6.2 Метод деления пополам. (Метод бисекций)

Пусть требуется с заданной точностью найти корень уравнения

. (1)

Отрезок локализации (т. е. отрезок, содержащий только один корень ) будем считать заданным, причем . Предполо­жим, что функция непрерывна на отрезке и на его кон­цах принимает значения разных знаков, т. е. . В основе метода лежит следующая теорема:

Теорема (Больцано-Коши о промежуточном значении). Ес­ли функция , непрерывная на отрезке , принимает на его кон­цах значения разных знаков, т. е. , то на отрезке есть точка, в которой функция обращается в нуль.

Рис. 3. Метод деления пополам

Пусть корень уравнения (1) отделен и находится на от­резке ( и ). Возьмем на отрезке промежуточную точку, так, чтобы она являлась серединой отрезка , т. е. . Тогда отрезок точкой разделится на два рав­ных отрезка и . Длина каждого отрезка равна . Если , то - точный корень уравнения (1). Если же , то из двух полученных отрезков и выберем тот, на концах которого функция принимает значению проти­воположных знаков; обозначим его . Затем отрезок также делим пополам и проводим те же рассуждения. Получим от­резок , длина которого равна . Процесс деления от­резка пополам производим до тех пор, когда на каком-то к-ом этапе либо середина отрезка окажется корнем уравнения (случай, весьма редко встречающийся на практике), либо получится отрезок такой, что

(2)

и (число к указывает на количество проведенных делений). Числа и - корни урав­нения (1) с точностью до значения . За приближенное значе­ние корня, следует взять .

Из неравенства (2) можно оценить число итераций необходимых для достижения заданной точности (априорная)

.

Достоинства:

а) метод половинного деления прост в алгоритмизации и про­граммировании;

б) на функцию не накладывается никаких ограничений, кроме требования непрерывности.

Недостаток: метод очень медленно сходится, т.е. необ­ходимо использовать большое число итераций для достижения заданной точности .

6.3 Метод простых итераций

Пусть требуется с заданной точностью найти корень уравнения

. (1)

Отрезок локализации будем считать заданным, причем . Предположим, что функция непрерывна на отрезке .

Заменим уравнение (1) эквивалентным ему уравнением вида

. (2)

Это преобразование (приведение уравнения к виду, удобному для итерации) можно выполнить различными способами; некоторые из них будут указаны ниже. Функцию далее будем называть итерационной функцией.

Выберем каким-либо образом в качестве начального приближе­ния какое-либо значение , например , (или графически или методом бисекций). Затем вычислим , и по­лученное число примем за первое приближение зна­чения корня . Подставив вместо в правую часть уравнения (2), получим новое число . Продолжая этот процесс неограниченно, получим последовательность приближений к корню определяемых следующими соотношениями

;

;

; (3)

…

.

Если не удается выразить из уравнения (1), то эквивалентное уравнение и эквивалентную функцию можно построить, например, так

, .

Последовательность (3) называется методом простых итераций уточнения корней уравнения (1).

Сходиться ли последовательность (3), и, если сходиться, являются ли предельное значение корнем уравнения (2), а следовательно, и уравнения (1)? Имеет место теорема.

Теорема (достаточные условия сходимости метода простых итерации). Пусть функция в эквивалентном уравнении (2) определена и дифференцируема на отрезке . Тогда, если существует число q такое, что

(4)

на отрезке , то последовательность (3) сходится к един­ственному корню уравнения (2) при любом начальном прибли­жении .

На практике итерационный процесс останавливают при выполне­нии условия

, .

Рис. 4. К методу простых итераций в случае

Геометрическая интерпретация метода простых ите­раций. Из рис. 4. видно, что , так как тангенс угла наклона касательной к графику функции мень­ше tg(45°) = 1. Следовательно, для произвольного начального приближения в соответствии с 1-й итерацией в (3) при определяется , которое равно значению на графике функции , а поскольку треугольник ОАВ прямоугольный и равнобедренный, то ОВ = . На следующей итерации в (3) при определяется , которое равно значению на графике функции , а поскольку треугольник OCD — равнобедрен­ный и прямоугольный, то CD = OD = , т.е. итерационные значения , , ,…. стремятся в сторону точного корня (указано стрелкой справа налево).

На рис. 5. . Из рисунка видно, что итерационный процесс расходится (приближения корня , , ,…. стремят­ся от корня ).

Рис. 5. К методу простых итераций в случае

На рис. 6. представлен случай , . Про­цесс итераций сходится с двух сторон, т. е. приближения корня находятся то слева, то справа от точного корня .

Рис. 6. К методу простых итераций в случае ,

Исходное уравнение всегда можно привести к виду удобному для итераций. Для этого вернемся к исходному уравнению (1) и построим эквивалентное уравне­ние в виде

,

где берется знак минус, если , и плюс, если .

Тогда в качестве эквивалентной функции можно при­нять функцию

для которой

.