- •1) Чебышева метод
- •2) Метод простой итерации
- •Применительно к слау
- •Алгоритм
- •Описание метода Обоснование
- •Применительно к задачам о наименьших квадратах
- •5) Метод Гаусса — Ньютона
- •Геометрическая интерпретация
- •Алгоритм
- •Ограничения
- •4) Метод Ньютона — Рафсона
- •Постановка задачи
- •Описание метода
- •Алгоритм Описание
- •Алгоритм
- •8) Метод Крамера (прямой слау)
- •9) Метод обратной матрицы (прямой слау)
- •Критерий сходимости
- •13) Метод секущих
- •Описание
- •Условие сходимости
- •14) Метод бисекции
- •Обоснование
- •Описание алгоритма
- •16) Метод qr-разложение
- •17) Метод сингулярного разложения
Геометрическая интерпретация
Основная идея метода заключается в следующем: задаётся начальное приближение вблизи предположительного корня, после чего строится касательная к исследуемой функции в точке приближения, для которой находится пересечение с осью абсцисс. Эта точка и берётся в качестве следующего приближения. И так далее, пока не будет достигнута необходимая точность.
Пусть
—
определённая на отрезке [a, b] и
дифференцируемая
на нём действительнозначная функция.
Тогда формула итеративного исчисления
приближений может быть выведена следующим
образом:
,
где α — угол наклона касательной в
точке
.
Следовательно искомое выражение для
имеет
вид:
.
Итерационный процесс начинается с некого начального приближения x0 (чем ближе к нулю, тем лучше, но если предположения о нахождении решения отсутствуют, методом проб и ошибок можно сузить область возможных значений, применив теорему о промежуточных значениях).
Алгоритм
-
Задаются начальным приближением x0.
-
Пока не выполнено условие остановки, в качестве которого можно взять
или
(то
есть погрешность в нужных пределах),
вычисляют новое приближение:
.
Ограничения
Пусть задано уравнение
,
где
и
надо найти его решение.
Теорема Канторовича.
Если существуют такие константы
,
что:
-
на
,
то есть
существует
и не равна нулю; -
на
,
то есть
ограничена; -
на
,
и
;
Причём длина рассматриваемого отрезка
.
Тогда справедливы следующие утверждения:
-
на
существует
корень x * уравнения
; -
если
,
то итерационная последовательность
сходится к этому корню:
; -
погрешность может быть оценена по формуле
.
Из последнего из утверждений теоремы в частности следует квадратичная сходимость метода:
![]()
Тогда ограничения на исходную функцию
будут
выглядеть так:
-
функция должна быть ограничена;
-
функция должна быть гладкой, дважды дифференцируемой;
-
её первая производная f'(x) равномерно отделена от нуля;
-
её вторая производная
должна
быть равномерно ограничена.
4) Метод Ньютона — Рафсона
Метод Ньютона-Рафсона является улучшением метода Ньютона нахождения экстремума, описанного выше. Основное отличие заключается в том, что на очередной итерации каким-либо из методов одномерной оптимизации выбирается оптимальный шаг:
,
где
![]()
Для оптимизации вычислений применяют
следующее улучшение: вместо того, чтобы
на каждой итерации заново вычислять
гессиан
целевой
функции, ограничиваются начальным
приближением
и
обновляют его лишь раз в
шагов,
либо не обновляют вовсе.
Применительно к задачам о наименьших квадратах
На практике часто встречаются задачи, в которых требуется произвести настройку свободных параметров объекта или подогнать математическую модель под реальные данные. В этих случаях появляются задачи о наименьших квадратах:

Эти задачи отличаются особым видом градиента и матрицы Гессе:
![]()
![]()
где
—
матрица
Якоби вектор-функции
,
—
матрица Гессе для её компоненты
.
Тогда очередное направление
определяется
из системы:
![]()
5) Метод Гаусса — Ньютона
Метод Гаусса — Ньютона строится на
предположении о том, что слагаемое
доминирует
над
.
Это требование не соблюдается, если
минимальные невязки велики, т.е. если
норма
сравнима
с максимальным собственным значением
матрицы
.
В противном случае можно записать:
![]()
Таким образом, когда норма
близка
к нулю, а матрица
имеет
полный столбцевой ранг,
направление
мало
отличается от Ньютоновского (с учётом
),
и метод может достигать квадратичной
скорости сходимости, хотя вторые
производные и не учитываются. Улучшением
метода является алгоритм
Левенберга — Марквардта,
основанный на эвристических
соображениях.
