когда мы найдём какой-нибудь					x 2 функции g(x) ,
корень тоже можно	удалить, вводя				вспомогательную функцию
ϕ (x ) = g (x ) /(x − x 2 ).			последовательно			найти все
уравнения.
При использовании описанной процедуры необходимо учитывать
следующую тонкость. Строго говоря,				мы находим		лишь приближённое
значение корня x ≈ x .	А функция g (x )		F (x ) /(x − x 1 ) имеет нуль в точке x 1 и
полюс в близкой к ней точке
		x 1 (рис. 6.2); только на некотором расстоянии от

этого корня она близка к g(x ) . Чтобы это не сказывалось при нахождении следующих корней, нужно вычислять каждый корень с высокой точностью, особенно если он кратный или вблизи него расположен другой корень уравнения.

					g(x)	Кроме того, в любом методе
		g(x)				окончательные			итерации
						определяемого
		g(x)				выполнять не по функциям типа g(x) , а
			g(x)
						по исходной функции f (x ) . Последние
						итерации,		вычисленные
						g(x) , используются при этом в качестве
	Рис. 6.2. Иллюстрация возникновения
						нулевого		приближения.			Особенно
	погрешности в окрестности корня					важно это при отыскании многих
						корней, так как чем больше корней
							вспомогательной
					соответствуют остальным нулям функции						f (x) .
	G (x ) = f (x ) / ∏ (x − x i
		Учитывая эти предосторожности и вычисляя корни с 8 – 10 верными
	десятичными цифрами, зачастую можно определить десятка два корней, о
	расположении которых заранее ничего не известно (в том числе корней
	высокой кратности р 5).

6.3. Метод хорд

Логично предположить, что в семействе методов дихотомии можно достичь несколько лучших результатов, если отрезок делить точкой c не пополам, а пропорционально величинам ординат f (a ) и f (b ) .

Это означает, что точку c есть смысл находить, как абсциссу точки пересечения

оси Ох с прямой, проходящей через точки A (a , f (a )) и B (b , f (b )) , иначе, с хордой

дуги графика функции f (x ) . Такой способ

выбора пробной точки, называют методом хорд или методом линейной интерполяции .

Запишем уравнение прямой проходящей через точки А и В :

			y− f (a)		x− a
			f (b) − f (a)		b− a
и, полагая y = 0, находим:
	f (a)(b− a)
c = a − f (b) − f (a)

Метод хорд подобно алгоритму метода бисекции строит последовательность вложенных отрезков [а n ,b n ], но в качестве x n берется точка пересечения хорды с осью абсцисс :

	n+ 1				f (an )		− a
					f (bn ) − f (an )

Длина промежутка локализации корня при этом может не стремится к нулю, поэтому обычно счет ведется до совпадения значений двух очередных приближений с точностью ε . Метод сходится линейно, но близость двух очередных приближений не всегда означает, что корень найден с требуемой точностью. Поэтому, если 0 < m ≤ | f ′ (x )| ≤ M , x [ a , b ] ,

M − m

Более надежным практическим критерием окончания итераций в методе хорд является выполнение неравенства

				− x	n− 1			< ε.
		2 x n− 1 − x n − x n− 2
6.4. Метод простой итерации
Заменим уравнение f (x ) = 0 эквивалентным ему уравнением
				x = ϕ (x ) .

сходилась к корню данного уравнения

знакопостоянная функция. Выберем некоторое нулевое приближение х 0 и вычислим дальнейшие приближения по формулам

x k + 1 = ϕ (x k ) , k = 0,1,2,..

Эти формулы определяют одношаговый общий итерационный метод, называемым методом простых итераций . Попытаемся понять, каким

требованиям должна удовлетворять функция ϕ (x ) , чтобы последовательность (x k ) , определяемая (6.7) была сходящаяся, и как

построить функцию ϕ (x ) по функции f (x ) , чтобы эта последовательность

f (x) = 0 .

Пусть ϕ (x ) - непрерывная на некотором отрезке [ a , b ] функция. Если определяемая формулой (6.7) последовательность (x k ) сходится к

некоторому числу ξ , т.е. ξ = lim x k , то, переходя к пределу в равенстве

k →∞

(6.7), получаем ξ = ϕ (ξ ) . Это равенство означает, что ξ - корень

уравнения (6.6) и эквивалентного ему исходного уравнения.

Нахождение корня уравнения (6.6) называется задачей о неподвижной точке. Существование и единственность этого корня основывается на принципе сжимающих отображений.

Определение: Непрерывная функция ϕ (x ) называется сжимающей на отрезке [ a , b ] если:

1) ϕ (x ) , x

2) q (0,1) : |ϕ (x 2 )− ϕ (x 1 )|≤ q |x 2 − x 1 |, x 1 ,x 2 .

Второе условие для дифференцируемой на [ a , b ] функции равносильно выполнению неравенства ϕ " (x ) ≤ q < 1 на этом отрезке.

Метод простых итераций имеет простую геометрическую интерпретацию: нахождение корня уравнения f(x)=0 равносильно обнаружению неподвижной точки функции x= ϕ (x) , т.е. точки пересечения

графиков функций y= ϕ (x) и y=x . Метод простой итерации не всегда обеспечивает сходимость к корню уравнения. Достаточным условием сходимости этого метода является выполнение неравенства ϕ " (x ) ≤ q < 1 на

Проиллюстрируем (рис. 6.4) геометрически поведение сходящейся итерационной последовательности (x k ) , не отмечая значения ϕ (x k ) , а

отражая их на ось абсцисс с помощью биссектрисы координатного угла

y= x .

Рис.6.4 Сходимость метода простой итерации при ϕ " (x ) ≤ q < 1 .

Как видно из рис. 6.4, если производная ϕ ′ (x ) < 0 , то последовательные приближения колеблются около корня, если же производная ϕ ′ (x ) > 0 , то

последовательные приближения сходятся к корню монотонно. Справедлива следующая теорема о неподвижной точке.

Теорема: Пусть ϕ (x ) определена и дифференцируема на [ a , b ] . Тогда, если выполняются условия:

1) ϕ
	(x )	x [ a, b]

x (a, b)

2) q : |ϕ (x )|≤ q < 1

3) 0

x [ a, b]

то уравнение x = ϕ (x ) имеет на [ a , b ] единственный корень ξ и к этому

корню сходится определяемая методом простых итераций

последовательность (x k ) , начинающаяся с x 0 [ a , b ] .

При этом справедливы следующие оценки погрешности:

k − 1

|ξ − x |≤ 1 − q |x

−x

ξ − x k

1 − q

x 1 − x 0

если ϕ (x ) > 0

ξ − x k

− x k − 1

если ϕ (x ) < 0

Вблизи корня итерации сходятся примерно как геометрическая прогрессия со

				x k − x k − 1
	знаменателем					Метод имеет линейную скорость
				x k − 1 − x k − 2
	сходимости. Очевидно, что чем меньше						q (0,1)	Тем быстрее сходимость.
		образом, успех						от того, насколько удачно

выбрано ϕ (x ) .

Например, для извлечения квадратного корня, т.е. для решения

уравненияx 2 = a , можно положить ϕ (x ) = a / x

или ϕ

(x ) = 1/ 2

и соответственно написать такие итерационные процессы:

x k + 1 =

x k + 1

	Первый процесс вообще не сходится, а второй сходится при любом х 0 > 0 и
	сходится очень быстро, так как ϕ "(ξ ) = 0					Второй процесс используется при
	извлечении корня в "запаянных" командах микрокалькуляторов.
	Пример 1: Найти методом итерации с точностью ε =								10− 4 наименьший
	корень уравнения
					f (x )= x 3 + 3x 2 − 1= 0 .
	Решение : Отделяем корни:
		−4	−3	−2	− 1 0
	f (x)

Очевидно, уравнение имеет три корня, расположенные на отрезках [ − 3; − 2] , [− 1;0] и . Наименьший находится на отрезке [ − 3; − 2] .

Т.к. на этом отрезке x 2 ≠ 0 , разделим уравнение на x 2 . Получим:

x +3 −

= 0 => x =

−3

x2

x2

|ϕ

−2 x

−3

1 , т.е.

q=

(x )|=

−3 ≤ x ≤ −2

−3 ≤ x ≤ −2

Пусть x 0

=− 2.5 , тогда δ

= max[− 3− x 0 ;− 2 − x 0 ] = 0.5

x = ϕ (− 2.5) =

−3

=− 2.84 [− 3,− 2]

обозначим

Проверим выполнение условия теоремы:

ϕ (x )= x 2 − 3

(− 2.5)2

|ϕ (x 0)− x 0|= 0.34< (1− q )

0 −

1 −

(x )

q n ≤ ε =>

2 10

=> n ≥ 6

1− q

3 4n

xn

ϕ (x n )=

−3

x2

− 2.50000

− 2.84000

− 2.84000

− 2.87602

− 2.87602

− 2.87910

− 2.87910

− 2.87936

− 2.87936

− 2.87938

− 2.87938

− 2.87938

Замечание: Для нахождения двух других корней исходного уравнения методом простой итерации уже нельзя пользоваться формулой: x = x 1 2 − 3 ,

−2 x

−3

=−∞,

−2 x

−3

max | ϕ (x )| =

−1 ≤ x ≤ 0

−1 ≤ x ≤ 0

−1 ≤x ≤0

Условие сходимости на этих отрезках не выполнено.

Метод релаксации - один из вариантов метода простой итерации, в котором

ϕ (x) = x − τ f (x) ,

т.е. равносильное уравнение имеет вид:

x = x − τ f (x) .

Приближения к корню вычисляются по формулам
xn + 1 = xn − τ f (xn ),
Если f (x ) < 0 , то рассматривают уравнение − f (x ) = 0 .

функции f (x ) . Пусть

0 ≤α ≤ f ′(x ) ≤γ <∞

Параметр τ подбирается таким, чтобы производная ϕ ′ (x ) = 1 − τ f ′ (x ) в нужной области была малой по модулю.

1 − τ γ ≤ ϕ′ (x ) ≤ 1 − λα

и значит,

|ϕ ′ (x )|≤ q (τ ) = max{|1− τα |,|1− τγ |}

Математика как наука возникла в связи с необходимостью решения практических задач: измерений на местности, навигации и т.д. Вследствие этого математика была численной математикой и ее целью было получение решения в виде числа. Численное решение прикладных задач всегда интересовало математиков. Крупнейшие представители прошлого сочетали в своих исследованиях изучение явлений природы, получение их математического описания, т.е. его математической модели и его исследование. Анализ усложненных моделей потребовал создания специальных, обычно численных методов решения задач. Названия некоторых таких методов свидетельствуют о том, что их разработкой занимались крупнейшие ученые своего времени. Это методы Ньютона, Эйлера, Лобачевского, Гаусса, Чебышева, Эрмита.

Настоящее время характерно резким расширением приложений математики, во многом связанным с созданием и развитием средств вычислительной техники. В результате появления ЭВМ менее чем за 40 лет скорость выполнения операций возросла от 0,1 операции в секунду при ручном счете до 10 операций в секунду на современных ЭВМ.

Распространенное мнение о всемогуществе современных ЭВМ порождает впечатление, что математики избавились от всех хлопот, связанных с численным решением задач, и разработка новых методов для их решения уже не столь существенна. В действительности дело обстоит иначе, поскольку потребности эволюции ставят, как правило, перед наукой задачи, находящиеся на грани ее возможностей. Расширение возможностей приложения математики обусловило математизацию различных разделов науки: химии, экономики, биологии, геологии, географии, психологии, медицины, техники и др.

Можно выделить два обстоятельства, которые первоначально обусловили стремление к математизации наук:

во-первых, только применение математических методов позволяет придать количественный характер исследованию того или иного явления материального мира;

во-вторых, и это главное, только математический способ мышления делает объекта. Такой метод исследования называют вычислительным экспериментом исследование в полной мере объективным.

В последнее время появился еще фактор, оказывающий сильное воздействие на процессы математизации знаний. Это быстрое развитие средств вычислительной техники. Применение ЭВМ для решения научных, инженерных и вообще прикладных задач целиком базируется на их математизации.

Математические модели.

Современная технология исследования сложных проблем основана на построении и анализе, обычно с помощью ЭВМ, математических моделей изучаемого. Обычно вычислительный эксперимент, как мы уже видели, состоит из ряда этапов: постановка задачи, построение математической модели (математическая формулировка задачи), разработка численного метода разработка алгоритма реализации численного метода, разработка программы, отладка программы, проведение расчетов, анализ результатов.

Итак, применение ЭВМ для решения любой научной или инженерной задачи неизбежно связано с переходом от реального процесса или явления к его математической модели. Таким образом, применение моделей в научных исследованиях и инженерной практике есть искусство математического моделирования.

Моделью обычно называют представляемую или материально реализуемую систему, воспроизводящую основные наиболее существенные черты данного явления.

Основные требования, предъявляемые к математической модели - адекватность рассматриваемому явлению, т.е. оно должно достаточно отражать характерные черты явления. Вместе с тем она должна обладать сравнительной простотой и доступностью исследования.

Математическая модель отражает зависимость между условиями протекания изучаемого явления и его результатами в тех или иных математических конструкциях. Чаще всего в качестве таких конструкций используются следующие математические понятия: функция, функционал, оператор, числовое уравнение, обыкновенное дифференциальное уравнение, дифференциальное уравнение в частных производных.

Математические модели можно классифицировать по разным признакам: статические и динамические, сосредоточенные и распределенные; детерминированные и вероятностные.

Рассмотрим задачу нахождения корней нелинейного уравнения

Корнями уравнения (1) называются такие значения х, которые при подстановке обращают его в тождество. Только для простейших уравнений удается найти решение в виде формул, т.е. аналитическом виде. Чаще приходится решать уравнения приближенными методами, наибольшее распространение среди которых, в связи с появлением компьютеров, получили численные методы.

Алгоритм нахождения корней приближенными методами можно разбить на два этапа. На первом изучается расположение корней и проводится их разделение. Находится область , в которой существует корень уравнения или начальное приближение к корню x 0 . Простейший способ решения этой задачи является исследование графика функции f(x) . В общем же случае для её решения необходимо привлекать все средства математического анализа.

Существование на найденном отрезке , по крайней мере, одного корня уравнения (1) следует из условия Больцано:

f(a)*f(b)<0 (2)

При этом подразумевается, что функция f(x) непрерывна на данном отрезке. Однако данное условие не отвечает на вопрос о количестве корней уравнения на заданном отрезке . Если же требование непрерывности функции дополнить ещё требованием её монотонности, а это следует из знакопостоянства первой производной, то можно утверждать о существовании единственного корня на заданном отрезке.

При локализации корней важно так же знание основных свойств данного типа уравнения. К примеру, напомним, некоторые свойства алгебраических уравнений:

где вещественные коэффициенты.

• а) Уравнение степени n имеет n корней, среди которых могут быть как вещественные, так и комплексные. Комплексные корни образуют комплексно-сопряженные пары и, следовательно, уравнение имеет четное число таких корней. При нечетном значении n имеется, по меньшей мере, один вещественный корень.
• б) Число положительных вещественных корней меньше или равно числа переменных знаков в последовательности коэффициентов. Замена х на -х в уравнении (3) позволяет таким же способом оценить число отрицательных корней.

На втором этапе решения уравнения (1), используя полученное начальное приближение, строится итерационный процесс, позволяющий уточнять значение корня с некоторой, наперед заданной точностью. Итерационный процесс состоит в последовательном уточнении начального приближения. Каждый такой шаг называется итерацией. В результате процесса итерации находится последовательность приближенных значений корней уравнения. Если эта последовательность с ростом n приближается к истинному значению корня x , то итерационный процесс сходится. Говорят, что итерационный процесс сходится, по меньшей мере, с порядком m, если выполнено условие:

где С>0 некоторая константа. Если m=1 , то говорят о сходимости первого порядка; m=2 - о квадратичной, m=3 - о кубической сходимостях.

Итерационные циклы заканчиваются, если при заданной допустимой погрешности выполняются критерии по абсолютным или относительным отклонениям:

или малости невязки:

Эта работа посвящена изучению алгоритма решения нелинейных уравнений с помощью метода Ньютона.

Существует много различных методов решения нелинейных уравнений, некоторые из них представлены ниже:

• 1)Метод итераций . При решении нелинейного уравнения методом итераций воспользуемся записью уравнения в виде x=f(x). Задаются начальное значение аргумента x 0 и точность е. Первое приближение решения x 1 находим из выражения x 1 =f(x 0), второе - x 2 =f(x 1) и т.д. В общем случае i+1 приближение найдем по формуле xi+1 =f(xi). Указанную процедуру повторяем пока |f(xi)|>е. Условие сходимости метода итераций |f"(x)|
• 2)Метод Ньютона . При решении нелинейного уравнения методом Ньтона задаются начальное значение аргумента x 0 и точность е. Затем в точке(x 0 ,F(x 0)) проводим касательную к графику F(x) и определяем точку пересечения касательной с осью абсцисс x 1 . В точке (x 1 ,F(x 1)) снова строим касательную, находим следующее приближение искомого решения x 2 и т.д. Указанную процедуру повторяем пока |F(xi)| > е. Для определения точки пересечения (i+1) касательной с осью абсцисс воспользуемся следующей формулой

x i+1 =x i -F(x i) F"(x i).

Условие сходимости метода касательных F(x 0) F""(x)>0, и др.

3). Метод дихотомии. Методика решения сводится к постепенному делению начального интервала неопределённости пополам по формуле

С к =а к +в к /2.

Для того чтобы выбрать из двух получившихся отрезков необходимый, надо находить значение функции на концах получившихся отрезков и рассматривать тот на котором функция будет менять свой знак, то есть должно выполняться условие f (а к)* f (в к)<0.

Процесс деления отрезка проводится до тех пор, пока длина текущего интервала неопределённости не будет меньше заданной точности, то есть в к - а к < E. Тогда в качестве приближенного решения уравнения будет точка, соответствующая середине интервала неопределённости.

4). Метод хорд . Идея метода состоит в том, что на отрезке строится хорда стягивающая концы дуги графика функции y=f(x), а точка c, пересечения хорды с осью абсцисс, считается приближенным значением корня

c = a - (f(a)Ч (a-b)) / (f(a) - f(b)),

c = b - (f(b)Ч (a-b)) / (f(a) - f(b)).

Следующее приближение ищется на интервале или в зависимости от знаков значений функции в точках a,b,c

x* О , если f(с)Ч f(а) > 0 ;

x* О , если f(c)Ч f(b) < 0 .

Если f"(x) не меняет знак на , то обозначая c=x 1 и считая начальным приближением a или b получим итерационные формулы метода хорд с закрепленной правой или левой точкой.

x 0 =a, x i+1 = x i - f(x i)(b-x i) / (f(b)-f(x i), при f "(x)Ч f "(x) > 0 ;

x 0 =b, x i+1 = x i - f(x i)(x i -a) / (f(x i)-f(a), при f "(x)Ч f "(x) < 0 .

Сходимость метода хорд линейная

Алгебраические и трансцендентные уравнения. Методы локализации корней.

Наиболее общий вид нелинейного уравнения:

f(x) =0 (2.1)

где функция f(x) определена и непрерывна на конечном или бесконечном интервале [а, b].

Определение 2.1. Всякое число, обращающее функцию f(x) в нуль, называется корнем уравнения (2.1).

Определение 2.2. Число, называется корнем k-ой кратности, если при вместе с функцией f(x) равны нулю ее производные до (к-1)-го порядка включительно:

Определение 2.3. Однократный корень называется простым.

Нелинейные уравнения с одной переменной подразделяются на алгебраические и трансцендентные.

Определение 2.4 . Уравнение (2.1) называется алгебраическим, если функция F(x) является алгебраической.

Путем алгебраических преобразований из всякого алгебраического уравнения можно получить уравнение в канонической форме:

где -- действительные коэффициенты уравнения, х -- неизвестное.

Из алгебры известно, что всякое алгебраическое уравнение имеет, по крайней мере, один вещественный или два комплексно сопряженных корня.

Определение 2.5. Уравнение (2.1) называется трансцендентным, если функция F(x) не является алгебраической.

Решить уравнение (2.1) означает:

• 1. Установить имеет ли уравнение корни.
• 2. Определить число корней уравнения.
• 3. Найти значения корней уравнения с заданной точностью.

Встречающиеся на практике уравнения часто не удается решить аналитическими методами. Для решения таких уравнений используются численные методы.

Алгоритм нахождения корня уравнения с помощью численного метода состоит из двух этапов:

• 1) отделение или локализация корня, т.е. установление промежутка , в котором содержится один корень:
• 2) уточнение значения корня методом последовательных приближений.

Методы локализации корней. Теоретической основой алгоритма отделения корней служит теорема Коши о промежуточных значениях непрерывной функции.

Теорема 2.1. Если функция у = f(х) непрерывна на отрезке [а,b] и f(а)=А, f(b)=В, то для любой точки С, лежащей между А и В, существует точка, что.

Следствие. Если функция у = f(х) непрерывна на отрезке [а,b ] и на его концах принимает значения разных знаков, то на этом отрезке существует хотя бы один корень уравнения f(х) = 0.

Пусть область определения и непрерывности функции является конечным отрезком [а,b] . Разделим отрезок на n частей: ,

Вычисляя последовательно значения функции в точках находим такие отрезки, для которых выполняется условие:

т.е. , или, . Эти отрезки и содержит хотя бы по одному корню.

Теорема 2.2. Если функция у = f(х) непрерывна на отрезке [а;b ], f(а)f(b)<0 и f`(х) на интервале (а;b) сохраняет знак, то внутри отрезка [а;b] существует единственный корень уравнения f(х) = 0.

Для отделения корней можно использовать также график функции у = f(х). Корнями уравнения (2.1) являются те значения х, при которых график функции y=f(х) пересекает ось абсцисс. Построение графика функции даже с малой точностью обычно дает представление о расположении корней уравнения (2.1). Если построение графика функции у=f(x) вызывает затруднение, то исходное уравнение (2.1) следует преобразовать к виду ц1(х) = ц2(х) таким образом, чтобы графики функций у = ц1(х) и у = ц2(х) были достаточно просты. Абсциссы точек пересечения этих графиков и будут корнями уравнения (2.1).

Пример 1. Отделить корни уравнения x 2 -2cosx=0.

Решение. Рассмотрим два способа отделения корней.

• а) Графический способ. Перепишем уравнение в виде x 2 =2cosx и построим график функций y=x 2 и y=2cosx в одной и той же системе координат (рисунок 5). так как эти графики пересекаются в двух точках, уравнение имеет два корня, расположенные симметрично относительно начала координат на интервалах (-/2; 0) и (0; /2).
• б) Аналитический способ. Пусть f(x)= x 2 -2cosx. Так как f(x) четная функция, то достаточно рассмотреть только неотрицательные значения x. В силу неравенства 2cosx2

Производная f"(x) =2(x+sinx). На интервале (0; /2) f"(x) >0 , следовательно, f(x) здесь монотонно возрастает и ее график может пересечь ось х не более, чем в одной точке. Заметим, что f(0)=- 2<0, а f(/2)=(/2) 2 >0. Значит, уравнение имеет один положительный корень, лежащий на интервале (0; /2). В силу четности функции уравнение имеет также один отрицательный корень, симметричный положительному. Теперь перейдем к уточнению корня. Для применения комбинированного метода уточнения корня необходимо убедится, что f ""(x) на (0; /2) сохраняет знак, и выбрать начальное приближение корня для применения метода касательных. Оно должно удовлетворять условию: f(x)f ""(x) >0. Так как f ""(x) =2(1+cosx) положительна на , то за начальное приближение корня в методе касательных может быть взято /2. Следовательно, можно положить x =/21,570796, x 1 =0 (см схему алгоритма). В нашем случае метод хорд будет давать приближенное значение корня с недостатком, а метод касательных - с избытком.

Рассмотрим один итерационный шаг уточнения корня. Вычислим значения f(0), f(/2), f"(/2). Новые значения x 1 и x найдем соответственно по формулам:

|x-x 1 |=0,387680,4>10 -4 =.

Заданная точность не достигнута, и вычисления нужно продолжить.

Номер итерации	x 1		f(x 1 )			|x- x 1 |

Следовательно, приближенное значение корня с нужной точностью найдено в результате трех итераций и приближенно равно 1,0217.

В силу симметрии графика функции f(x) значение второго корня приближенно равно -1,0217.

Уточнение корня.

Постановка задачи . Допустим, что искомый корень уравнения (2.1) отделен, т.е. найден отрезок [а; b], на котором имеется один и только один корень уравнения. Любую точку этого отрезка можно принять за приближенное значение корня. Погрешность такого приближения не превосходит длины [а; b]. Следовательно, задача отыскания приближенного значения корня с заданной точностью сводится к нахождению отрезка [а; b] (b- a <), содержащего только один корень уравнения (2.1). Эту задачу обычно называют задачей уточнения корня.

Описание численных методов. Численные методы позволяют найти решения определенных задач, заранее зная, что полученные результаты будут вычислены с определенной погрешностью, поэтому для многих численных методов необходимо заранее знать «уровень точности», которому будет соответствовать полученное решение.

В этой связи задача нахождения корней многочлена вида (3.1)

представляет особый интерес, т.к. формулы нахождения корней даже кубического уравнения достаточно сложны. Если необходимо отыскать корни многочлена, степень которого равна, например, 5 - то без помощи численных методов не обойтись, тем более, что вероятность наличия у такого многочлена натуральных (или целых, или точных корней с «короткой» дробной частью) довольно мала, а формул для нахождения корней уравнения степени, превышающей 4, не существует. Де-факто все дальнейшие операции будут сводиться лишь к уточнению корней , интервалы которых приблизительно известны заранее. Проще всего эти «приблизительные» корни находить, используя графические методы.

Для нахождения корней многочлена существует несколько численных методов: метод итераций, метод хорд и касательных, метод половинного деления, метод секущих.

Метод бисекций (известный еще и как «метод деления отрезка пополам») также является рекурсивным, т.е. предусматривает повторение с учетом полученных результатов.

Суть метода половинного деления заключается в следующем:

• - дана функция F(x);
• - определена допустимая погрешность Q;
• - определен некоторый интервал [ a , b ], точно содержащий решение уравнения.

1) Вычисляем значение координаты Е, беря середину отрезка , т.е.

Е= (a + b) / 2 (3.2)

• 2) Вычисляем значения F(a), F(b), F(E), и осуществляем следующую проверку: Если F(E)>Q, то корень с указанной точностью найден. Если F(E)
• 3) Переходим к пункту 1.

Метод простых итераций (метод последовательных приближений). Заменим уравнение (2.1) эквивалентным ему уравнением

x=(x) (3.3)

можно сделать различными способами, например

х=х+сf(x), c0. (3.4)

Предположим, что выбрано некоторое начальное приближение корня уравнения (3.3). Определим числовую последовательность по формулам

х n+1 =(x n ), n=0,1,2,… (3.5)

Такую последовательность называют итерационной.

Если на отрезке , содержащем х 0 и все последующие приближения х n , nN, функция (x) имеет непрерывную производную "(x) и |"(x)|q<1, то итерационная последовательность (3.5) сходится к единственному на корню уравнения (3.3). Скорость сходимости определяется неравенством

Из этого неравенства, в частности, следует, что скорость сходимости метода простой итерации зависит от величины q: чем меньше q, тем быстрее сходимость.

Следовательно, на практике при нахождении корней методом простой итерации желательно представить уравнение (2.1) в форме (3.3) таким образом, чтобы производная "(x) в окрестности корня по абсолютной величине была, возможно, меньше. Для этого иногда пользуются параметром с из формулы (3.4).

Метод Ньютона (метод касательных). Если известно достаточно хорошее начальное приближение, для которого выполняется неравенство:

то можно вычислить единственный корень уравнения, используя формулу Ньютона

В качестве начального приближения можно использовать границы интервала, причем:

Если на.

На каждой итерации, данного метода, объем вычислений больше чем в методах биссекций и итераций, поскольку приходится находить не только значение функции, но и ее производной. Однако скорость сходимости метода Ньютона значительно выше.

Теорема. Пусть -корень уравнения, т.е. , а и непрерывна. Тогда существует окрестность корня такая, что если начальное приближение принадлежит этой окрестности, то для метода Ньютона последовательность значений сходится к при. Погрешность -го приближения корня можно оценить по формуле:

где - наибольшее значение модуля второй производной на отрезке, - наименьшее значение модуля первой производной на отрезке.

Правило останова:

Метод хорд и касательных (комбинированный). Данный метод основан на построении схематического графика функции, определении интервалов его пересечения с осью абсцисс и последующим «сжатием» этого интервала при помощи строимых хорд и касательных к графику этой функции.

Надо отметить, что существуют также отдельно метод хорд (дает значение корня с недостатком) и метод касательных (с избытком). Однако преимущество комбинированного метода заключается в «двустороннем сжатии» рассматриваемого отрезка.

Рассмотрим следующий случай:

• - дана функция F(x) и построен ее график;
• - определена допустимая погрешность Q
• - на основании графика определен отрезок , на котором график функции пересекает ось абсцисс, следовательно, на этом отрезке существует корень рассматриваемого многочлена (обозначим его через A)

Дальнейший алгоритм сводится к следующим действиям:

• 1) строим касательную к графику функции в точке F(b)
• 2) вычисляем координату х пересечения касательной с осью абсцисс по формуле (3.9) и обозначаем ее через b"
• 3) строим к графику функции хорду, проходящую через точки F(a) и F(b).
• 4) Вычисляем точку пересечения хорды с осью абсцисс по формуле (2) и обозначаем ее через a".

Таким образом мы получаем новый отрезок , который (по определениям хорды и касательной) по прежнему содержит решение уравнения A.

Теперь принимаем отрезок за новый отрезок и повторяем шаги 1-4 до тех пор, пока разность F(b)-F(a) не станет меньше первоначально заложенной погрешности Q. Отметим также, что после этого рекомендуется в качестве искомого решения взять среднее арифметическое F(a) и F(b).

Таким образом, если хорда (касательная) дает значение корня с избытком, то этот корень берется в качестве новой правой границы, а если с недостатком - то левой. В обоих случаях точный корень лежит между точками пересечения хорды и касательной с осью абсцисс.

Замечание к методу хорд и касательных. Так как для решения поставленной задачи требуется отыскание производной функции F(x), метод хорд и касательных достаточно трудно реализуем на программном уровне, т.к. правила вычисления производных в общем виде довольно громоздки для «понимания» ЭВМ; при непосредственном указании производной для каждой степени многочлена память компьютера серьезно загружается, что очень замедляет работу, а задание функции и, соответственно, ее производной непосредственно в программном коде - недопустимо. Однако, используя данный метод, сходимость интервала к корню происходит наиболее быстро, особенно если совместить метод хорд и касательных с методом бисекции, т.к. середина нового отрезка зачастую дает вполне удовлетворительное решение.

Метод секущих. Метод секущих может быть получен из метода Ньютона при замене производной приближенным выражением - разностной формулой:

В формуле (3.8) используются два предыдущих приближения и. Поэтому при заданном начальном значении необходимо вычислить следующее приближение, например, методом Ньютона с приближенной заменой производной по формуле

Алгоритм метода секущих:

1) заданы начальное значение и погрешность. Вычислим

2) для n = 1,2, ….. пока выполняется условие, вычисляем по формуле (3.8).