Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

а10 / Числ_мет_лабораторный_практикум_ч2_17_26

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
31.05.2026
Размер:
633.22 Кб
Скачать

Лабораторная работа № 10

Методы решения нелинейных уравнений с большой скоростью

сходимости

1. Общие сведения

Методы с большой скоростью сходимости

Рассмотренные в предыдущей работе простейшие методы решения нели-

нейных уравнений позволяют вычислить значение корня уравнения с любой требуемой абсолютной погрешностью. Главным недостатком этих методов яв-

ляется большое число итераций, требующихся для получения заданной точно-

сти. На практике часто применяются более сложные методы, позволяющие су-

щественно ускорить вычисления. К таким методам можно отнести метод Нью-

тона, метод секущих и метод хорд, которые также требуют предварительного применения процедуры отделения корней.

В дальнейшем будем предполагать, что для нелинейного уравнения вида f(x)=0, (10.1)

где функция f(x) определена и непрерывна в некотором конечном или беско-

нечном интервале a<х<b, известны частичные отрезки, каждый из которых со-

держит ровно один корень.

Метод Ньютона

Пусть корень ξ уравнения f(x)=0 отделен на отрезке [a,b], причем суще-

ствуют непрерывные производные f'(x) и f"(x) при axb. Тогда, найдя какое-

нибудь n-е приближенное значение корня xn, можно уточнить его, применяя формулу Ньютона (10.2)

xn 1

xn

 

f (xn )

(10.2)

f (xn )

 

 

 

 

Процесс итераций сходится при выполнении следующих условий [4]: 1. f(a)f(b)<0;

16

2.производные f'(x) и f"(x) отличны от нуля и сохраняют определен-

ные знаки при axb;

3.начальное приближение x0, принадлежит отрезку [a,b] и удовлетво-

ряет неравенству f(x0)f"(x0)>0.

Результаты вычислений отдельно для каждого корня уравнения следует расположить в табл. 10.1

Таблица 10.1

Уточнение корня методом Ньютона

n

xn

f(xn)

f'(xn)

f(xn)/f'(xn)

ε

 

 

 

 

 

 

0

x0

f(x0)

f'(x0)

f(x0)/f'(x0)

 

1

x1

f(x1)

f'(x1)

f(x1)/f'(x1)

|x1-x0|

2

x2

f(x2)

f'(x2)

f(x2)/f'(x2)

|x2-x1|

k

xk

f(xk)

f'(xk)

f(xk)/f'(xk)

|xk-xk-1|

 

 

 

 

 

 

Метод секущих

Метод Ньютона демонстрирует высокую скорость сходимости, однако при выполнении итераций требуется вычисление производной функции f'(x). Если вычисление производной по каким-либо причинам нежелательно, то можно ис-

пользовать методы, требующие вычисления только значений функции, однако сохраняющие относительно высокую скорость сходимости. Одним из таких ме-

тодов является метод секущих. В методе секущих итерационная формула обычно записывается в виде [3] (10.3)

x

n 1

x

n

 

 

 

 

f (x

n

)(x

n

x

n 1

)

 

 

 

 

 

f (x

n

) f (x

n 1

)

 

 

 

 

 

 

 

,

(10.3)

а для начала вычислений требуется знать два приближения x0 и x1, которые вы-

бираются аналогично тому, как это делалось в методе Ньютона.

Результаты вычислений отдельно для каждого корня уравнения следует расположить в табл. 10.2.

17

Уточнение корня методом секущих

 

 

 

 

 

 

f (x )(x

 

 

x

 

 

 

)

n

xn

f(xn)

f(xn)–f(xn-1)

xnxn-1

n

 

 

 

n

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x

 

) f (x

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

n

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

x0

f(x0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x )(x

 

 

x

)

 

1

x1

f(x1)

f(x1)–f(x0)

x1x0

 

 

1

 

 

1

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x ) f (x

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x )(x

 

 

x )

 

2

x2

f(x2)

f(x2)–f(x1)

x2x1

 

 

2

 

 

 

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x

 

) f (x )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x )(x

 

 

x

 

 

 

)

k

xk

f(xk)

f(xk)–f(xk-1)

xkxk-1

k

 

 

 

k

 

 

 

 

k 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x

 

) f (x

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

k

k 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 10.2

ε

|x1x0|

|x2x1|

|xkxk-1|

Метод хорд

Сходными характеристиками с методом секущих обладает метод хорд.

Пусть требуется найти корень ξ уравнения f(x)=0 на заданном отрезке [а,b] та-

ком, что f(a)f(b)<0. Приближенное значение корня x1 определятся, как точка пе-

ресечения хорды, соединяющей концы кривой A с координатами [a, f(a)] и B с

координатами [b, f(b)], с осью x. Очевидно, что a<x1<b.

В зависимости от свойств функции далее рассматриваются отрезки [а,x1]

или [x1,b] и т.д. и строится последовательность приближений x1, x2, …, xn.

Легко убедиться [4], что при применении данной методики один из концов хорды (A или B) не изменяется в процессе вычислений. Это обстоятельство следует учитывать при выводе и применении расчетных формул. Конец A оста-

ется неподвижным [4], при выполнении условий f(a)f"(x)>0 или f(b)f"(x)<0.

Аналогично конец B остается неподвижным, при выполнении условий f(a)f"(x)<0 или f(b)f"(x)>0. В связи со сказанным выше, целесообразно использо-

вать две формы записи уравнения хорды, а именно (10.4)

x a

 

y f (a)

b a

f (b) f (a)

 

(10.4)

18

или (10.5)

x b

 

y f (b)

b a

f (b) f (a)

 

(10.5)

Приближенное значение корня x1 можно получить, полагая y=0 в уравне-

ниях (10.4) или (10.5). Тогда координата точки пересечения хорды с осью абс-

цисс для случая (10.4) равна

x

a

f (a)

 

1

 

f (b) f (a)

 

 

а в случае (10.5)

x

b

f (b)

 

1

 

f (b) f (a)

 

 

(b a)

(b a)

,

.

(10.6)

(10.7)

В том случае, когда конец A остается неподвижным, для построения ите-

рационной формулы используется соотношение (10.7), в котором правый конец отрезка соответствует предыдущему приближению xn, а в качестве начального приближения используется значение b (10.8).

x0 b,

xn 1 xn

f (xn )

(xn

a), n=0, 1, 2, …

(10.8)

f (xn ) f (a)

 

 

 

 

 

В том случае, когда конец B остается неподвижным, для построения ите-

рационной формулы используется соотношение (10.6), в котором левый конец отрезка соответствует предыдущему приближению xn, а в качестве начального приближения используется значение a (10.9).

x

 

a,

x

 

x

 

 

f (x

n

)

 

(b x

 

),

 

 

 

 

 

 

 

0

n 1

n

f (b) f (x

 

n

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0, 1, 2, …

(10.9)

Результаты вычислений отдельно для каждого корня уравнения следует расположить в табл. 10.3, если конец A остается неподвижным.

19

Таблица 10.3

Уточнение корня методом хорд при неподвижном конце A

n

xn

f(xn)

f(xn) – f(a)

xn a

0

x0=b

f(x0)

f(x0) – f(a)

x0 a

1

x1

f(x1)

f(x1) – f(a)

x1 a

2

x2

f(x2)

f(x2) – f(a)

x2 a

k

xk

f(xk)

f(xk) – f(a)

xk a

 

 

 

 

 

f (xn )(xn a) f (xn ) f (a)

f (x0 )(x0 a) f (x0 ) f (a)

f (x1 )(x1 a) f (x1 ) f (a)

f (x2 )(x2 a1 ) f (x2 ) f (a)

 

f (x )(x

a)

k

k

 

 

 

 

f (x

) f (a)

 

k

 

 

ε

|x1 x0|

|x2 x1|

|xk xk-1|

Если конец B остается неподвижным, то результаты вычислений отдельно для каждого корня уравнения следует расположить в табл. 10.4.

Таблица 10.4

Уточнение корня методом хорд при неподвижном конце B

n

xn

f(xn)

f(b) – f(xn)

b xn

0

x0=а

f(x0)

f(b) – f(x0)

b x0

1

x1

f(x1)

f(b) – f(x1)

b x1

2

x2

f(x2)

f(b) – f(x2)

b x2

k

xk

f(xk)

f(b) – f(xk)

b xk

 

 

 

 

 

f (xn )(b xn ) f (b) f (xn )

f (x0 )(b x0 ) f (b) f (x0 )

f (x1 )(b x1 ) f (b) f (x1 )

f (x2 )(b x2 ) (b xff )()

2

f (xk )(b xk ) f (b) f (xk )

ε

x0=а

|x1 x0|

|x2 x1|

|xk xk-1|

20

2.Задания

1.Для указанного в варианте задания нелинейного уравнения на заданном отрезке [a,b] выполнить отделение корней. Оформить результаты в виде табл. 9.1.

2.Построить график функции f(x) и убедиться в правильности отделения корней.

3.Выбрать начальное приближение для значения корня.

4.Проверить выполнение условий сходимости для метода Ньютона в окрестностях каждого корня.

5.Используя метод Ньютона, вычислить значения всех найденных корней с максимальной абсолютной погрешностью 110-6.

6.Проверить правильность решения, подставив значения корней в исходное уравнение.

7.Оформить результаты вычислений в виде табл. 10.1.

8.Используя метод секущих, вычислить значение каждого найденного корня с максимальной абсолютной погрешностью 110-6.

9.Оформить полученные результаты итераций в виде табл. 10.2

10.Проверить правильность решения, подставив значения корней в исходное уравнение.

11.Используя метод хорд, вычислить значение каждого найденного корня с максимальной абсолютной погрешностью 110-6.

12.Оформить полученные результаты итераций в виде табл. 10.3 или 10.4. 13.Проверить правильность решения, подставив значения корней в исходное

уравнение.

14.Вычисления выполнять с 7 десятичными знаками.

3. Пример выполнения задания

На отрезке [0,1] вычислить корни нелинейного уравнения

cosxx=0

(10.10)

Отделение корней. Выполняется отделение корней. Шаг таблицы выбира-

ется равным 0,1. Результаты размещаются в табл. 10.5

Таблица 10.5

Отделение корней

x

0

0,1

0,2

0,3

0,4

 

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sign f(x)

+

+

+

+

+

 

+

+

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

 

 

 

 

 

 

Из табл. 10.5 видно, что уравнение (10.10) имеет один корень на отрезке

[0,7;0,8].

На рис. 10.1 приведен график функции f(x)=cosx x. Из графика видно, что отрезок [0,7;0,8] содержит единственный корень.

1,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-0,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-0,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 10.1. График функции f(x)=cosx x

Пример 1.Метод Ньютона.

Этот метод применяется к отрезку от 0,7 до 0,8, содержащему корень уравнения. Результаты вычислений организуются в виде таблицы 10.1.

Проверяем условия сходимости.

1.Функция на отрезке меняет знак f(0,7) ≈ 0,065, f(0,8) ≈ –0,103, f(0,7)f(0,8)<0.

2.Первая производная f'(x)=–sin x 1. В пределах отрезка отлична от нуля и не меняет знак, т.к. f'(0,7) ≈ –1,644 и f'(0,8) ≈ –1,717.

3.Вторая производная f"(x)=–cos x отлична от нуля и не меняет знак,

т.к. f"(0,7)=–0,764 и f"(0,8)=–0,697.

4.Начальное приближение x0=0,8, принадлежит отрезку [0,1] и удовле-

творяет неравенству f(x0)f"(x0)>0, т.к. f(0,8)=–0,103, а f"(0,8)=–0,697.

22

Результаты размещаем в табл. 10.6. Для проверки правильности вычисле-

ний подставляем полученное значение корня, равное 0,7390851 в исходное урав-

нение f(0,7390851)=5,6 10-8.

 

 

 

 

 

Таблица 10.6

 

Уточнение корня методом Ньютона

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

xn

f(xn)

f'(xn)

f(xn)/f'(xn)

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0,8

-0,1032933

-1,7173561

-0,0601467

 

 

1

0,7398533

-0,0012858

-1,6741796

-0,0007680

0,06

 

2

0,7390853

-2,2 10-07

-1,6736121

-0,0000001

0,0007

 

3

0,7390851

-6,2 10-15

-1,6736120

-3,7 10-15

2 10-07

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2. Метод секущих.

Вычисления организуются аналогично методу Ньютона. В качестве начальных приближений выбраны x0=0,8 и x1=0,75. Результаты размещаются в табл. 10.7. Для проверки правильности вычислений подставляем полученное значение корня, равное 0,7390851 в исходное уравнение f(0,7390851)=5,6 10-8.

 

 

 

 

 

 

Таблица 10.7

 

 

Уточнение корня методом секущих

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

xn

f(xn)

f(xn)‒f(xn-1)

xnxn-1

 

f (xn )(xn xn 1 )

 

ε

 

f (xn ) f (xn 1 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0,8

-0,1032933

 

 

 

 

 

 

 

1

0,75

-0,0183111

0,0849822

-0,05

 

-0,0107735

 

 

2

0,7392265

-0,0002366

0,0180746

-0,0107735

 

-0,0001410

0,01

 

3

0,7390855

-0,0000006

0,0002360

-0,0001410

 

-0,0000003

0,0001

 

4

0,7390851

0

0,0000006

-0,0000003

 

0

3 10-07

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 3. Метод хорд.

Для вычислений по методу хорд следует выбрать один из вариантов рас-

четных формул (10.8) или (10.9). Для выбора определим, какой из концов кри-

вой остается неподвижным. Конец A остается неподвижным, при выполнении

23

условий f(0,7)f"(x)>0, а конец B остается неподвижным, при выполнении усло-

вий f(0,7)f"(x)<0. Поскольку вторая производная отрицательна на рассматрива-

емом отрезке, а значение f(0,7) ≈ 0,065>0, то выполняется условие неподвижно-

сти конца B. Следовательно, вычисления должны выполняться в соответствии с соотношениями (10.9), а результаты вычислений организуются в виде табл. 10.4. В качестве начального приближения выбирается x0=0,7. Для провер-

ки правильности вычислений подставляем полученное значение корня, равное

0,7390851 в исходное уравнение f(0,7390851)=5,6 10-8.

Таблица 10.6

Уточнение корня методом хорд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x )(b x

)

 

n

 

xn

 

 

 

 

 

 

f(xn)

 

 

f(b) – f(xn)

b xn

n

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (b)

f (x

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

0

 

 

 

0,7

 

0,0648422

 

-0,1681355

0,1

 

-0,03857

 

1

0,7385654

 

0,0008697

 

-0,1041630

0,0614346

 

-0,00051

 

2

0,7390784

 

0,0000113

 

-0,1033046

0,0609216

 

-6,7 10-06

 

3

0,7390850

 

0,0000001

 

-0,1032934

0,0609150

 

-8,7 10-08

 

4

0,7390851

 

 

 

 

 

 

0

 

-0,1032933

0,0609149

 

-1,1 10-09

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Варианты заданий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант

Уравнение

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

b

1.

 

x

2

cos

2

( x) 0

 

 

 

 

 

0

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

 

2e x 1 1, 5x3 0

 

 

 

-4

 

-2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

 

e

2 x

5

 

 

x 3cos x 9,5 0

 

 

2

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

 

x

2

4sin x 1 0

 

 

 

-3

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

 

2e x 1 2x3 0

 

 

 

 

 

-5

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

 

(x 1)

2

0, 95e

x

1 0

 

 

0

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.

 

2e x 0, 5 2, 5x3 0

 

 

 

-6

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.

 

(x 1)

2

0, 5e

x

2 0

 

 

 

-1

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

0,04

0,0005 6,7 10-06 8,7 10-08

24

9.

1,12x

5

2, 5x

2

0, 2

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.

2e

x

1 3x

3

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.

x

2

3, 4 sin x 2 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12.

2e

x

 

3, 5x

3

0, 5 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13.

x

2

1, 2 sin x 2,1 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14.0, 25ex sin x 0, 2x2 0,1 0

15.x5 3x2 1 0

16.

5x

3

2x

2

15x

6 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17.

x

4

(x 0, 58)

2

1 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2x

2

10x

5 0

 

18.

3x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19.

2, 4x

5

3x

2

1 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20.

x

2

1, 2 sin x 2, 5 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21.

0, 05e

x

sin

2

x 0, 5x

3

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22.

x

5

2(x

0, 2)

4

2, 5 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23.

x

2

3sin(0, 9x) 1 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24.

0, 3e

x

sin

2

x

0, 5x

2

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25.

(x 0,1)

2

e

x

 

sin(x 0, 3) 0, 5 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25

0

2

-6

-1

-3

1

-6

-1

-2

2

0

2

0

2

-2

0

-2

2

-2

0

0

1

-2

2

-2

0

-3

0

-1

2

-2

0

-1

1

 

 

Соседние файлы в папке а10