Метод итераций
Правила ввода функции
- Примеры
≡ x^2/(1+x)
cos 2 (2x+π) ≡ (cos(2*x+pi))^2
≡ x+(x-1)^(2/3)
На рис.1а, 1б в окрестности корня |φ′(x)| 1, то процесс итерации может быть расходящимся (см. рис.2).
Достаточные условия сходимости метода итерации
Процесс нахождения нулей функции методом итераций состоит из следующих этапов:
- Получить шаблон с омощью этого сервиса.
- Уточнить интервалы в ячейках B2 , B3 .
- Копировать строки итераций до требуемой точности (столбец D ).
Примечание: столбец A — номер итерации, столбец B — корень уравнения X , столбец C — значение функции F(X) , столбец D — точность eps .
3.2.1. Метод простых итераций (метод последовательных приближений)
Метод реализует стратегию постепенного уточнения значения корня.
Постановка задачи. Дано нелинейное уравнение (3.1). Корень отделен x* Î [a;b]. Требуется уточнить корень с точностью ε.
Уравнение ( 3.1) преобразуем к эквивалентному виду x=φ(x), (3.7)
Что можно сделать всегда и притом множеством способов.
Выберем начальное приближение x0Î [a;b].
Вычислим новые приближения:
Xi=φ(xi-1) , i=1,2,… где i − номер итерации. (3.8)
Последовательное вычисление значений xi по формуле (3.8) называется итерационным процессом метода простых итераций, а сама формула — формулой итерационного процесса метода.
Если , то итерационный процесс Сходящийся .
Условие сходимости (3.9)
Точное решение x* получить невозможно, так как требуется Бесконечный Итерационный процесс.
Можно получить Приближенное Решение, прервав итерационный (3.8) при достижении условия
, (3.10)
Где ε — заданная точность; i — номер последней итерации.
В большинстве случаев условие завершения итерационного процесса (3.10) обеспечивает близость значения xi к точному решению:
Рассмотрим геометрическую иллюстрацию метода простых итераций.
Уравнение (3.7) представим на графике в виде двух функций: y1 = x и y2= φ(x).
Возможные случаи взаимного расположения графиков функций, и соответственно, видов итерационного процесса показаны на рис. 3.7 – 3.10.
Рис. 3.7 Итерационный процесс для случая 0 1 xÎ[a, b].
Рис. 3.10 Итерационный процесс для случая £ — 1 xÎ[a, b].
Из анализа графиков следует, что скорость сходимости растет при уменьшении значения
Метод достаточно прост, обобщается на системы уравнений, устойчив к погрешности округления (она не накапливается).
При разработке алгоритма решения нелинейного уравнения методом простых итераций следует предусмотреть защиту итерационного процесса от зацикливания: использовать в качестве дополнительного условия завершения итерационного процесса превышение заданного максимального числа итераций.
Рис 3.11. Алгоритм решения нелинейного уравнения методом
простых итераций:
Основной проблемой применения метода является обеспечение сходимости итерационного процесса: нужно найти такое эквивалентное преобразование (3.1) в (3.7), чтобы обеспечивалось условие сходимости (3.9) .
Простейшие эквивалентные преобразования, например:
F(x) = 0 => x+f(x) = x, т. е. φ(x) = x + f(x)
Или выразить явно x из (3.1)
F(x) = 0 => x — φ(x) = 0 => x = φ(x)
Не гарантируют сходимость.
Рекомендуется следующий способ получения формулы Сходящегося итерационного процесса.
Пусть .
Если это не так, переписать уравнение (3.1) в виде
Умножить обе части уравнения на и к обеим частям прибавить x:
Константу l вычислить по формуле:
(3.11)
Такое значение λ гарантирует сходящийся итерационный процесс по формуле
Xi = xi+1− λ f(x) (3.12)
Где i=1,2,… — номер итерации, x0Î[a, b] – начальное приближение.
Методом простых итераций уточнить корень уравнения x3=1-2 x с точностью ε=0,001. Корень отделен ранее (см. пример 3.1), x* Î [0;1].
Сначала нужно получить формулу сходящегося итерационного процесса.
Из уравнения выразим явно x:
Проверим условия сходимости для полученной формулы:
, ,
для x Î (0;1].
Условие сходимости не соблюдается, полученная формула не позволит уточнить корень.
Воспользуемся описанным выше способом получения формулы итерационного процесса (формулы 3.11, 3.12).
, , для всех x Î [0;1].
Наибольшее значение принимает при x = 1, т. е.
Следовательно .
Формула Сходящегося итерационного процесса
Уточним корень с помощью данной формулы.
Выберем начальное приближение на [0;1], например x0=0,5 (середина отрезка).
Вычислим первое приближение
Проверим условие завершения итерационного процесса
Расчет следует продолжить.
X6 = 0,453917 − ответ, т. к.
Проверим полученное значение, подставив в исходное уравнение:
Значение f(x) близко к 0 с точностью, близкой к ε, следовательно, корень уточнен правильно.
Численные методы решения нелинейных уравнений
В этом разделе приведены примеры решенных задач по теме нахождения корней нелинейных уравнений численными методами. На первом этапе обычно происходит локализация (отделение) корней (графически или аналитически), на втором — уточнение (поиск) корней разными методами: Ньютона, Стеффенсена, секущих, хорд, касательных, простой итерации.
Примеры приближенных решений нелинейных уравнений онлайн
Задача 1. Методом бисекции найти решение нелинейного уравнения на отрезке $[a;b]$ с точностью $\varepsilon = 10^<-2>$. Выбрав полученное решение в качестве начального приближения, найти решение уравнения методом простой итерации с точностью $\varepsilon=10^<-4>$. Для метода простой итерации обосновать сходимость и оценить достаточное для достижения заданной точности число итераций.
Задача 2. Отделить корни нелинейного уравнения аналитически $2 arcctg x -x+3=0$.
Задача 3. Отделить корни нелинейного уравнения аналитически и уточнить один из них методом проб с точностью до 0,01. $$3x^4-8x^3-18x^2+2=0.$$
Задача 4. Отделить корни нелинейного уравнения графически (например, в среде EXCEL) уточнить один из них методом проб с точностью до 0,01. $$x^2-20 \sin x =0.$$
Задача 5. Отделите корни уравнения графически и уточните один из них методом хорд с точностью до 0,001. Уточните один из корней этого уравнения методом касательных с точностью до 0,001. $$ \sqrt
Задача 6.Отделить корни уравнения графически и уточнить один из них методом итераций с точностью до 0,001. $$\sqrt
Задача 7. На отрезке $[0;2]$ методом Ньютона найти корень уравнения $-x^3-2x^2-4x+10=0$ с точностью 0,01.
Задача 8. Методом хорд найти отрицательный корень уравнения $x^3-2x^2-4x+7=0$ с точностью 0,0001. Требуется предварительное построение графика функции и отделение корней.
Задача 9. Решить нелинейные уравнения с точностью до 0.001. $$1)\, x^3-12x-5=0\, (x \gt 0), \, 2)\, \tan x -1/x=0. $$
http://matica.org.ua/metodichki-i-knigi-po-matematike/vychislitelnaia-matematika/3-2-1-metod-prostykh-iteratcii-metod-posledovatelnykh-priblizhenii
http://www.matburo.ru/ex_cm.php?p1=cmnu