Нелинейное уравнение с одной пространственной переменной

Решение нелинейных уравнений с одной переменной

Раздел 2. Численные методы

Тема 1. Решение нелинейных уравнений с одной переменной

При решении ряда задач физики, механики и техники возникает необходимость решения уравнений с одной переменной. В общем случае нелинейное уравнение можно записать в виде: F(x)=0, где функция F(x) определена и непрерывна на промежутке . Корнем уравнения F(x)=0, является такое число c из области определения функции y=F(x), для которого справедливо равенство F(c)=0.

Поскольку подавляющее большинство нелинейных уравнений не решается путем аналитических преобразований (точными методами), на практике их решают численными методами. Решить такое уравнение численными методами значит установить, имеет ли оно корни, сколько корней, и найти все его корни с заданной точностью.

Задача численного решения уравнений состоит из двух этапов:

1. Отделение корней, т. е. нахождение достаточно малых окрестностей рассматриваемой области, в которых содержится единственный корень.

2. Уточнение корней, т. е. вычисление корней с заданной степенью точности в некоторой окрестности.

Во многих случаях отделение корней можно произвести графически. Для этого необходимо построить график функции y=F(x) и найти достаточно малые отрезки, содержащие по одной точке пересечения графика с осью ОХ. Иногда построение значительно упрощается, если функцию y=F(x) представить в виде f₁ (x)=f₂ (x) и найти отрезки оси ОХ, содержащие координаты х точек пересечения.

Отделение корней можно также произвести с помощью соответствующей компьютерной программы.

Пусть имеется уравнение F(x)=0, причем все интересующие вычислителя корни находятся на отрезке [A, B], на котором функция определена и непрерывна. Требуется отделить корни уравнения, т.е. найти отрезки [a, b] [A, B], содержащие по одному корню. Очевидно, что если на отрезке [a, b] функция меняет знак, то на этом отрезке находится, по крайней мере, один корень уравнения F(x)=0. Если длина отрезка [a, b] очень мала и F(a)*F(b) 0

Выбирая в каждом случае тот из отрезков, на котором функция меняет знак, и продолжая процесс половинного деления дальше, можно дойти до сколь угодно малого отрезка, содержащего корень уравнения.

Данный метод позволяет находить корни уравнения с заданной точностью е. Действительно, если на каком-то этапе процесса деления получен отрезок [a’, b’], содержащий корень, то приняв x≈(a’+b’)/2, мы найдем корень с точностью е (b’-a’)/2.

1.4. Уточнение корней методом итерации

Заменим уравнение F(x)=0 равносильным уравнением x=f(x). Пусть x* — искомый корень уравнения, а x₀ – полученное каким-либо способом грубо приближенное значение корня. Подставим x₀ в правую часть уравнения x=f(x), получим x₁ =f(x₀ ). Продолжая процесс подстановки, получим последовательность чисел: x₂ =f(x₁ ), x₃ =f(x₂ ),…, x_n =f(x_n-1 ). Такая последовательность называется последовательностью приближений или итерационной последовательностью.

Достаточное условие сходимости итерационного процесса

Пусть на отрезке [ a, b] уравнение x= f( x) имеет единственный корень и выполняются условия:

2. [ a, b] для всех х из [ a, b];

3. Существует такое действительное число q, что , для всех х из [ a, b];

Тогда итерационная последовательность x_n = f( x_n-1 ) сходится при любом начальном значении x₀ [ a, b].

Это условие не является необходимым, т.е. итерационная последовательность может сходиться и в том случае, если условия теоремы не выполняются.

Оценка погрешности метода итерации

Пусть , тогда или . Это значит, что процесс итерации надо продолжать до тех пор, пока модуль разности двух соседних приближений не станет меньше .

1.5. Уточнение корней методом хорд

Пусть уравнение F(x)=0 имеет единственный корень на отрезке [a, b]. Если отрезок [a, b] достаточно мал, то можно считать, что функция y=F(x) монотонна на этом отрезке и не меняет направление выпуклости. Значит на отрезке [a, b] нет точек максимума и минимума, т.е. . Т.к. направление выпуклости не меняется то и . Получаем четыре вида графиков, которые объединяются в два типа.

I. тип. Условие: , где x- любая точка [a, b].

В рассмотренном выше случае для кривых I-го типа, правым концом всех проведенных хорд была точка В. Если, кривая относится ко II-му типу, то неизменным концом хорд будет точка А. Значит в формуле (1) b поменяется на а. Формула будет иметь вид:

Если на n-ом шаге , то считается, что необходимая точность е достигнута.

1.6. Уточнение корней методом касательных

При уточнении корней методом касательных все функции делятся на два типа, как и в методе хорд. Рассмотрим кривую I-го типа.

Проведем касательную к графику функции в точке В. Она пересечет ось ОХ в точке х_1. Через эту точку проведем прямую перпендикулярную оси ОХ до пересечения с графиком функции. Получим точку А₁ . Через неё опять проведем касательную. Получим точку х₂ . Продолжая этот процесс, получим последовательность х₁ , х₂ , х₃ , …,х_n, сходящуюся к х * .

Уравнение касательной к графику функции F(x)=0 в точке х=b имеет вид . Т.к. эта касательная пересекает ось ОХ в точке (х₁ , 0), то . Значит

Если, кривая относится ко II-му типу, то первую касательную к графику функции надо проводить в точке А и

Дальнейший расчет значений х₂ , х₃ , …,х_n не зависит от типа кривой и в обоих случаях вычисляется по формуле

Если на n-ом шаге , то считается, что необходимая точность е достигнута.

1.7. Уточнение корней комбинированным методом хорд и касательных

Методы хорд и касательных дают приближение корня с разных сторон. Поэтому их часто применяют в сочетании друг с другом. В этом случае процесс уточнения корня идет быстрее.

Метод реализуется по следующей схеме:

1. По методу хорд находят первое приближение корня .

2. По методу касательных находят . Если кривая относится к I-му типу, то . Если ко II-му типу, то .

3. По методу хорд .

4. По методу касательных .

Шаги 3 и 4 повторяются до тех пор, пока . Как только можно считать корень найденным .

Лабораторная работа №1. Решение нелинейных уравнений с одной переменной.

1. Сделать программу отделения корней уравнения F(x)=0 на [a, b] с шагом 0,5.

2. Сделать программы уточнения корней уравнения F(x)=0 на одном из отрезков, полученных в первой программе с точностью 0,001.

a) Методом половинного деления;

a) Методом итерации;

c) Методом касательных;

d) Комбинированным методом хорд и касательных.

Численное решение нелинейных уравнений с одной переменной

Учащимся 10-11 классов

доцент кафедры информатики и информационных технологий ГОУ ВПО ДВГГУ

Численное решение нелинейных уравнений с одной переменной

При решении задач прикладного характера в разнообразных разделах физики, механики, техники и других областях возникает необходимость решения нелинейных уравнений с одной переменной. При этом многие уравнения не имеют аналитических решений. Это относится к большинству трансцендентных уравнений. Также доказано, что нельзя построить формулу, по которой можно было бы решить произвольное алгебраические уравнение выше четвертой степени.

Уравнение будем называть линейным[1], алгебраическим или трансцендентным в зависимости от того, имеет ли оно одно решение, n решений или неопределенное число решений.

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

Методы решения нелинейных уравнений делятся на две группы:

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.

Если алгебраическое или трансцендентное уравнение достаточно сложное, то его корни сравнительно редко удается найти точно. Поэтому большое значение приобретают способы приближенного нахождения корней уравнения и оценки степени их точности. Если точно определить корни уравнения не представляется возможным, для их решения используют численные итерационные (iteration — повторение) методы с заданной степенью точности.

Далее будут рассмотрены несколько численных методов и приведены алгоритмы нахождения корней уравнений.

В общем случае нелинейное уравнение можно записать в виде:

(1)

где функция F(x) — определена и непрерывна на некотором конечном или бесконечном интервале

(2)

где функции f(x) и g(x) также определены и непрерывны на интервале .

Всякое число обращающее уравнения (1) или (2) в верные числовые равенства называется корнем этого уравнения.

Корни уравнения могут быть действительными и комплексными. В дальнейшем будет идти речь только о вычислении действительных корней.

Решить уравнение численно значит:

1) установить имеет ли оно действительные корни;

2) отделить эти корни (то есть на числовой оси найти достаточно тесные промежутки, называемые интервалами изоляции корня[3], содержащие только один корень данного уравнения);

3) уточнить отделенные корни, т. е. найти значения корней с заданной степенью точности .

Последнее означает следующее.

Пусть x* — точный корень уравнения и x* , то есть x* . Если , тогда числа и могут рассматриваться как приближенные значения корня x* соответственно с недостатком и с избытком с точностью до , так как и .

Любое число, содержащееся между и , можно принять за приближенное значение корня x* с точностью до .

Графические методы решения уравнений[4]

Пусть дано уравнение F (х) = 0. Построим график функции F (х). Абсциссы точек пересечения графика с осью Ох и являются корнями уравнения.

Иногда для графического решения уравнения удобнее записать его в виде и построить графики функций: и Абсциссы точек пересечения этих графиков и являются корнями уравнения F (х) = 0 (рис. 1).

Однако этот метод позволяет получить лишь грубо приближенные значения корней уравнения. Для получения значений корней с большей точностью применяются численные методы. Однако, графи­ческий метод очень удобен, так как он позволяет найти корни с точностью, достаточной для решения многих практических задач, а также достаточно нагляден, прост и доступен.

Численные методы решения уравнений

Наиболее распространенными на практике численными методами решения уравнения (1) являются: метод половинного деления, метод хорд, метод касательных, метод простой итерации и т. д.[5]

Процесс численного решения уравнений разбивается на три этапа:

1. Отделение корней уравнения. Этот процесс можно сделать как графически, так и аналитически. Важно найти такие отрезки, которые бы содержали по одному корню уравнения (1).

2. Выбор метода решения и преобразование уравнения к виду, удобному для применения данного метода.

3. Уточнение корней с заданной точностью при помощи выбранного численного метода.

Говорят, что корень x* уравнения отделен на отрезке , если он содержится в данном отрезке, и если на этом отрезке других корней нет.

Провести полное отделение всех корней уравнения – значит разбить всю область допустимых значений на интервалы (или на отрезки), в каждом из которых содержится ровно по одному корню (или не содержится ни одного корня).

Отделение корней обычно начинают проводить графически. Для этого строят графики функций, получают интервалы, в которых на­ходятся корни уравнения. Это предположение затем проверяют ана­литически, пользуясь следующим свойством непрерывной функции F(x): если функция непрерывна на интервале и на его концах имеет разные знаки (), то между точками a и b имеется хотя бы один корень уравнения .

При этом корней может оказаться и несколько, как показано на рис. 2. Рис.2

Для того, чтобы на интервале существовал только один корень, должно выполняться следующее свойство: если функция непрерывна и монотонна на отрезке и принимает на концах отрезка значения разных знаков, то внутри отрезка содержится корень уравнения и этот корень единственный (рис. 3, а, b).

Пример 1: Отделить графически положительные корни уравнения

Решение: Найдем приближенные значения корней уравнения графически. Для этого удобно представить уравнение в следующем виде: e0,3x = 2 sin(2x).

Решением данного уравнения будет являться абсцисса x точки пересечения графиков следующих функций:

На рисунке видно, что графики функций y1(x) и y2(x) пересекаются в двух точках A и B, абсциссы которых положительны и лежат соответственно в промежутках и. Следовательно, уравнение имеет два положительных корня x1 и x2, которые лежат в промежутках и.

Примечание: Графики функций можно строить с помощью компьютера, например, в электронных таблицах Excel или в свободно распространяемой системе компьютерной математики Scilab.[7]

Пример 2: Отделить аналитически корни уравнения

Решение: Для аналитического отделения корней найдем производную функции

Производная этой функции

ни в одной точке не обращается в нуль, т. к. D = 36 -4*3*11 0, следовательно, функция f везде возрастает, и уравнение (4) может иметь один корень.

[3] Методы определения интервала изоляции корня основаны на следующем свойстве: если непрерывная функция f(x) на интервале [a, b] поменяла знак, т. е. f(a)*f(b)

Справочник по нелинейным уравнениям математической физики, Точные решения, Полянин А.Д., Зайцев В.Ф., 2002

К сожалению, на данный момент у нас невозможно бесплатно скачать полный вариант книги.

Но вы можете попробовать скачать полный вариант, купив у наших партнеров электронную книгу здесь, если она у них есть наличии в данный момент.

Также можно купить бумажную версию книги здесь.

Справочник по нелинейным уравнениям математической физики, Точные решения, Полянин А.Д., Зайцев В.Ф., 2002.

Книга содержит точные решения около 1200 нелинейных уравнений математической физики и механики. Рассматриваются уравнения параболического, гиперболического, эллиптического и других типов. Описано много новых решений нелинейных уравнений. Особое внимание уделено уравнениям общего вида, которые зависят от произвольных функций. Помимо уравнений второго порядка рассматриваются также уравнения третьего, четвертого и более высоких порядков. В целом справочник содержит больше нелинейных уравнений математической физики и точных решений, чем любые другие книги.
Приведены решения уравнений, встречающихся в различных областях теоретической физики, механики и химической технологии (в теории тепло- и массопереноса, теории волн, гидродинамике, нелинейной акустике, теории горения, нелинейной оптике, ядерной физике и др.).
Справочник предназначен для широкого круга научных работников, преподавателей ВУЗов, инженеров и студентов, специализирующихся в различных областях математики, физики, механики, теории управления и инженерных наук.

Точные решения (в замкнутом виде) дифференциальных уравнений математической физики всегда играли и продолжают играть огромную роль в формировании правильного понимания качественных особенностей многих явлений и процессов в различных областях естествознания. Точные решения нелинейных уравнений наглядно демонстрируют и позволяют разобраться в механизме таких сложных нелинейных эффектов, как пространственная локализация процессов переноса, множественность или отсутствие стационарных состояний при определенных условиях, существование режимов с обострением и др. Даже те частные точные решения дифференциальных уравнений, которые не имеют ясного физического смысла, могут быть использованы в качестве «тестовых» задач при проверке корректности и оценке точности различных численных, асимптотических и приближенных аналитических методов. Кроме того, допускающие точные решения модельные уравнения и задачи служат основой для разработки новых численных, асимптотических и приближенных методов, которые, в свою очередь, позволяют исследовать уже более сложные задачи тепло- и массопереноса, не имеющие точного аналитического решения.
Большинство уравнений прикладной и теоретической физики, химии и биологии содержат параметры или функции, которые находятся экспериментально и потому не строго фиксированы. В то же время уравнения, моделирующие реальные явления и процессы, должны быть достаточно просты для того, чтобы их можно было успешно проанализировать и решить. В качестве одного из возможных критериев простоты можно принять требование, чтобы модельное уравнение допускало решение в замкнутом виде. При этом особый интерес для приложений представляют собой уравнения, зависящие от произвольных функций или содержащие много свободных параметров, которые можно задавать по усмотрению исследователя.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Некоторые обозначения и замечания
1. Уравнения параболического типа с одной пространственной переменной
1.1. Уравнения со степенными нелинейностями
1.2. Уравнения с экспоненциальными нелинейностями
1.3. Уравнения с гиперболическими нелинейностями
1.4. Уравнения с логарифмическими нелинейностями
1.5. Уравнения с тригонометрическими нелинейностями
1.6. Уравнения, содержащие произвольные функции
1.7. Нелинейное уравнение Шредингера и родственные уравнения
2. Уравнения параболического типа с двумя и более пространственными переменными
2.1. Уравнения с двумя пространственными переменными
2.2. Уравнения с тремя и более пространственными переменными
3. Уравнения гиперболического типа с одной пространственной переменной
3.1. Уравнения со степенными нелинейностями
3.2. Уравнениях экспоненциальными нелинейностями
3.3. Другие уравнения, содержащие произвольные параметры
3.4. Уравнения, содержащие произвольные функции
4. Уравнения гиперболического типа с двумя пространственными переменными
4.1. Уравнения, содержащие произвольные параметры
4.2. Уравнения, содержащие произвольные функции
5. Уравнения эллиптического типа с двумя независимыми переменными
5.1. Уравнения со степенными нелинейностями
5.2. Уравнения с экспоненциальными нелинейностями
5.3. Уравнения, содержащие другие нелинейности
5.4. Уравнения, содержащие произвольные функции
6. Уравнения эллиптического типа с тремя и более независимыми переменными
6.1. Уравнения с тремя независимыми переменными
6.2. Уравнения с произвольным числом независимых переменных
7. Уравнения смешанного типа
7.1. Уравнения линейные относительно смешанной производной
7.2. Уравнения квадратичные относительно старших производных
7.3. Уравнение Беллмана и родственные уравнения
8. Уравнения второго порядка общего вида
8.1. Эволюционные уравнения
8.2. Уравнения, содержащие вторые производные обеих переменных
9. Уравнения третьего порядка
9.1. Уравнение Кортевега де Фриза и родственные уравнения
9.2. Уравнения гидродинамического пограничного слоя
9.3. Уравнения движения идеальной жидкости (уравнения Эйлера)
9.4. Другие нелинейные уравнения третьего порядка
10. Уравнения четвертого порядка
10.1. Уравнения, содержащие вторую производную по t
10.2. Уравнения гидродинамики (уравнения Навье — Стокса)
10.3. Другие уравнения
11. Уравнения старших порядков
11.1. Эволюционные уравнения, линейные относительно старшей производной
11.2. Эволюционные уравнения общего вида
11.3. Уравнения, содержащие вторую производную
11.4. Другие уравнения Приложения
A. Методы обобщенного и функционального разделения переменных
А.1. Введение
А.2. Методы обобщенного разделения переменных
А.3. Методы функционального разделения переменных
B. Преобразования уравнений математической физики
В.1. Точечные преобразования
8.2. Преобразование годографа
8.3. Преобразование Лежапдра
8.4. Контактные преобразования
8.5. Преобразования Беклунда. Дифференциальные подстановки
С. Тест Фукса — Ковалевской — Псплсвс для нелинейных уравнений математической физики
С.1. Подвижные особенности решений обыкновенных дифференциальных уравнений
С.2. Решения уравнений с частными производными, имеющие подвижный полюс. Описание метода
С.З. Примеры применения теста Фукса — Ковалевской — Пенлеве Список литературы

По кнопкам выше и ниже «Купить бумажную книгу» и по ссылке «Купить» можно купить эту книгу с доставкой по всей России и похожие книги по самой лучшей цене в бумажном виде на сайтах официальных интернет магазинов Лабиринт, Озон, Буквоед, Читай-город, Литрес, My-shop, Book24, Books.ru.

По кнопке «Купить и скачать электронную книгу» можно купить эту книгу в электронном виде в официальном интернет магазине «ЛитРес» , и потом ее скачать на сайте Литреса.

По кнопке «Найти похожие материалы на других сайтах» можно найти похожие материалы на других сайтах.

On the buttons above and below you can buy the book in official online stores Labirint, Ozon and others. Also you can search related and similar materials on other sites.