Приближенное решение нелинейных алгебраических уравнений

Дано нелинейное алгебраическое уравнение f(x)=0 (1) Нелинейность уравнения означает, что график функции не есть прямая линия, т.е. в f(x) входит x в некоторой степени или под знаком функции.

Решить уравнение – это найти такое x* R: f(x*)=0. Значение x* называют корнем уравнения. Нелинейное уравнение может иметь несколько корней.. Корнями уравнения (1) являются точки x₁*, x₂*, x₃*, в которых функция f(x) пересекает ось x.

Методы решения нелинейного уравнения (1) можно разделить на точные (аналитические) и приближенные (итерационные).

В точных методах корень представляется некоторой алгебраической формулой. Например, решение квадратных уравнений, некоторых тригонометрических уравнений и т. д.

В приближенных методах процесс нахождения решения, вообще говоря, бесконечен. Решение получается в виде бесконечной последовательности {x_п}, такой, что .

П о определению предела, для любого (сколь угодно малого) ε, найдется такое N, что при n>N, |x_n – x*|< ε. Члены этой последовательности x_n называются последовательными приближениями к решению, или итерациями. Наперёд заданное число ε называют точностью метода, а N – это количество итераций, которое необходимо выполнить, чтобы получить решение с точностью ε.

Существует различные методы нахождения приближенного решения, т.е. способы построения последовательности итераций {xn}, но все они имеют общие этапы, изображенные на рисунке.

Прежде чем использовать приближенный метод, уравнение надо исследовать его на наличие корней и уточнить, где эти корни находятся, т.е. найти интервалы изоляции корней. Интервалом изоляции корня называется отрезок, на котором корень уравнения существует и единственен. Если корней несколько, то для каждого нужно найти интервал изоляции.

Существуют различные способы исследования функции: аналитический, табличный, графический.

Аналитический способ состоит в нахождении экстремумов функции f(x), исследование ее поведения при и нахождение участков возрастания и убывания функции. Графический способ – это построение графика функции f(x) и определение числа корней по количеству пересечений графика с осью x. Табличный способ – это построение таблицы, состоящей из столбца аргумента x и столбца значений функции f(x). О наличии корней свидетельствуют перемены знака функции. Чтобы не произошла потеря корней, шаг изменения аргумента должен быть достаточно мелким, а интервал изменения достаточно широким.

Приближенные (Итерационные) методы. Пусть интервалы изоляции корней известны. Познакомимся с несколькими итерационными методами, позволяющими найти корень на известном интервале изоляции [a, b].

М етод деления отрезка пополам (дихотомии) Идея метода: Найдем середину отрезка [a, b]: c=(a+b)/2. Корень остался на одной из частей: [a, c] или [c, b]. Если f(a) * f(с)<0, то корень попал на отрезок [a, c], тогда деление отрезка можно повторить, приняв в качестве нового правого конца точку c, т.е. b=c. В противном случае корень попал на половину [c, b], и необходимо изменить значение левого конца отрезка: a=c. Поскольку корень всегда заключен внутри отрезка, итерационный процесс можно останавливать, если длина отрезка станет меньше заданной точности: |b – a|< ε .

М етод Ньютона (метод касательных)

Решаем уравнение f(x)=0. Метод определяется формулой

Геометрическая интерпретация такова: участок кривой y=f(x) при , если , или , если , заменяется отрезком касательной, проведённой из точки x_k.

М етод хорд В этом методе кривая f(x) заменяется прямой линией – хордой, стягивающей точки (a, f(a)) и (b, f(b)). В зависимости от знака выражения f(a) f //(a) метод хорд имеет два варианта, изображенных на рис. 2 а, б.

54