Решение нелинейных уравнений

Пусть требуется решить уравнение

Где
– нелинейная непрерывная функция.

Методы решения уравнений делятся на прямые и итерационные. Прямые методы – это методы, позволяющие вычислить решение по формуле (например, нахождение корней квадратного уравнения). Итерационные методы – это методы, в которых задается некоторое начальное приближение и строится сходящаяся последовательность приближений к точному решению, причем каждое последующее приближение вычисляется с использованием предыдущих

Полное решение поставленной задачи можно разделить на 3 этапа:

Установить количество, характер и расположение корней уравнения (1).

Найти приближенные значения корней, т.е. указать промежутки, в которых наудится корни (отделить корни).

Найти значение корней с требуемой точностью (уточнить корни).

Существуют различные графические и аналитические методы решения первых двух задач.

Наиболее наглядный метод отделения корней уравнения (1) состоит в определении координат точек пересечения графика функции
с осью абсцисс. Абсциссы точек пересечения графика
с осью
являются корнями уравнения (1)

Промежутки изоляции корней уравнения (1) можно получить аналитически, опираясь на теоремы о свойствах функций, непрерывных на отрезке.

Если, например, функция
непрерывна на отрезке
и
, то согласно теореме Больцано – Коши, на отрезке
существует хотя бы один корень уравнения (1)(нечетное количество корней).

Если функция
удовлетворяет условиям теоремы Больцано-Коши и монотонна на этом отрезке, то на
существует только один корень уравнения (1).Таким образом, уравнение (1) имеет на
единственный корень, если выполняются условия:

Если функция на заданном интервале непрерывно дифференцируема, то можно воспользоваться следствием из теоремы Ролля, по которому между парой корней всегда находится по крайней мере одна стационарная точка. Алгоритм решения задачи в данном случае будет следующий:

Полезным средством для отделения корней является также использование теоремы Штурма.

Решение третьей задачи осуществляется различными итерационными (численными) методами: методом дихотомии, методом простой итерации, методом Ньютона, методом хорд и т.д.

Пример Решим уравнение
методом простой итерации . Зададим
. Построим график функции.

На графике видно, что корень нашего уравнения принадлежит отрезку
, т.е.
– отрезок изоляции корня нашего уравнения. Проверим это аналитически, т.е. выполнение условий (2):

Напомним, что исходное уравнение (1) в методе простой итерации преобразуется к виду
и итерации осуществляются по формуле:

(3)

Выполнение расчетов по формуле (3) называется одной итерацией. Итерации прекращаются, когда выполняется условие
, где - абсолютная погрешность нахождения корня, или
, где -относительная погрешность.

Метод простой итерации сходится, если выполняется условие
для
. Выбором функции
в формуле (3) для итераций можно влиять на сходимость метода. В простейшем случае
со знаком плюс или минус.

На практике часто выражают
непосредственно из уравнения (1). Если не выполняется условие сходимости, преобразуют его к виду (3) и подбирают. Представим наше уравнение в виде
(выразим x из уравнения). Проверим условие сходимости метода:

для
. Обратите внимание, что условие сходимости выполняется не
, поэтому мы и берем отрезок изоляции корня
. Попутно заметим, что при представлении нашего уравнения в виде
, не выполняется условие сходимости метода:
на отрезке
. На графике видно, что
возрастает быстрее, чем функция
­­ (|tg| угла наклона касательной к
на отрезке
)

Выберем
. Организуем итерации по формуле:

Программно организуем процесс итераций с заданной точностью:

> fv:=proc(f1,x0,eps)

> k:=0:

x:=x1+1:

while abs(x1-x)> eps do

x1:=f1(x):

print(evalf(x1,8)):

print(abs(x1-x)):

:printf("Кол. итер.=%d ",k):

end :

На 19 итерации мы получили корень нашего уравнения

c абсолютной погрешностью

Решим наше уравнение методом Ньютона . Итерации в методе Ньютона осуществляются по формуле:

Метод Ньютона можно рассматривать как метод простой итерации с функцией, тогда условие сходимости метода Ньютона запишется в виде:

.

В нашем обозначении
и условие сходимости выполняется на отрезке
, что видно на графике:

Напомним, что метод Ньютона сходится с квадратичной скоростью и начальное приближение должно быть выбрано достаточно близко к корню. Произведем вычисления:
, начальное приближение, . Организуем итерации по формуле:

Программно организуем процесс итераций с заданной точностью. На 4 итерации получим корень уравнения

с
Мы рассмотрели методы решения нелинейных уравнений на примере кубических уравнений, естественно, этими методами решаются различные виды нелинейных уравнений. Например, решая уравнение

методом Ньютона с
, находим корень уравнения на [-1,5;-1]:

Задание : Решить нелинейные уравнения с точностью

0.

деления отрезка пополам (дихотомии)

простой итерации.

Ньютона (касательных)

секущих – хорд.

Варианты заданий рассчитываются следующим образом: номер по списку делится на 5 (
), целая часть соответствует номеру уравнения, остаток – номеру метода.

Общий вид нелинейного уравнения

f (x )=0, (6.1)

где функция f (x ) – определена и непрерывна в некотором конечном или бесконечном интервале.

По виду функции f (x ) нелинейные уравнения можно разделить на два класса:

Алгебраические;

Трансцендентные.

Алгебраическими называются уравнения, содержащие только алгебраические функции (целые, рациональные, иррациональные). В частности, многочлен является целой алгебраической функцией.

Трансцендентными называются уравнения, содержащие другие функции (тригонометрические, показательные, логарифмические и др.)

Решить нелинейное уравнение – значит найти его корни или корень.

Всякое значение аргумента х , обращающее функцию f (x ) в нуль называется корнем уравнения (6.1) или нулем функции f (x ).

6.2. Методы решения

Методы решения нелинейных уравнений делятся на:

Итерационные.

Прямые методы позволяют записать корни в виде некоторого конечного соотношения (формулы). Из школьного курса алгебры известны такие методы для решения квадратного уравнения, биквадратного уравнения (так называемых простейших алгебраических уравнений), а также тригонометрических, логарифмических, показательных уравнений.

Однако, встречающиеся на практике уравнения, не удается решить такими простыми методами, потому что

Вид функции f (x ) может быть достаточно сложным;

Коэффициенты функции f (x ) в некоторых случаях известны лишь приблизительно, поэтому задача о точном определении корней теряет смысл.

В этих случаях для решения нелинейных уравнений используются итерационные методы, то есть методы последовательных приближений. Алгоритм нахождения корня уравнения, следует отметить изолированного , то есть такого, для которого существует окрестность, не содержащая других корней этого уравнения, состоит из двух этапов:

отделение корня , а именно, определение приближенного значения корня или отрезка, который содержит один и только один корень.

уточнение приближенного значения корня , то есть доведение его значения до заданной степени точности.

На первом этапе приближенное значение корня (начальное приближение ) может быть найдено различными способами:

Из физических соображений;

Из решения аналогичной задачи;

Из других исходных данных;

Графическим методом.

Более подробно рассмотрим последний способ. Действительный корень уравнения

f(x) =0

приближенно можно определить как абсциссу точки пересечения графика функции у= f (x ) с осью 0х. Если уравнение не имеет близких между собой корней, то этим способом они легко определяются. На практике часто бывает выгодным уравнение (6.1) заменить равносильным

f 1 (x)=f 2 (x)

где f 1 (x ) и f 2 (x ) – более простые, чем f (x ) . Тогда, построив графики функций f 1 (x ) и f 2 (x ), искомый корень (корни) получим как абсциссу точки пересечения этих графиков.

Отметим, что графический метод, при всей своей простоте, как правило, применим лишь для грубого определения корней. Особенно неблагоприятным, в смысле потери точности является случай, когда линии пересекаются под очень острым углом и практически сливаются по некоторой дуге.

Если такие априорные оценки исходного приближения провести не удается, то находят две близко расположенные точки a , b , между которыми функция имеет один и только один корень. Для этого действия полезно помнить две теоремы.

Теорема 1. Если непрерывная функция f (x ) принимает значения разных знаков на концах отрезка [a , b ], то есть

f (a ) f (b )<0, (6.2)

то внутри этого отрезка находится, по меньшей мере, один корень уравнения.

Теорема 2. Корень уравнения на отрезке [a , b ] будет единственным, если первая производная функции f ’(x ), существует и сохраняет постоянный знак внутри отрезка, то есть

(6.3)

Выбор отрезка [a , b ] выполняется

Графически;

Аналитически (путем исследования функции f (x ) или путем подбора).

На втором этапе находят последовательность приближенных значений корня х 1 , х 2 , … , х n . Каждый шаг вычисления x i называется итерацией . Если x i с увеличением n приближаются к истинному значению корня, то говорят, что итерационный процесс сходится.

Уравнения, в которых содержатся неизвестные функции, произведенные в степень больше единицы, называются нелинейными.
Например, y=ax+b – линейное уравнение, х^3 – 0,2x^2 + 0,5x + 1,5 = 0 – нелинейное (в общем виде записывается как F(x)=0).

Системой нелинейных уравнений считается одновременное решение нескольких нелинейных уравнений с одной или несколькими переменными.

Существует множество методов решения нелинейных уравнений и систем нелинейных уравнений, которые принято относить в 3 группы: численные, графические и аналитические. Аналитические методы позволяют определить точные значения решения уравнений. Графические методы наименее точны, но позволяют в сложных уравнениях определить наиболее приближенные значения, с которых в дальнейшем можно начинать находить более точные решения уравнений. Численное решение нелинейных уравнений предполагает прохождения двух этапов: отделение корня и его уточнение до определенно заданной точности.
Отделение корней осуществляется различными способами: графически, при помощи различных специализированных компьютерных программ и др.

Рассмотрим несколько методов уточнения корней с определенно заданной точностью.

Методы численного решения нелинейных уравнений

Метод половинного деления.

Суть метода половинного деления заключается в делении интервала пополам (с=(a+b)/2) и отбрасывании той части интервала, в которой отсутствует корень, т.е. условие F(a)xF(b)

Рис.1. Использование метода половинного деления при решении нелинейных уравнений.

Рассмотрим пример.

Разделим отрезок на 2 части: (a-b)/2 = (-1+0)/2=-0,5.
Если произведение F(a)*F(x)>0, то начала отрезка a переносится в x (a=x), иначе, конец отрезка b переносится в точку x (b=x). Полученный отрезок делим опять пополам и т.д. Весь произведенный расчет отражен ниже в таблице.

Рис.2. Таблица результатов вычислений

В результате вычислений получаем значение с учетом требуемой точности, равной x=-0,946

Метод хорд.

При использовании метода хорд, задается отрезок , в котором есть только один корень с установленной точностью e. Через точки в отрезке a и b, которые имеют координаты (x(F(a);y(F(b)), проводится линия (хорда). Далее определяются точки пересечения этой линии с осью абсцисс (точка z).
Если F(a)xF(z)

Рис.3. Использование метода хорд при решении нелинейных уравнений.

Рассмотрим пример. Необходимо решить уравнение х^3 – 0,2x^2 + 0,5x + 1,5 = 0 с точностью до e

В общем виде уравнение имеет вид: F(x)= х^3 – 0,2x^2 + 0,5x + 1,5

Найдем значения F(x) на концах отрезка :

F(-1) = - 0,2>0;

Определим вторую производную F’’(x) = 6x-0,4.

F’’(-1)=-6,4
F’’(0)=-0,4

На концах отрезка условие F(-1)F’’(-1)>0 соблюдается, поэтому для определения корня уравнения воспользуемся формулой:

Весь произведенный расчет отражен ниже в таблице.

Рис.4. Таблица результатов вычислений

В результате вычислений получаем значение с учетом требуемой точности, равной x=-0,946

Метод касательных (Ньютона)

Данный метод основывается на построении касательных к графику, которые проводятся на одном из концов интервала . В точке пересечения с осью X (z1) строится новая касательная. Данная процедура продолжается до тех пор, пока полученное значение не будет сравним с нужным параметром точности e (F(zi)

Рис.5. Использование метода касательных (Ньютона) при решении нелинейных уравнений.

Рассмотрим пример. Необходимо решить уравнение х^3 – 0,2x^2 + 0,5x + 1,5 = 0 с точностью до e

В общем виде уравнение имеет вид: F(x)= х^3 – 0,2x^2 + 0,5x + 1,5

Определим первую и вторую производные: F’(x)=3x^2-0,4x+0,5, F’’(x)=6x-0,4;

F’’(-1)=-6-0,4=-6,4
F’’(0)=-0,4
Условие F(-1)F’’(-1)>0 выполняется, поэтому расчеты производим по формуле:

Где x0=b, F(a)=F(-1)=-0,2

Весь произведенный расчет отражен ниже в таблице.

Рис.6. Таблица результатов вычислений

В результате вычислений получаем значение с учетом требуемой точности, равной x=-0,946

Математика как наука возникла в связи с необходимостью решения практических задач: измерений на местности, навигации и т.д. Вследствие этого математика была численной математикой и ее целью было получение решения в виде числа. Численное решение прикладных задач всегда интересовало математиков. Крупнейшие представители прошлого сочетали в своих исследованиях изучение явлений природы, получение их математического описания, т.е. его математической модели и его исследование. Анализ усложненных моделей потребовал создания специальных, обычно численных методов решения задач. Названия некоторых таких методов свидетельствуют о том, что их разработкой занимались крупнейшие ученые своего времени. Это методы Ньютона, Эйлера, Лобачевского, Гаусса, Чебышева, Эрмита.

Настоящее время характерно резким расширением приложений математики, во многом связанным с созданием и развитием средств вычислительной техники. В результате появления ЭВМ менее чем за 40 лет скорость выполнения операций возросла от 0,1 операции в секунду при ручном счете до 10 операций в секунду на современных ЭВМ.

Распространенное мнение о всемогуществе современных ЭВМ порождает впечатление, что математики избавились от всех хлопот, связанных с численным решением задач, и разработка новых методов для их решения уже не столь существенна. В действительности дело обстоит иначе, поскольку потребности эволюции ставят, как правило, перед наукой задачи, находящиеся на грани ее возможностей. Расширение возможностей приложения математики обусловило математизацию различных разделов науки: химии, экономики, биологии, геологии, географии, психологии, медицины, техники и др.

Можно выделить два обстоятельства, которые первоначально обусловили стремление к математизации наук:

во-первых, только применение математических методов позволяет придать количественный характер исследованию того или иного явления материального мира;

во-вторых, и это главное, только математический способ мышления делает объекта. Такой метод исследования называют вычислительным экспериментом исследование в полной мере объективным.

В последнее время появился еще фактор, оказывающий сильное воздействие на процессы математизации знаний. Это быстрое развитие средств вычислительной техники. Применение ЭВМ для решения научных, инженерных и вообще прикладных задач целиком базируется на их математизации.

Математические модели.

Современная технология исследования сложных проблем основана на построении и анализе, обычно с помощью ЭВМ, математических моделей изучаемого. Обычно вычислительный эксперимент, как мы уже видели, состоит из ряда этапов: постановка задачи, построение математической модели (математическая формулировка задачи), разработка численного метода разработка алгоритма реализации численного метода, разработка программы, отладка программы, проведение расчетов, анализ результатов.

Итак, применение ЭВМ для решения любой научной или инженерной задачи неизбежно связано с переходом от реального процесса или явления к его математической модели. Таким образом, применение моделей в научных исследованиях и инженерной практике есть искусство математического моделирования.

Моделью обычно называют представляемую или материально реализуемую систему, воспроизводящую основные наиболее существенные черты данного явления.

Основные требования, предъявляемые к математической модели - адекватность рассматриваемому явлению, т.е. оно должно достаточно отражать характерные черты явления. Вместе с тем она должна обладать сравнительной простотой и доступностью исследования.

Математическая модель отражает зависимость между условиями протекания изучаемого явления и его результатами в тех или иных математических конструкциях. Чаще всего в качестве таких конструкций используются следующие математические понятия: функция, функционал, оператор, числовое уравнение, обыкновенное дифференциальное уравнение, дифференциальное уравнение в частных производных.

Математические модели можно классифицировать по разным признакам: статические и динамические, сосредоточенные и распределенные; детерминированные и вероятностные.

Рассмотрим задачу нахождения корней нелинейного уравнения

Корнями уравнения (1) называются такие значения х, которые при подстановке обращают его в тождество. Только для простейших уравнений удается найти решение в виде формул, т.е. аналитическом виде. Чаще приходится решать уравнения приближенными методами, наибольшее распространение среди которых, в связи с появлением компьютеров, получили численные методы.

Алгоритм нахождения корней приближенными методами можно разбить на два этапа. На первом изучается расположение корней и проводится их разделение. Находится область , в которой существует корень уравнения или начальное приближение к корню x 0 . Простейший способ решения этой задачи является исследование графика функции f(x) . В общем же случае для её решения необходимо привлекать все средства математического анализа.

Существование на найденном отрезке , по крайней мере, одного корня уравнения (1) следует из условия Больцано:

f(a)*f(b)<0 (2)

При этом подразумевается, что функция f(x) непрерывна на данном отрезке. Однако данное условие не отвечает на вопрос о количестве корней уравнения на заданном отрезке . Если же требование непрерывности функции дополнить ещё требованием её монотонности, а это следует из знакопостоянства первой производной, то можно утверждать о существовании единственного корня на заданном отрезке.

При локализации корней важно так же знание основных свойств данного типа уравнения. К примеру, напомним, некоторые свойства алгебраических уравнений:

где вещественные коэффициенты.

• а) Уравнение степени n имеет n корней, среди которых могут быть как вещественные, так и комплексные. Комплексные корни образуют комплексно-сопряженные пары и, следовательно, уравнение имеет четное число таких корней. При нечетном значении n имеется, по меньшей мере, один вещественный корень.
• б) Число положительных вещественных корней меньше или равно числа переменных знаков в последовательности коэффициентов. Замена х на -х в уравнении (3) позволяет таким же способом оценить число отрицательных корней.

На втором этапе решения уравнения (1), используя полученное начальное приближение, строится итерационный процесс, позволяющий уточнять значение корня с некоторой, наперед заданной точностью. Итерационный процесс состоит в последовательном уточнении начального приближения. Каждый такой шаг называется итерацией. В результате процесса итерации находится последовательность приближенных значений корней уравнения. Если эта последовательность с ростом n приближается к истинному значению корня x , то итерационный процесс сходится. Говорят, что итерационный процесс сходится, по меньшей мере, с порядком m, если выполнено условие:

где С>0 некоторая константа. Если m=1 , то говорят о сходимости первого порядка; m=2 - о квадратичной, m=3 - о кубической сходимостях.

Итерационные циклы заканчиваются, если при заданной допустимой погрешности выполняются критерии по абсолютным или относительным отклонениям:

или малости невязки:

Эта работа посвящена изучению алгоритма решения нелинейных уравнений с помощью метода Ньютона.

Существует много различных методов решения нелинейных уравнений, некоторые из них представлены ниже:

• 1)Метод итераций . При решении нелинейного уравнения методом итераций воспользуемся записью уравнения в виде x=f(x). Задаются начальное значение аргумента x 0 и точность е. Первое приближение решения x 1 находим из выражения x 1 =f(x 0), второе - x 2 =f(x 1) и т.д. В общем случае i+1 приближение найдем по формуле xi+1 =f(xi). Указанную процедуру повторяем пока |f(xi)|>е. Условие сходимости метода итераций |f"(x)|
• 2)Метод Ньютона . При решении нелинейного уравнения методом Ньтона задаются начальное значение аргумента x 0 и точность е. Затем в точке(x 0 ,F(x 0)) проводим касательную к графику F(x) и определяем точку пересечения касательной с осью абсцисс x 1 . В точке (x 1 ,F(x 1)) снова строим касательную, находим следующее приближение искомого решения x 2 и т.д. Указанную процедуру повторяем пока |F(xi)| > е. Для определения точки пересечения (i+1) касательной с осью абсцисс воспользуемся следующей формулой

x i+1 =x i -F(x i) F"(x i).

Условие сходимости метода касательных F(x 0) F""(x)>0, и др.

3). Метод дихотомии. Методика решения сводится к постепенному делению начального интервала неопределённости пополам по формуле

С к =а к +в к /2.

Для того чтобы выбрать из двух получившихся отрезков необходимый, надо находить значение функции на концах получившихся отрезков и рассматривать тот на котором функция будет менять свой знак, то есть должно выполняться условие f (а к)* f (в к)<0.

Процесс деления отрезка проводится до тех пор, пока длина текущего интервала неопределённости не будет меньше заданной точности, то есть в к - а к < E. Тогда в качестве приближенного решения уравнения будет точка, соответствующая середине интервала неопределённости.

4). Метод хорд . Идея метода состоит в том, что на отрезке строится хорда стягивающая концы дуги графика функции y=f(x), а точка c, пересечения хорды с осью абсцисс, считается приближенным значением корня

c = a - (f(a)Ч (a-b)) / (f(a) - f(b)),

c = b - (f(b)Ч (a-b)) / (f(a) - f(b)).

Следующее приближение ищется на интервале или в зависимости от знаков значений функции в точках a,b,c

x* О , если f(с)Ч f(а) > 0 ;

x* О , если f(c)Ч f(b) < 0 .

Если f"(x) не меняет знак на , то обозначая c=x 1 и считая начальным приближением a или b получим итерационные формулы метода хорд с закрепленной правой или левой точкой.

x 0 =a, x i+1 = x i - f(x i)(b-x i) / (f(b)-f(x i), при f "(x)Ч f "(x) > 0 ;

x 0 =b, x i+1 = x i - f(x i)(x i -a) / (f(x i)-f(a), при f "(x)Ч f "(x) < 0 .

Сходимость метода хорд линейная

Алгебраические и трансцендентные уравнения. Методы локализации корней.

Наиболее общий вид нелинейного уравнения:

f(x) =0 (2.1)

где функция f(x) определена и непрерывна на конечном или бесконечном интервале [а, b].

Определение 2.1. Всякое число, обращающее функцию f(x) в нуль, называется корнем уравнения (2.1).

Определение 2.2. Число, называется корнем k-ой кратности, если при вместе с функцией f(x) равны нулю ее производные до (к-1)-го порядка включительно:

Определение 2.3. Однократный корень называется простым.

Нелинейные уравнения с одной переменной подразделяются на алгебраические и трансцендентные.

Определение 2.4 . Уравнение (2.1) называется алгебраическим, если функция F(x) является алгебраической.

Путем алгебраических преобразований из всякого алгебраического уравнения можно получить уравнение в канонической форме:

где -- действительные коэффициенты уравнения, х -- неизвестное.

Из алгебры известно, что всякое алгебраическое уравнение имеет, по крайней мере, один вещественный или два комплексно сопряженных корня.

Определение 2.5. Уравнение (2.1) называется трансцендентным, если функция F(x) не является алгебраической.

Решить уравнение (2.1) означает:

• 1. Установить имеет ли уравнение корни.
• 2. Определить число корней уравнения.
• 3. Найти значения корней уравнения с заданной точностью.

Встречающиеся на практике уравнения часто не удается решить аналитическими методами. Для решения таких уравнений используются численные методы.

Алгоритм нахождения корня уравнения с помощью численного метода состоит из двух этапов:

• 1) отделение или локализация корня, т.е. установление промежутка , в котором содержится один корень:
• 2) уточнение значения корня методом последовательных приближений.

Методы локализации корней. Теоретической основой алгоритма отделения корней служит теорема Коши о промежуточных значениях непрерывной функции.

Теорема 2.1. Если функция у = f(х) непрерывна на отрезке [а,b] и f(а)=А, f(b)=В, то для любой точки С, лежащей между А и В, существует точка, что.

Следствие. Если функция у = f(х) непрерывна на отрезке [а,b ] и на его концах принимает значения разных знаков, то на этом отрезке существует хотя бы один корень уравнения f(х) = 0.

Пусть область определения и непрерывности функции является конечным отрезком [а,b] . Разделим отрезок на n частей: ,

Вычисляя последовательно значения функции в точках находим такие отрезки, для которых выполняется условие:

т.е. , или, . Эти отрезки и содержит хотя бы по одному корню.

Теорема 2.2. Если функция у = f(х) непрерывна на отрезке [а;b ], f(а)f(b)<0 и f`(х) на интервале (а;b) сохраняет знак, то внутри отрезка [а;b] существует единственный корень уравнения f(х) = 0.

Для отделения корней можно использовать также график функции у = f(х). Корнями уравнения (2.1) являются те значения х, при которых график функции y=f(х) пересекает ось абсцисс. Построение графика функции даже с малой точностью обычно дает представление о расположении корней уравнения (2.1). Если построение графика функции у=f(x) вызывает затруднение, то исходное уравнение (2.1) следует преобразовать к виду ц1(х) = ц2(х) таким образом, чтобы графики функций у = ц1(х) и у = ц2(х) были достаточно просты. Абсциссы точек пересечения этих графиков и будут корнями уравнения (2.1).

Пример 1. Отделить корни уравнения x 2 -2cosx=0.

Решение. Рассмотрим два способа отделения корней.

• а) Графический способ. Перепишем уравнение в виде x 2 =2cosx и построим график функций y=x 2 и y=2cosx в одной и той же системе координат (рисунок 5). так как эти графики пересекаются в двух точках, уравнение имеет два корня, расположенные симметрично относительно начала координат на интервалах (-/2; 0) и (0; /2).
• б) Аналитический способ. Пусть f(x)= x 2 -2cosx. Так как f(x) четная функция, то достаточно рассмотреть только неотрицательные значения x. В силу неравенства 2cosx2

Производная f"(x) =2(x+sinx). На интервале (0; /2) f"(x) >0 , следовательно, f(x) здесь монотонно возрастает и ее график может пересечь ось х не более, чем в одной точке. Заметим, что f(0)=- 2<0, а f(/2)=(/2) 2 >0. Значит, уравнение имеет один положительный корень, лежащий на интервале (0; /2). В силу четности функции уравнение имеет также один отрицательный корень, симметричный положительному. Теперь перейдем к уточнению корня. Для применения комбинированного метода уточнения корня необходимо убедится, что f ""(x) на (0; /2) сохраняет знак, и выбрать начальное приближение корня для применения метода касательных. Оно должно удовлетворять условию: f(x)f ""(x) >0. Так как f ""(x) =2(1+cosx) положительна на , то за начальное приближение корня в методе касательных может быть взято /2. Следовательно, можно положить x =/21,570796, x 1 =0 (см схему алгоритма). В нашем случае метод хорд будет давать приближенное значение корня с недостатком, а метод касательных - с избытком.

Рассмотрим один итерационный шаг уточнения корня. Вычислим значения f(0), f(/2), f"(/2). Новые значения x 1 и x найдем соответственно по формулам:

|x-x 1 |=0,387680,4>10 -4 =.

Заданная точность не достигнута, и вычисления нужно продолжить.

Номер итерации	x 1		f(x 1 )			|x- x 1 |

Следовательно, приближенное значение корня с нужной точностью найдено в результате трех итераций и приближенно равно 1,0217.

В силу симметрии графика функции f(x) значение второго корня приближенно равно -1,0217.

Уточнение корня.

Постановка задачи . Допустим, что искомый корень уравнения (2.1) отделен, т.е. найден отрезок [а; b], на котором имеется один и только один корень уравнения. Любую точку этого отрезка можно принять за приближенное значение корня. Погрешность такого приближения не превосходит длины [а; b]. Следовательно, задача отыскания приближенного значения корня с заданной точностью сводится к нахождению отрезка [а; b] (b- a <), содержащего только один корень уравнения (2.1). Эту задачу обычно называют задачей уточнения корня.

Описание численных методов. Численные методы позволяют найти решения определенных задач, заранее зная, что полученные результаты будут вычислены с определенной погрешностью, поэтому для многих численных методов необходимо заранее знать «уровень точности», которому будет соответствовать полученное решение.

В этой связи задача нахождения корней многочлена вида (3.1)

представляет особый интерес, т.к. формулы нахождения корней даже кубического уравнения достаточно сложны. Если необходимо отыскать корни многочлена, степень которого равна, например, 5 - то без помощи численных методов не обойтись, тем более, что вероятность наличия у такого многочлена натуральных (или целых, или точных корней с «короткой» дробной частью) довольно мала, а формул для нахождения корней уравнения степени, превышающей 4, не существует. Де-факто все дальнейшие операции будут сводиться лишь к уточнению корней , интервалы которых приблизительно известны заранее. Проще всего эти «приблизительные» корни находить, используя графические методы.

Для нахождения корней многочлена существует несколько численных методов: метод итераций, метод хорд и касательных, метод половинного деления, метод секущих.

Метод бисекций (известный еще и как «метод деления отрезка пополам») также является рекурсивным, т.е. предусматривает повторение с учетом полученных результатов.

Суть метода половинного деления заключается в следующем:

• - дана функция F(x);
• - определена допустимая погрешность Q;
• - определен некоторый интервал [ a , b ], точно содержащий решение уравнения.

1) Вычисляем значение координаты Е, беря середину отрезка , т.е.

Е= (a + b) / 2 (3.2)

• 2) Вычисляем значения F(a), F(b), F(E), и осуществляем следующую проверку: Если F(E)>Q, то корень с указанной точностью найден. Если F(E)
• 3) Переходим к пункту 1.

Метод простых итераций (метод последовательных приближений). Заменим уравнение (2.1) эквивалентным ему уравнением

x=(x) (3.3)

можно сделать различными способами, например

х=х+сf(x), c0. (3.4)

Предположим, что выбрано некоторое начальное приближение корня уравнения (3.3). Определим числовую последовательность по формулам

х n+1 =(x n ), n=0,1,2,… (3.5)

Такую последовательность называют итерационной.

Если на отрезке , содержащем х 0 и все последующие приближения х n , nN, функция (x) имеет непрерывную производную "(x) и |"(x)|q<1, то итерационная последовательность (3.5) сходится к единственному на корню уравнения (3.3). Скорость сходимости определяется неравенством

Из этого неравенства, в частности, следует, что скорость сходимости метода простой итерации зависит от величины q: чем меньше q, тем быстрее сходимость.

Следовательно, на практике при нахождении корней методом простой итерации желательно представить уравнение (2.1) в форме (3.3) таким образом, чтобы производная "(x) в окрестности корня по абсолютной величине была, возможно, меньше. Для этого иногда пользуются параметром с из формулы (3.4).

Метод Ньютона (метод касательных). Если известно достаточно хорошее начальное приближение, для которого выполняется неравенство:

то можно вычислить единственный корень уравнения, используя формулу Ньютона

В качестве начального приближения можно использовать границы интервала, причем:

Если на.

На каждой итерации, данного метода, объем вычислений больше чем в методах биссекций и итераций, поскольку приходится находить не только значение функции, но и ее производной. Однако скорость сходимости метода Ньютона значительно выше.

Теорема. Пусть -корень уравнения, т.е. , а и непрерывна. Тогда существует окрестность корня такая, что если начальное приближение принадлежит этой окрестности, то для метода Ньютона последовательность значений сходится к при. Погрешность -го приближения корня можно оценить по формуле:

где - наибольшее значение модуля второй производной на отрезке, - наименьшее значение модуля первой производной на отрезке.

Правило останова:

Метод хорд и касательных (комбинированный). Данный метод основан на построении схематического графика функции, определении интервалов его пересечения с осью абсцисс и последующим «сжатием» этого интервала при помощи строимых хорд и касательных к графику этой функции.

Надо отметить, что существуют также отдельно метод хорд (дает значение корня с недостатком) и метод касательных (с избытком). Однако преимущество комбинированного метода заключается в «двустороннем сжатии» рассматриваемого отрезка.

Рассмотрим следующий случай:

• - дана функция F(x) и построен ее график;
• - определена допустимая погрешность Q
• - на основании графика определен отрезок , на котором график функции пересекает ось абсцисс, следовательно, на этом отрезке существует корень рассматриваемого многочлена (обозначим его через A)

Дальнейший алгоритм сводится к следующим действиям:

• 1) строим касательную к графику функции в точке F(b)
• 2) вычисляем координату х пересечения касательной с осью абсцисс по формуле (3.9) и обозначаем ее через b"
• 3) строим к графику функции хорду, проходящую через точки F(a) и F(b).
• 4) Вычисляем точку пересечения хорды с осью абсцисс по формуле (2) и обозначаем ее через a".

Таким образом мы получаем новый отрезок , который (по определениям хорды и касательной) по прежнему содержит решение уравнения A.

Теперь принимаем отрезок за новый отрезок и повторяем шаги 1-4 до тех пор, пока разность F(b)-F(a) не станет меньше первоначально заложенной погрешности Q. Отметим также, что после этого рекомендуется в качестве искомого решения взять среднее арифметическое F(a) и F(b).

Таким образом, если хорда (касательная) дает значение корня с избытком, то этот корень берется в качестве новой правой границы, а если с недостатком - то левой. В обоих случаях точный корень лежит между точками пересечения хорды и касательной с осью абсцисс.

Замечание к методу хорд и касательных. Так как для решения поставленной задачи требуется отыскание производной функции F(x), метод хорд и касательных достаточно трудно реализуем на программном уровне, т.к. правила вычисления производных в общем виде довольно громоздки для «понимания» ЭВМ; при непосредственном указании производной для каждой степени многочлена память компьютера серьезно загружается, что очень замедляет работу, а задание функции и, соответственно, ее производной непосредственно в программном коде - недопустимо. Однако, используя данный метод, сходимость интервала к корню происходит наиболее быстро, особенно если совместить метод хорд и касательных с методом бисекции, т.к. середина нового отрезка зачастую дает вполне удовлетворительное решение.

Метод секущих. Метод секущих может быть получен из метода Ньютона при замене производной приближенным выражением - разностной формулой:

В формуле (3.8) используются два предыдущих приближения и. Поэтому при заданном начальном значении необходимо вычислить следующее приближение, например, методом Ньютона с приближенной заменой производной по формуле

Алгоритм метода секущих:

1) заданы начальное значение и погрешность. Вычислим

2) для n = 1,2, ….. пока выполняется условие, вычисляем по формуле (3.8).

Цель работы

Ознакомиться с основными методами решения нелинейных уравнений и их реализацией в пакете MathCAD.

Методические указания

Инженеру часто приходится составлять и решать нелинейные уравнения, что может представлять собой самостоятельную задачу или являться частью более сложных задач. В обоих случаях практическая ценность метода решения определяется быстротой и эффективностью полученного решения, а выбор подходящего метода зависит от характера рассматриваемой задачи. Важно отметить, что к результатам компьютерных вычислений всегда нужно относиться критически, анализировать их на правдоподобность. Чтобы избежать "подводных камней" при использовании любого стандартного пакета, реализующего численные методы, нужно иметь хотя бы минимальное представление о том, какой именно численный метод реализован для решения той или иной задачи.

Нелинейные уравнения можно разделить на 2 класса – алгебраические и трансцендентные. Алгебраическими уравнениями называют уравнения, содержащие только алгебраические функции (целые – в частности многочлен, рациональные, иррациональные). Уравнения, содержащие другие функции (тригонометрические, показательные, логарифмические и др.) называются трансцендентными. Нелинейные уравнения могут решаться точными или приближенными методами. Точные методы позволяют записать корни в виде некоторого конечного соотношения (формулы). К сожалению, большинство трансцендентных уравнений, а также произвольные алгебраические уравнения степени выше четвертой не имеют аналитических решений. Кроме того, коэффициенты уравнения могут быть известны лишь приблизительно и, следовательно, сама задача о точном определении корней теряет смысл. Поэтому для решения используются итерационные методы последовательного приближения. Вначале следует вначале отделить корни (т.е. найти их приближенное значение или отрезок их содержащий), а затем методом последовательных приближений их уточнить. Отделить корни можно – установив знаки функции f (x ) и ее производной в граничных точках области ее существования, оценив приближенные значения из физического смысла задачи, или из решения аналогичной задачи при других исходных данных.

Широко распространен графический способ определения приближенных значений действительных корней – строят график функции f (x ) и отмечают точки пересечения его с осью ОХ. Построение графиков часто удается упростить, заменив уравнение f (x )= 0 равносильным ему уравнением , где функции f 1 (x ) и f 2 (x ) - более простые, чем функция f (x ). В этом случае следует искать точку пересечения этих графиков.

Пример 1. Графически отделить корни уравнения x lg x = 1. Перепишем его в виде равенства lg x= 1/xи найдем абсциссы точек пересечения логарифмической кривой y = lg x и гиперболы y = 1/x (рис. 5). Видно, что единственный корень уравнения .

Реализация классических приближенных методов решения в пакете MathCAD.

Метод половинного деления

Отрезок, на концах которого функция принимает значения разного знака, делится пополам и, если корень лежит правее центральной точки, то к центру подтягивается левый край, а если – левее, то правый край. Новый суженный отрезок снова делится пополам и процедура повторяется. Этот метод прост и надежен, всегда сходится (хотя часто медленно – расплата за простоту!). Программная реализация его в пакете MathCAD рассмотрена в лабораторной работе №7 данного пособия.

Метод хорд

В качестве последовательных приближений к корню уравнения принимаются значения х 1 , х 2 , ..., х n точек пересечения хорды АВ с осью абсцисс (рис. 6).

Уравнение хорды AB имеет вид: . Для точки пересечения ее с осью абсцисс (х=х 1 , y= 0) имеем:

Пусть для определенности кривая у = f (x ) будет выпукла вниз и, следовательно, расположена ниже своей хорды АВ , т.е. на отрезке f ²(x )>0. Возможны два случая: f (а )>0 (рис. 6, а ) и f (а )<0 (рис. 6, б ).

В первом случае, конец а неподвижен. Последовательные итерации образуют ограниченную монотонно убывающую последовательность: и определяются согласно уравнениям:

x 0 = b ; . (4.1)

Во втором случае неподвижен конец b , последовательные итерации образуют ограниченную монотонно возрастающую последовательность: и определяются согласно уравнениям:

x 0 = а ; . (4.2)

Таким образом, неподвижным следует выбирать тот конец, для которого знак функции f (х ) и ее второй производной f ²(х ) совпадают, а последовательные приближения x n лежат по ту сторону корня x, где эти знаки противоположны. Итерационный процесс продолжается до тех пор, пока модуль разности двух последовательных приближений не станет меньше, чем заданная точность решения.

Пример 2. Найти положительный корень уравнения f (x ) º x 3 –0,2x 2 –0,2х –1,2 = 0 с точностью e= 0,01. (Точный корень уравнения x = 1,2).

Для организации итерационных вычислений в MathCAD документе используется функция until(a, z ), котораявозвращает значение величины z , пока выражение a не становится отрицательным.

Метод Ньютона

Отличие этого метода от предыдущего состоит в том, что вместо хорды на каждом шаге проводится касательная к кривой y=f (x )при x=х i и ищется точка пересечения ее с осью абсцисс (рис. 7):

При этом не обязательно задавать отрезок [а, b], содержащий корень уравнения), а достаточно лишь задать начальное приближение корня x=х 0 , которое должно находиться на том же конце интервала [а, b], где знаки функции и ее второй производной совпадают.

Уравнение касательной, проведенной к кривой y = f (x ) через точку В 0 с координатами х 0 и f (х 0), имеет вид:

Отсюда найдем следующее приближение корня х 1 как абсциссу точки пересечения касательной с осью Ох (y = 0):

Аналогично могут быть найдены и последующие приближения как точки пересечения с осью абсцисс касательных, проведенных в точках В 1 , В 2 и так далее. Формула для (i + 1) приближения имеет вид:

Условием окончания итерационного процесса является неравенство ïf (x i )ï

Пример 3 . Реализация итерационного метода Ньютона.

Метод простой итерации (последовательных итераций )

Заменим исходное нелинейное уравнение f (х )=0 равносильным уравнением вида x =j(x ). Если известно начальное приближение корня х = х 0 , то новое приближение может быть получено по формуле: х 1 =j(х 0). Далее, подставляя каждый раз новое значение корня в исходное уравнение получаем последовательность значений:

Геометрическая интерпретация метода состоит в том, что каждый действительный корень уравнения является абсциссой точки пересечения М кривой у= j(х ) с прямой у=х (рис. 8). Отправляясь от произвольной т. А 0 [x 0 ,j(x 0)] начального приближения, строим ломаную А 0 В 1 А 1 В 2 А 2 .., которая имеет форму «лестницы» (рис. 8, а ) если производная j’(x) положительна и форму «спирали» (рис. 8, б ) в противоположном случае.

	в)
Рис. 8. Метод простой итерации: а, б – сходящаяся итерация, в – расходящаяся итерация.

Отметим, что следует заранее проверить пологость кривой j(х ), поскольку если она не является достаточно пологой ( >1), то процесс итерации может быть расходящимся (рис. 8, в ).

Пример 4. Решитьуравнение x 3 – x – 1 = 0 методом простой итерации с точностью e = 10 -3 . Реализация этой задачи представлена следующим MathCAD документом.

Реализация приближенных методов решения встроенными функциями MathCAD

Использование функции root

Для уравнений вида f (x ) = 0 решение находится с помощью функции: root(f (х ),х,a,b ) , которая возвращает значение х , принадлежащее отрезку [a, b ] , при котором выражение или функция f (х ) обращается в 0. Оба аргумента этой функции x и f(x) должны быть скалярами, а аргументы a, b – являютсянеобязательными и, если используются, то должны быть вещественными числами, причем a < b. Функция позволяет находить не только вещественные, но и комплексные корни уравнения (при выборе начального приближения в комплексной форме).

Если уравнение не имеет корней, они расположены слишком далеко от начального приближения, начальное приближение было вещественным, а корни – комплексные, функция f (х ) имеет разрывы (локальные экстремумы между начальными приближениями корня) то появится сообщение (отсутствует сходимость). Причину ошибки можно выяснить, исследуя график f (x ). Он поможет выяснить наличие корней уравнения f (x ) = 0 и, если они есть, то определить приблизительно их значения. Чем точнее выбрано начальное приближение корня, тем быстрее будет сходиться функция root .

Для выражения f (x ) с известным корнем а нахождение дополнительных корней f (x ) эквивалентно поиску корней уравнения h (x )=f (x )/(x‑a ). Проще искать корень выражения h (x ), чем пробовать искать другой корень уравнения f (x )=0, выбирая различные начальные приближения. Подобный прием полезен для нахождения корней, расположенных близко друг к другу, он реализован в приведенном ниже документе.

Пример 5 . Решить алгебраическое уравнения с помощью функции root:

Примечание. Если увеличить значение системной переменной TOL (tolerance), то функция root будет сходиться быстрее, но ответ будет менее точен, а при уменьшении TOL более медленная сходимость обеспечивает более высокую точность, соответственно. Последнее необходимо, если требуется различить два близко расположенных корня, или же, если функция f (x ) имеет малый наклон около искомого корня, поскольку итерационный процесс в этом случае может сходиться к результату, отстоящему от корня достаточно далеко. В последнем случае альтернативой повышения точности является замена уравнения f (x ) = 0на g (x ) = 0, где .

Использование функции polyroots

Если функция f(x) является полиномом степени n , то для решения уравнения f(x)=0 лучше использовать функцию polyroots (a), нежели root , поскольку она не требует начального приближения и возвращает сразу все корни, как вещественные, так и комплексные. Аргументом ее является вектор a, составленный из коэффициентов исходного полинома. Его можно сформировать вручную или с помощью команды Символы Þ Коэффициенты полинома (переменная полинома x выделяется курсором). Пример применения функции polyroots:

Использование функции solve и блока решений

Блок решений с ключевыми словами (Given – Find или Given – Minerr ) или функция solve позволяют найти решение произвольного нелинейного уравнения, если предварительно задано начальное приближение.

Отметим, что между функциями Find и root наблюдается своеобразная конкуренция. С одной стороны, Find позволяет искать корни, как уравнений, так и систем. С этих позиций функция root как бы и не нужна. Но с другой стороны, конструкцию Given-Find невозможно вставить в MathCAD программы. Поэтому в программах приходится подстановками сводить систему к одному уравнению и использовать функцию root .

Символьное решение уравнений в пакете MathCAD

Во многих случаях, MathCAD позволяет найти аналитическое решение уравнения. Для того чтобы найти решение уравнения в аналитическом виде необходимо записать выражение и выделить в нем переменную. После этого выбираем из пункта меню Symbolic подпункт Solve for Variable.

Другими вариантами нахождения решения в символьной форме являются (приводятся примеры решения того же уравнения) – использование функции solve из палитры математических операций Символы (Symbolic ).

использование блока решения (с ключевыми словами Given - Find )