数值方法第二章 非线性方程的近似解法.ppt
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_05.gif)
《数值方法第二章 非线性方程的近似解法.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《数值方法第二章 非线性方程的近似解法.ppt(65页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第二章 非线性方程的近似解法第二章 非线性方程的近似解法2.0 2.0 简介简介 2.1 2.1 二分法(对分法)二分法(对分法)2.2 2.2 简单迭代法简单迭代法2.3 2.3 NewtonNewton迭代法迭代法2.0 2.0 简介简介求解非线性方程求解非线性方程 f f(x x)=0)=0 一、问题一、问题困难困难:方程的解难以用公式表达。:方程的解难以用公式表达。例如例如:1):1)多项式方程:多项式方程:需要一定精度的近似解!需要一定精度的近似解!2)2)超越方程超越方程:方程方程 的解的解 称为方程称为方程 的的根根或称为或称为 的的零点零点。二、概念二、概念方程可能有多个实根,
2、我们只能逐个求出来。方程可能有多个实根,我们只能逐个求出来。二、概念二、概念设在区间设在区间 a a,b b 上方程有一个根,则称该区间上方程有一个根,则称该区间为方程的一个为方程的一个有根区间有根区间。若在区间。若在区间 a a,b b 上方上方程只有一个根,则称该区间为方程隔根区间程只有一个根,则称该区间为方程隔根区间。RemarkRemark:若能把有根区间不断缩小,则可以得出根若能把有根区间不断缩小,则可以得出根的近似值。的近似值。三、根的隔离三、根的隔离基于函数基于函数f f(x x)的连续性质,常用的根的隔离的方的连续性质,常用的根的隔离的方法有:法有:描图法描图法与与逐步搜索法逐
3、步搜索法。1、描图法描图法:画出画出y y=f f(x x)的简图,从曲线与的简图,从曲线与x x轴交点轴交点的位置确定出隔根区间,或者将方程等价变形为的位置确定出隔根区间,或者将方程等价变形为g g1 1(x x)=)=g g2 2(x x),画出函数,画出函数y y=g g1 1(x x)和和y y=g g2 2(x x)的简图,的简图,从两条曲线交点的横坐标的位置确定隔根区间。从两条曲线交点的横坐标的位置确定隔根区间。2 2、逐步搜索法、逐步搜索法:先确定方程先确定方程f f(x)=0(x)=0的所有实根所在的所有实根所在区间区间 a a,b b,再按照选定的步长,再按照选定的步长 (n
4、 n为正整为正整数),取点数),取点x xk k=a a+khkh(k k=0,1,=0,1,n n),逐步计算函数值,逐步计算函数值f f(x xk k),依据函数值异号以及实根的个数确定隔根区间。,依据函数值异号以及实根的个数确定隔根区间。必要时可调整步长必要时可调整步长h h,总可把隔根区间全部找出。,总可把隔根区间全部找出。三、根的隔离三、根的隔离三、根的隔离三、根的隔离问题:问题:扫描间距扫描间距?2.1 2.1 二分法(对分法)二分法(对分法)关于求解算法关于求解算法:算法多样:比如刚才的算法多样:比如刚才的逐步搜索法逐步搜索法考虑因素:考虑因素:1稳定性;稳定性;2收敛性;收敛性
5、;32.1 2.1 二分法(对分法)二分法(对分法)一、算法一、算法设设 在在 a,ba,b 上连续,上连续,f f(a a)f f(b)0(b)0且在且在 a a,b b 内内f f(x x)=0 0仅有一个实根仅有一个实根 。二分法的。二分法的基本思想基本思想是:是:逐步将有根区间分半,通过判别函数值的符号,逐步将有根区间分半,通过判别函数值的符号,进一步搜索有根区间,将有根区间缩小到充分小,进一步搜索有根区间,将有根区间缩小到充分小,从而求出满足给定精度的根从而求出满足给定精度的根 的近似值。的近似值。执行步骤:执行步骤:1计算计算f(x)在有解区间在有解区间a,b端点处的值端点处的值,
6、f(a),f(b)。2计算计算f(x)在区间中点处的值在区间中点处的值f(x1)。3判断若判断若f(x1)=0,则则x1即是根,否则检验即是根,否则检验:(1)若若f(x1)与与f(a)异号异号,则知解位于区间则知解位于区间a,x1,b1=x1,a1=a;(2)若若f(x1)与与f(a)同号同号,则知解位于区间则知解位于区间x1,b,a1=x1,b1=b。4.反复执行步骤反复执行步骤2、3,便可得到一系列有根区间便可得到一系列有根区间:(a,b),(a1,b1),(ak,bk),当当时时则则即为方程的近似根即为方程的近似根二、误差估计二、误差估计定理定理1 1:给定方程给定方程 f f(x x
7、)=0)=0,设,设 f f(x x)在区间在区间 a a,b b 上连续,且上连续,且f f(a a)f f(b b)0)0f(a)f(b)=0f(a)=0打印打印b,k打印打印a,k结束结束是是是是是是否否否否否否m=(a+b)/2|a-b|0打印打印m,ka=mb=m结束结束k=K+1是是是是否否否否输入输入 k=0算法算法(二分法二分法)2.2 2.2 迭代法迭代法即序列即序列 的极限的极限 为为 的根。的根。当当 连续时,有连续时,有 或或 。即即 一、一、迭代法迭代法1.1.基本思想:基本思想:令方程令方程 ,将其变成一个等价的方程将其变成一个等价的方程 ,构造构造 ,称为称为迭代
8、数列迭代数列,或或迭代过程迭代过程。称为称为迭代函数迭代函数,称为称为迭代公式迭代公式 因此,我们可以通过求迭代数列的极限的方法来因此,我们可以通过求迭代数列的极限的方法来求得方程求得方程f f(x x)=0)=0的根。的根。RemarkRemark:可以通过不同的途径将:可以通过不同的途径将f f(x x)=0)=0化为化为x x=(x x)的形式,从而构造不同的迭代公式,得到的形式,从而构造不同的迭代公式,得到不同的迭代序列。在所有这些构造的迭代公式中不同的迭代序列。在所有这些构造的迭代公式中形成的序列中,有的序列是收敛的,而有些是发形成的序列中,有的序列是收敛的,而有些是发散的。散的。问
9、题问题:如何选取合适的迭代函数:如何选取合适的迭代函数(x x)?(x x)应满足什么条件,序列应满足什么条件,序列 x xk k 收敛?收敛?怎样加速序列怎样加速序列 x xk k 的收敛?的收敛?xyy=xxyy=xxyy=xxyy=xx*x*x*x*y=(x)y=(x)y=(x)y=(x)x0p0 x1p1 x0p0 x1p1 x0p0 x1p1x0p0 x1p12.2.迭代法的收敛定理迭代法的收敛定理(2 2)对任意初值)对任意初值x x0 0 a a,b b 由迭代公式由迭代公式则有则有:定理定理1.1.(全局收敛定理)(全局收敛定理)设方程设方程 ,如果满足,如果满足(3 3)存在
10、常数)存在常数00L L1,1,使对任意使对任意(1 1)迭代函数)迭代函数 在区间在区间 a a,b b 上可导;上可导;(2 2)当当x a,b时,时,;(1 1)方程)方程 在区间在区间 a a,b b 上有唯一的根上有唯一的根 ;(3 3)误差估计)误差估计产生的序列产生的序列 必收敛于方程的根必收敛于方程的根 ;证明:由于由于 上连续,作辅助函数上连续,作辅助函数 故由连续函数的介值定理知,至少存在故由连续函数的介值定理知,至少存在又设 即即 有唯一的根。有唯一的根。(1)(1)先证方程根的存在性。先证方程根的存在性。,即,即 是方程是方程 的根。的根。故由拉格朗日中值定理知,故由拉
11、格朗日中值定理知,(2)由拉格朗日中值定理)由拉格朗日中值定理,有有因其中介于 之间,故有(3)由证毕则对于任意的初值x0S,迭代公式 产生的序列 必收敛于方程的根 。3.3.迭代法的局部收敛定理迭代法的局部收敛定理迭代法的全局收敛性定理给出的是区间迭代法的全局收敛性定理给出的是区间 a a,b b 上的收敛上的收敛性,称之为性,称之为全局收敛性全局收敛性,一般不易验证,并且在较大,一般不易验证,并且在较大的隔根区间上此定理的条件不一定成立,而只能在根的隔根区间上此定理的条件不一定成立,而只能在根的一个较小的邻域内成立。下面给出局部收敛定理:的一个较小的邻域内成立。下面给出局部收敛定理:定理2
12、.(局部收敛定理)(局部收敛定理)设 是方程 的根,若满足:(1)迭代函数 在 的邻域可导;(2)在 的某个邻域 ,对于任意xS,有:当xS,即 时,由Lagrange中值定理有将前述将前述定理定理1中的中的a,b取为取为 ,则,则只需证明只需证明 即可。即可。其中在x与x*之间,即S。证明:证明:证毕证毕 故Remark2Remark2:可以证明,若在根可以证明,若在根 的邻域中的邻域中 ,则,则可以以邻域内任何一点可以以邻域内任何一点 为初始值,用迭代过程产生为初始值,用迭代过程产生的序列就一定不会收敛于的序列就一定不会收敛于 。事实上,。事实上,Remark3Remark3:当当 不取在
13、不取在 的邻域内时可能不收敛。的邻域内时可能不收敛。Remark1Remark1:全局与局部收敛定理中的条件都是全局与局部收敛定理中的条件都是充分充分条件,条件满足则迭代法收敛,不满足则不能判定,条件,条件满足则迭代法收敛,不满足则不能判定,此时可以用试算来判定迭代法的是收敛性。此时可以用试算来判定迭代法的是收敛性。Remark4Remark4:全局收敛定理中的两个误差估计式实际上全局收敛定理中的两个误差估计式实际上给出了迭代收敛的两个准则:事后误差估计与事先误给出了迭代收敛的两个准则:事后误差估计与事先误差估计(利用估计式可以预先求出迭代次数差估计(利用估计式可以预先求出迭代次数k k)。)
14、。4.4.迭代收敛准则迭代收敛准则方法一、事先误差估计法方法一、事先误差估计法方法二、事后误差估计法方法二、事后误差估计法先计算满足误差要求的迭代次数先计算满足误差要求的迭代次数k k,再进行迭代。,再进行迭代。有有由由由由因此可以用因此可以用 来控制迭代过程。来控制迭代过程。只要使只要使 ,就可使,就可使 ,对于较为复杂的迭代函数,其导数也较为复杂,对于较为复杂的迭代函数,其导数也较为复杂,使得使得L L难以取得,因而实际中不常用此方法。难以取得,因而实际中不常用此方法。Remark1:Remark1:迭代方法的优点是计算程序简单,迭代方法的优点是计算程序简单,并且虽然是以求解非线性方程的实
15、根来讨论并且虽然是以求解非线性方程的实根来讨论的,但类似的结果完全可以推广到求方程的的,但类似的结果完全可以推广到求方程的复数根的情形。复数根的情形。Remark2Remark2:由全局收敛定理知,若由全局收敛定理知,若L L 1 1,则,则 x xk k 必然收敛较慢;若必然收敛较慢;若L L11,则收敛速度快。,则收敛速度快。例 求 x3-2x-5=0在1.5,2.5上的根。解 1)2)若将迭代格式写为:实验题目:用迭代法求方程在实验题目:用迭代法求方程在0,10,1内的根。内的根。为了获得较快的收敛速度你认为为了获得较快的收敛速度你认为应该写成怎样的等价方程?应该写成怎样的等价方程?Re
16、mark1:Remark1:以特定的图形符号加上说明,表示以特定的图形符号加上说明,表示算法的图,称为算法的图,称为流程流程图或框或框图。Remark2Remark2:为便于识别,绘制习惯做法是:为便于识别,绘制习惯做法是:圆角矩形表示圆角矩形表示“开始开始”与与“结束结束”;矩形表示工作环节用矩形表示工作环节用 ;菱形表示问题判断(审核)环节;菱形表示问题判断(审核)环节;平行四边形表示输入输出;平行四边形表示输入输出;箭头代表工作流方向。箭头代表工作流方向。关于流程图关于流程图时间表控制流程图时间表控制流程图km是是输出输出k=k+1是是否否输入输入k=0算法算法(迭代法迭代法)定义定义
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 数值方法第二章 非线性方程的近似解法 数值 方法 第二 非线性 方程 近似 解法
![提示](https://www.taowenge.com/images/bang_tan.gif)
限制150内