R4_Niel_Row_Alg(1).doc

(924 KB) Pobierz

Rozwiązywanie numeryczne równań nieliniowych

 

 

              Wyznaczanie przedziałów izolacji. Niech będzie dane nieliniowe równanie algebraiczne

,

przy czym funkcja jest ciągła w przedziale domkniętym .

Zadanie polega na odnalezieniu takich przedziałów

,

które zawierają pojedyncze pierwiastki równania . W tym celu będziemy obliczać wartości funkcji od punktu do punktu z krokiem . Jeżeli w sąsiednich punktach funkcji ma przeciwny znaki

,

to przedział zawiera pierwiastek.

              Zawsze zostaje problem wybory wielkości przedziału . W związku z tym powyższy algorytm uzupełniamy dodatkowo sprawdzaniem warunku

.

W przeciwnym razie krok należę dzielić na pół, dopóki nie przekonamy się, że przedział nie zawiera pierwiastka.

Dotoczymy schemat blokowy poszukiwania przedziałów zawierających pierwiastki.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Koniec!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              Metoda równego podziału. Dane jest nieliniowe równanie algebraiczne

,

przy czym funkcja jest ciągła w przedziale domkniętym oraz zachodzi nierówność

.

Twierdzenie (Bolzano – Cauchy’ego). Jeśli funkcja ciągła ma na końcach przedziału domkniętego wartości różnych znaków, to wewnątrz tego przedziału istnieje co najmniej jeden pierwiastek równania .

              W celu znalezienia pierwiastka równania zawartego w przedziale dzielimy ten przedział na dwie połowy. Jeśli , to szukany pierwiastek wynosi . Jeżeli , to z przedziałów i wybieramy ten, na końcach którego funkcja ma różne znaki. Następnie połowimy nowy zawężony przedział i powtarzamy czynności itd.

              W ten sposób albo pierwiastek dokładny , albo ciąg podprzedziałów

, , … , , …

przy czym

,    

oraz

,    

Ponieważ , to z poprzedniego wyrażenia wynika istnienie wspólnej granicy .

              Oto schemat blokowy algorytmu

 

 

 

 

 

 

 

Drukuj

C - pierwiastek

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              Metoda siecznych. Zamiast dzielić przedział na dwie połowy podzielimy go w stosunku

.

W interpretacji geometrycznej metoda siecznych oznacza zastąpienie krzywej przez cięciwę łączącą punkty

     i     .

Teoretycznie możliwy cztery różne przypadki podane na rysunku. Punkt, w którym wartość funkcji ma taki sam znak, jak i druga pochodna , pozostaje nieruchomy.

              Na rysunkach

    

 

nieruchomy jest punkt .

              Wtedy otrzymujemy rosnący ciąg ograniczony

,   ,  

              Na rysunkach

   

nieruchomy jest punkt .

              Wtedy otrzymujemy malejący ciąg ograniczony

,   ,  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              Oto schemat blokowy odpowiedniego algorytmu dla metody siecznych.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Metoda stycznych. Zakładając, że oraz że pierwsza pochodna i druga pochodna są ciągłe i nie zmieniają znaku w przedziale domkniętym , pierwiastek równania można znaleźć metodą Newtona według wzoru

,    

              Jako przybliżenie zerowe wybieramy ten punkt, w którym wartości funkcji i druga pochodna jednakowe znaki. Na przykład, punkt na rysunkach

    

 

lub punkt dla poniższych wykresów

    

 

              Oto schemat blokowy odpowiedniego algorytmu.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Przykład. Znaleźć pierwiastek kwadratowy z liczby (Babilon), tj. rozwiązać równanie

.

Powyższy wzór Newtona przybiera postać

.

 

 

              Metoda iteracji. Metoda ta oparta jest na pojęciu odwzorowania zwężającego.

              Definicja. Odwzorowanie przestrzeni metrycznej w siebie

,

nazywamy odwzorowaniem zwężającym, gdy istnieje taka liczba (), że

,

dla dowolnych .

              Odwzorowanie zwężające jest ciągłym, ponieważ

     i     ,

wówczas

     a więc     .

 

              Twierdzenie Banacha. Niech będzie odwzorowaniem zwężającym przestrzeni metrycznej zupełnej w siebie. Wtedy istnieje jeden i tylko jeden punkt taki, że

              Ponadto, jeżeli jest dowolnym punktem przestrzeni oraz

,     ,

to

i zachodzi nierówność

,    

              Twierdzenie Banacha podaje metodę przybliżonego rozwiązywania równania o postaci

za pomocą ciągu

,     ,

która znana jak metoda iteracji albo metoda kolejnych przybliżeń.

              Twierdzenie. Niech funkcja będzie określona i różniczkowalna w przedziale domkniętym i niech jej wartości należą do tego przedziału. Wtedy jeśli istnieje ułamek właściwy taki, że

,

to proces iteracyjny jest zbieżny niezależnie od przybliżenia początkowego , zaś wartość graniczna

jest jedynym pierwiastkiem równania w przedziale domkniętym .

              Więc idea metody iteracji jest sprowadzić każde równanie do równoważnej postaci i następnie sprawdzić warunki poprzedniego twierdzenia.

              Interpretacja geometryczna podana na poniższych rysunkach.

 

 

 

 

 

              Na rysunkach

 

 

    

 

metoda iteracyjna jest zbieżna (), wówczas na rysunkach

 

 

    

 

metoda iteracyjna jest rozbieżna ().

 

 

 

 

 

              Oto schemat blokowy algorytmu

 

...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin