Определение приближенного решения корня уравнения

Приближенное вычисление корней в уравнениях

1.1 Способ хорд (или способ линейной интерполяции).

Способ касательных (или способ Ньютона).
Комбинированный способ (комбинированное применение способов хорд и касательных).

Заключение.

Список литературы.

Приближённое решение уравнений.

Если квадратные уравнения решали уже древние греки, то способы решения алгебраических уравнений третьей и четвёртой степени были открыты лишь в XVI веке. Эти классические способы дают точные значения корней и выражают их через коэффициенты уравнения при помощи радикалов различных степеней. Однако эти способы приводят к громоздким вычислениям и поэтому имеют малую практическую ценность.

В отношении алгебраических уравнений пятой и высших степеней доказано, что в общем случае их решения не выражаются через коэффициенты при помощи радикалов. Не выражаются в радикалах, например, корни уже такого простого по виду уравнения, как:

Сказанное, однако, не означает отсутствия в науке методов решения уравнения высших степеней. Имеется много способов приближенного решения уравнений — алгебраических и неалгебраических (или, как их называют, трансцендентных), позволяющих вычислять их корни с любой, заранее заданной степенью точности, что для практических целей вполне достаточно.

На простейших из таких способов мы и остановимся, причём речь будет идти о вычислении действительных корней.

Пусть нужно решить уравнение:

Если обратиться к рисунку, то каждый корень уравнения (1) представляет собой абсциссу точки пересечения графика функции y=f(х)

C осью Ох (рисунок №1)

С помощью графика функции или каким-нибудь иным способом обычно удаётся установить приблизительные значения корней. Это позволяет для каждого корня получить грубые приближения по недостатку и по избытку. Такого рода грубых приближений во многих случаях оказывается достаточно, чтобы, отправляясь от них, получить все значения корня с требуемой точностью. Об этом и пойдёт речь.

Итак, пусть корень Е уравнения (1) «зажат» между двумя его приближениями а и b по недостатку и по избытку а

Способ хорд (или способ линейной интерполяции).

Проведём хорду АВ (рисунок№3) и за первое приближённое значение корня примем абсциссу x1 точки С пересечения хорды с осью Ох.

Уравнение хорды имеет вид:

Поэтому в точке С:

Рассмотрение всех четырёх случаев, изображённых на рисунке №2, показывает, что точка x1 лежит между a и b с той стороны от Е, где f(х) имеет знак, противоположный знаку f«(х).

Остановим внимание на первом случае: f`(х)>0, f«(х)>0 (рисунок №3), — в остальных случаях рассуждение вполне аналогично. В этом первом случае x1 лежит между a и Е. С отрезком [x1, b] поступаем так же, как мы поступаем с отрезком [a, b] (рисунок №4). При этом для нового приближённого значения корня получаем:

x1 = x2-(b- x1)*f(x1)/f(b)-f(x1)

( в формуле (2) заменяем x1 на x2, а на x1 ); значение x2 оказывается между x1 и Е. Рассматриваем отрезок [x2, b] и находим новое приближённое x3, заключённое между x2 и Е и. т. д. В результате получим последовательность а 0

Найдём первое приближённое значение корня по формуле (2):

так как f(1,588)=-0,817 0

Следовательно, искомый корень с точностью до 0,01 равен 1,64.

1.2 Способ касательных (или способ Ньютона).

В том из концов дуги АВ (рисунок №5), в котором знаки f(х) и f«(х) совпадают, проводим касательную и за первое приближённое значение корня принимаем абсциссу х1` точки Д пересечения этой касательной с осью Ох. Обратимся вновь к первому случаю, соответствующему первому рисунку №2 (f`(x)>0, f«(x)>0), — в остальных случаях рассуждают опять-таки аналогично. Уравнение интересующей нас касательной имеет вид:

и поэтому в точке Д:

Из рисунка видно, что x1` лежит между Е и b. С отрезком [a, x1`] поступаем так же, как с отрезком [a, b] ( рисунок №5), и в результате для нового приближённого значения корня получим:

х2` = x1`- f( x1`)/ f`( x1`).

Значение х2` оказывается между Е и x1`. Рассматриваем отрезок [a, х2`] и находим новое приближение х3` и т. д. В результате получим последовательность:

все более точных приближённых значений корня, причём:

xn+1`= xn`- f(xn`)/ f`( xn`) (8)

Эта формула справедлива для всех четырёх случаев, изображённых на рисунке 32. Для оценки погрешностей полученных приближений можно опять воспользоваться формулой (5), как и в первом случае, легко устанавливается сходимость последовальности x1`, х2`, х3`,…,xn`,… к значению Е

Пример №2. Методом касательных найдём положительный корень уравнения

с точностью до 0,01.

В этом уравнении f(х)=х^4-2x-4, f`(х)=4х^3-2,а f«(х)=12x^2.Так как f(х) и f«(х) при х0 = 1,7 имеют один и тот же знак, а именно:

f(1,7)=0,952>0 и f«(1,7)>0, то применяем формулу:

x1`= х0- f(х0)/ f`( х0), где f`(1,7)=4*1,7^3-2=17,652. Тогда

Применяем второй раз способ касательных:

х2= x1- f(x1)/ f` (x1), где f(x1)= f(1,646)=0,048, f` (1,646) =15,838;

f(1,643)=0,004, f` (1,643)=15,740;

Следовательно, искомый корень с точностью до 0,01 равен 1,64.

1.3 Комбинированный способ

(комбинированное применение способов хорд и касательных).

Этот способ состоит в одновременном использовании способов хорд и касательных. Остановим своё внимание опять на случае, отвечающем первому рисунку №2. Значения x1 и x1`, вычисляем по прежним формулам, т. е. принимаем:

x1`=b-f(b)/f`(b), причём: x1 0 изображён на рисунке №7. Из этого рисунка видно, что уравнение имеет положительный единственный корень, лежащий на отрезке 1 0,f«(x)>0 т. е. знак производных сохраняется. Применяем комбинированный способ:

Формулы (10) дают:

При этом x1`- x1=0,012, т. е. точность недостаточна. Совершаем второй шаг:

При этом х2`- х2=0,00018, т. е. точность достаточна. Таким образом:

Ошибка в тексте? Выдели её мышкой и нажми

Остались рефераты, курсовые, презентации? Поделись с нами — загрузи их здесь!

Модуль 1. Модуль 1. Численные методы решения нелинейных уравнений. Нахождение арифметического корня натуральной степени с заданной точностью

Модуль 1. Модуль 1. Численные методы решения нелинейных уравнений. Нахождение арифметического корня натуральной степени с заданной точностью.

1. Численные методы решения нелинейных уравнений.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Этапы приближенного решения нелинейных уравнений.

1.3. Уточнение корней методом деления отрезка пополам.

1.4. Уточнение корней методом касательных.

1.5. Уточнение корней методом хорд.

2. Нахождение арифметического корня натуральной степени с заданной точностью.

Литература.

1. Численные методы решения нелинейных уравнений.

1.1. Постановка задачи.

Пусть имеется уравнение вида

где f (x) — заданная алгебраическая или трансцендентная функция. (Функция называется алгебраической, если для получения её значения нужно выполнить арифметические операции и возведение в степень с рациональным показателем. Примеры трансцендентных функций — показательная, логарифмическая, тригонометрические, обратные тригонометрические.)

Решить уравнение — значит найти все его корни, то есть те значения x, которые обращают уравнение в тождество, или доказать, что корней нет.

Если алгебраическое или трансцендентное уравнение достаточно сложно, то довольно редко удается точно найти его корни. Кроме того, в некоторых случаях уравнение может содержать коэффициенты, известные лишь приблизительно, поэтому сама задача о точном нахождении корней теряет смысл. В таких случаях применяют численные (приближенные) методы решения.

Поставим задачу найти такое приближенное значение корня xпр, которое мало отличается от точного значения корня x*, так что выполняется неравенство │x* – xпр │ 0, m – натуральное.

Известен следующий рекуррентный (итерационный) процесс нахождения членов последовательности t0, t1, t2, …, где

, n = 0, 1, 2, … . (6)

При этом оказывается [4], что полученная последовательность сходится при любом t0>0 к точному значению и при том достаточно быстро.

Удобно в качестве t0 брать значение с одной верной значащей цифрой, которую легко найти подбором.

Итерационный процесс нахождения очередного приближения к величине корня прекращается, как только выполнится неравенство . При этом с точностью ε.

Пример 5. Найти с точностью ε = 0,000001 (или ε = 10-6).

Решение. Здесь a = 1,25, ε = 10-6. Пусть t0 = 1,1 (т. к. 1,12≈1,25). Из формулы (6) при m = 2 имеем:

, n = 0, 1, 2, … .

Значит . Так как требуется найти значение корня с точностью ε = 10-6, т. е. с шестью верными значащими цифрами после запятой, при вычислении t1 количество цифр после запятой берем с запасом (например, семь цифр).

Аналогично вычисляем t2 = 1,1180339…; . Продолжаем итерационный процесс: t3 = 1,1180339… . Итак, на третьем шаге (итерации) результат в требуемых знаках (шесть цифр после запятой) повторился, т. е. .

Значит, с точностью 10-6.

3. Практикум.

Численные методы решения нелинейных уравнений.

В заданиях данной группы нужно выбрать правильные ответы из приведенного списка. Обратите внимание, что правильный ответ может быть не единственным. Вам надо указать через запятую буквы соответствующие правильным высказываниям.

1. Какие из следующих функций являются трансцендентными?

2. Поиск корней методом половинного деления применим к функциям:

a) к многочленам любых степеней.

b) к непрерывным, но не дифференцируемым функциям.

c) к функциям, имеющим разрывы.

d) любым непрерывным.

3. Отметьте высказывания, относящиеся к поиску корней методом половинного деления:

a) Существуют уравнения, для которых есть только численное решение и нет аналитического.

b) Это самый быстрый метод поиска корней.

c) Это самый точный метод.

d) Это один из самых простых вычислительных методов поиска корней уравнения

e) Этот метод не требует дополнительных условий сходимости.

f) Этим методом можно искать корни многочленов любых степеней.

В заданиях данной группы нужно выбрать правильный ответ из приведенного списка. Обратите внимание, что правильный ответ должен быть единственным

4. Решить уравнение, значит

a) найти такие значения неизвестного, которые при подстановке в уравнение, обращают его в тождество;

b) доказать, что таких значений неизвестного, которые при подстановке в уравнение, обращают его в тождество нет;

c) найти такие значения неизвестного, которые при подстановке в уравнение, обращают его в тождество или доказать, что корней нет;

d) найти такие значения неизвестного, которые при подстановке в уравнение, обращают его в верное тождество и доказать, что корней нет.

5. Для какой из приведенных ниже функций y = f(x) уравнение f(x) = 0 не имеет корней

6. Отделение корней уравнения f(x)=0 – это

a) нахождение интервалов длиной ε из области определения функции y=f(x);

b) нахождение корней из области определения функции y=f(x);

c) нахождение интервалов с одним корнем вне области определения функции y=f(x);

d) нахождение интервалов из области определения, в каждом из которых содержится ровно один корень.

7. Какая из этих формул верна и применяется в методе деления отрезка пополам для определения достижения точности?

8. Какая из этих формул верна и применяется в методе деления отрезка пополам для определения X – приближённого значение корня на отрезке [a; b]?

9. Аналитическое отделение корней уравнения f(x) = 0 основано на теореме:

a) если функция f(x) непрерывна на [a, b], принимает на концах отрезка значения разных знаков, то на этом отрезке содержится хотя бы один корень;

b) если f ‘(x) существует и непрерывна, то на этом отрезке содержится хотя бы один корень;

c) если функция f(x) принимает на концах отрезка [a, b] значения разных знаков, то на этом отрезке содержится хотя бы один корень;

d) если f ‘(x) непрерывна и меняет знак на [а, b], то на этом отрезке содержится хотя бы один корень.

10. Необходимым условием сходимости метода касательных при решении уравнения у = f(x) является:

a) f(x) непрерывна на [a, b] и сохраняет на нем свой знак;

b) f ‘(x) существует и сохраняет знак;

c) f(x) и f ‘(x) непрерывны на [a, b] и сохраняют знак;

d) f(x) непрерывна и меняет знак на отрезке [a, b], f ‘(x) непрерывна и сохраняет знак на отрезке [a, b].

11. Укажите интервал изоляции корня уравнения .

12. Какому графику соответствуют условия , , , , ?

13. Известно, что уравнение имеет три корня. Минимальное количество начальных точек, определяющих отрезки изоляции корней, для полного решения методом половинного деления:

В заданиях данной группы нужно вписать числовой ответ или дополнить предложение.

14. Дано нелинейное уравнение x2sinx + 1 = 0 и начальное приближение x0 = 3,3. Первое приближение x1 в методе Ньютона равно (ответ округлить до трех знаков после запятой) ____________.

15. Дано уравнение x2sinx + 1 = 0. Известно, что на отрезке [3,2; 3,5] существует единственный корень уравнения. После выполнения одного шага методом деления отрезка пополам, отрезок станет равен _____________________________.

Определение приближенного решения корня уравнения

1. Приближенное решение нелинейных уравнений

Пусть дано уравнение с одним неизвестным

, (1.1)

где f ( x ) — заданная алгебраическая или трансцендентная функция.

Функция называется алгебраической, если для получения её значения нужно выполнить арифметические операции и возведение в степень с рациональным показателем. Примеры трансцендентных функций — показательная , логарифмическая, тригонометрические, обратные тригонометрические.

Решить уравнение — значит найти все его корни, то есть те значения х , которые обращают уравнение в тождество, или доказать, что корней нет.

В общем случае не существует формул, по которым определяются точные значения корней уравнения (1.1). Для отыскания корней используют приближенные методы, при этом корни находятся с некоторой заданной точностью ε . Это означает, что если x — точное значение корня уравнения, а x ’ — его приближенное значение с точностью ε , то | x — x ’ | ≤ ε . Если корень найден с точностью ε , то принято писать x = x ± ε .

Будем предполагать, что уравнение (1.1) имеет лишь изолированные корни, то есть для каждого корня существует окрестность, не содержащая других корней этого уравнения.

Приближенное решение уравнения состоит из двух этапов:

1. Отделение корней, то есть нахождение интервалов из области определения функции f ( x ), в каждом из которых содержится только один корень уравнения (1).

2. Уточнение корней до заданной точности.

Отделение корней можно проводить графически и аналитически.

Для того , чтобы графически отделить корни уравнения (1.1), строят график функции y = f ( x ). Абсциссы точек его пересечения с осью Ox есть действительные корни уравнения (рис. 1). Практически бывает удобнее заменить уравнение (1.1) равносильным ему уравнением

, (1.2)

где Φ( x ) и Ψ( x ) — более простые функции, чем f ( x ). Абсциссы точек пересечения графиков функций y = Φ( x ) и y = Ψ( x ) дают корни уравнения (1.2), а значит и исходного уравнения (1.1) (рис.2).

Аналитическое отделение корней основано на следующей теореме: если непрерывная на отрезке [ a , b ] функция y = f ( x ) принимает на концах отрезка значения разных знаков, т.е. f ( a )· f ( b ) f ( x ) = 0; если при этом производная f ’ ( x ) сохраняет знак внутри отрезка [ a , b ], то корень является единственным.

Уточнение корней заключается в сужении интервала изоляции корня и выполняется одним из специальных методов. Рассмотрим самый простой из них — метод половинного деления.

Пусть корень отделён и принадлежит отрезку [ a , b ]. Находим середину отрезка [ a , b ] по формуле

Если f ( c ) = 0, то с — искомый корень. Если f ( c ) ≠ 0, то в качестве нового отрезка изоляции корня [ a ₁ , b ₁ ] выбираем ту половину [ a , c ] или [ c , b ], на концах которой f ( x ) принимает значения разных знаков. Другими словами, если f ( a ) ∙ f ( c ) a , c ], если f ( a ) ∙ f ( c ) — отрезку [ c , b ]. Полученный отрезок снова делим пополам, находим c₁ ,

вычисляем f ( c ₁ ), выбираем отрезок [ a ₂ , b ₂ ] и т.д. Длина каждого нового отрезка вдвое меньше длины предыдущего, то есть за n шагов отрезок сократится в 2 n раз. Как только будет выполнено условие