Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

Видео:Метод Ньютона (метод касательных) Пример РешенияСкачать

Метод Ньютона (метод касательных) Пример Решения

Метод Ньютона

Инструкция . Введите выражение F(x) , нажмите Далее . Полученное решение сохраняется в файле Word . Также создается шаблон решения в Excel .

  • Решение онлайн
  • Видеоинструкция
  • Оформление Word

Правила ввода функции, заданной в явном виде

  1. Примеры правильного написания F(x) :
    1. 10•x•e 2x = 10*x*exp(2*x)
    2. x•e -x +cos(3x) = x*exp(-x)+cos(3*x)
    3. x 3 -x 2 +3 = x^3-x^2+3
    4. Выражение 0.9*x=sin(x)+1 необходимо преобразовать к виду: sin(x)+1-0.9*x . Аналогично, x^2-7=5-3x к виду x^2+3x-12 .

    Пусть дано уравнение f(x)=0 , где f(x) определено и непрерывно в некотором конечном или бесконечном интервале a ≤ x ≤ b . Всякое значение ξ, обращающее функцию f(x) в нуль, то есть такое, что f(ξ)=0 называется корнем уравнения или нулем функции f(x) . Число ξ называется корнем k -ой кратности, если при x = ξ вместе с функцией f(x) обращаются в нуль ее производные до (k-1) порядка включительно: f(ξ)=f’(ξ)= … =f k-1 (ξ) = 0 . Однократный корень называется простым.
    Приближенное нахождение корней уравнения складывается из двух этапов:

    1. Отделение корней, то есть установление интервалов [αii] , в которых содержится один корень уравнения.
      1. f(a)•f(b) , т.е. значения функции на его концах имеют противоположные знаки.
      2. f’(x) сохраняет постоянный знак, т.е. функция монотонна (эти два условия достаточны, но НЕ необходимы) для единственности корня на искомом отрезке).
      3. f”(x) сохраняет постоянный знак, т.е. функция выпукла вверх, либо – вниз.
    2. Уточнение приближенных корней, то есть доведение их до заданной точности.

    Видео:Метод касательных (метод Ньютона)Скачать

    Метод касательных (метод Ньютона)

    Геометрическая интерпретация метода Ньютона (метод касательных)

    Критерий завершения итерационного процесса имеет вид

    Видео:15 Метод Ньютона (Метод касательных) Ручной счет Численные методы решения нелинейного уравненияСкачать

    15 Метод Ньютона (Метод касательных) Ручной счет Численные методы решения нелинейного уравнения

    Численные методы решения нелинейных уравнений. Метод Ньютона для решения уравнений с одной переменной

    Видео:Численное решение уравнений, урок 4/5. Метод касательных (Ньютона)Скачать

    Численное решение уравнений, урок 4/5. Метод касательных (Ньютона)

    Численные методы решения нелинейных уравнений. Метод Ньютона для решения уравнений с одной переменной

    Метод Ньютона (также известный как метод касательных) — это итерационный численный метод нахождения корня (нуля) заданной функции. Метод был впервые предложен английским физиком, математиком и астрономом Исааком Ньютоном (1643-1727), под именем которого и обрёл свою известность.

    Метод был описан Исааком Ньютоном в рукописи De analysi per aequationes numero terminorum infinitas ( лат .О б анализе уравнениями бесконечных рядов), адресованной в 1669 году Барроу , и в работе De metodis fluxionum et serierum infinitarum ( лат.Метод флюксий и бесконечные ряды) или Geometria analytica ( лат.Аналитическая геометрия) в собраниях трудов Ньютона, которая была написана в 1671 году. Однако описание метода существенно отличалось от его нынешнего изложения: Ньютон применял свой метод исключительно к полиномам. Он вычислял не последовательные приближения xn , а последовательность полиномов и в результате получал приближённое решение x.

    Впервые метод был опубликован в трактате Алгебра Джона Валлиса в 1685 году, по просьбе которого он был кратко описан самим Ньютоном. В 1690 году Джозеф Рафсон опубликовал упрощённое описание в работе Analysis aequationum universalis (лат. Общий анализ уравнений). Рафсон рассматривал метод Ньютона как чисто алгебраический и ограничил его применение полиномами, однако при этом он описал метод на основе последовательных приближений xn вместо более трудной для понимания последовательности полиномов, использованной Ньютоном.

    Наконец, в 1740 году метод Ньютона был описан Томасом Симпсоном как итеративный метод первого порядка решения нелинейных уравнений с использованием производной в том виде, в котором он излагается здесь. В той же публикации Симпсон обобщил метод на случай системы из двух уравнений и отметил, что метод Ньютона также может быть применён для решения задач оптимизации путём нахождения нуля производной или градиента.

    В соответствии с данным методом задача поиска корня функции сводится к задаче поиска точки пересечения с осью абсцисс касательной, построенной к графику функции .

    Рис.1 . График изменение функции

    Проведенная в любой точке касательная линия к графику функции определяется производной данной функции в рассматриваемой точке, которая в свою очередь определяется тангенсом угла α ( ). Точка пересечения касательной с осью абсцисс определяется исходя из следующего соотношения в прямоугольном треугольнике: тангенс угла в прямоугольном треугольнике определяется отношением противолежащего катета к прилежащему катету треугольнику. Таким образом, на каждом шаге строится касательная к графику функции в точке очередного приближения . Точка пересечения касательной с осью Ox будет являться следующей точкой приближения . В соответствии с рассматриваемым методом расчет приближенного значения корня на i -итерации производится по формуле:

    Наклон прямой подстраивается на каждом шаге наилучшим образом, однако следует обратить внимание на то, что алгоритм не учитывает кривизну графика и следовательно в процессе расчета остается неизвестно в какую сторону может отклониться график.

    Условием окончания итерационного процесса является выполнение следующего условия:

    где ˗ допустимая погрешность определения корня.

    Метод обладает квадратичной сходимостью. Квадратичная скорость сходимость означает, что число верных знаков в приближённом значении удваивается с каждой итерацией.

    Математическое обоснование

    Пусть дана вещественная функция , которая определена и непрерывна на рассматриваемом участке. Необходимо найти вещественный корень рассматриваемой функции.

    Вывод уравнения основано на методе простых итераций, в соответствии с которым уравнение приводят к эквивалентному уравнению при любой функции . Введем понятие сжимающего отображения, которое определяется соотношением .

    Для наилучшей сходимости метода в точке очередного приближения должно выполняться условие . Данное требование означает, что корень функции должен соответствовать экстремуму функции .

    Производная сжимающего отображения определяется в следующем виде:

    Выразим из данного выражение переменную при условии принятого ранее утверждения о том, что при необходимо обеспечить условие . В результате получим выражение для определения переменной :

    С учетом этого сжимающая функция прием следующий вид:

    Таким образом, алгоритм нахождения численного решения уравнения сводится к итерационной процедуре вычисления:

    Алгоритм нахождения корня нелинейного уравнения по методу Ньютона для уравнения с одной переменной

    1. Задать начальную точку приближенного значения корня функции , а также погрешность расчета (малое положительное число ) и начальный шаг итерации ( ).

    2. Выполнить расчет приближенного значения корня функции в соответствии с формулой:

    3. Проверяем приближенное значение корня на предмет заданной точности, в случае:

    — если разность двух последовательных приближений станет меньше заданной точности , то итерационный процесс заканчивается.

    — если разность двух последовательных приближений не достигает необходимой точности , то необходимо продолжить итерационный процесс и перейти к п.2 рассматриваемого алгоритма.

    Пример решения уравнений

    по методу Ньютона для уравнения с одной переменной

    В качестве примера, рассмотрим решение нелинейного уравнения методом Ньютона для уравнения с одной переменной . Корень необходимо найти с точностью в качестве первого приближения .

    Вариант решения нелинейного уравнения в программном комплексе MathCAD представлен на рисунке 3.

    Результаты расчетов, а именно динамика изменения приближенного значения корня, а также погрешности расчета от шага итерации представлены в графической форме (см. рис.2).

    Рис.2 . Результаты расчета по методу Ньютона для уравнения с одной переменной

    Для обеспечения заданной точности при поиске приближенного значения корня уравнения в диапазоне необходимо выполнить 4 итерации. На последнем шаге итерации приближенное значение корня нелинейного уравнения будет определяться значением: .

    Рис.3 . Листинг программы в MathCad

    Модификации метода Ньютона для уравнения с одной переменной

    Существует несколько модификаций метода Ньютона, которые направлены на упрощение вычислительного процесса.

    Упрощенный метод Ньютона

    В соответствии с методом Ньютона требуется вычислять производную функции f(x) на каждом шаге итерации, что ведет к увеличению вычислительных затрат. Для уменьшения затрат, связанных с вычислением производной на каждом шаге расчета, можно произвести замену производной f’( xn ) в точке xn в формуле на производную f’(x0) в точке x0. В соответствии с данным методом расчета приближенное значение корня определяется по следующей формуле:

    Таким образом, на каждом шаге расчета строятся прямые , которые параллельны касательной к кривой y=f(x) в точке B0 (см. рис.4). Преимуществом данного метода является то, что производная функции вычисляется один раз.

    Разностный метод Ньютона

    В соответствии с методом Ньютона требуется вычислять производную функции f(x) на каждом шаге итерации, что не всегда удобно, а иногда практически невозможно. Данный способ позволяет производную функции заменить разностным отношением (приближенным значением):

    В результате приближенное значение корня функции f(x) будет определяться выражением разностного метода Ньютона:

    Двух шаговый метод Ньютона

    В соответствии с методом Ньютона требуется вычислять производную функции f(x) на каждом шаге итерации, что не всегда удобно, а иногда практически невозможно. Данный способ позволяет производную функции заменить разностным отношением (приближенным значением):

    В результате приближенное значение корня функции f(x) будет определяться следующим выражением:

    Метод секущих является двух шаговым, то есть новое приближение определяется двумя предыдущими итерациями и . В методе необходимо задавать два начальных приближения и . Скорость сходимости метода будет линейной.

    Для того, чтобы добавить Ваш комментарий к статье, пожалуйста, зарегистрируйтесь на сайте.

    Видео:9 Метод Ньютона (Метод касательных) Блок-схема Численные методы решения нелинейного уравненияСкачать

    9 Метод Ньютона (Метод касательных) Блок-схема Численные методы решения нелинейного уравнения

    Численные методы: решение нелинейных уравнений

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Задачи решения уравнений постоянно возникают на практике, например, в экономике, развивая бизнес, вы хотите узнать, когда прибыль достигнет определенного значения, в медицине при исследовании действия лекарственных препаратов, важно знать, когда концентрация вещества достигнет заданного уровня и т.д.

    В задачах оптимизации часто необходимо определять точки, в которых производная функции обращается в 0, что является необходимым условием локального экстремума.

    В статистике при построении оценок методом наименьших квадратов или методом максимального правдоподобия также приходится решать нелинейные уравнения и системы уравнений.

    Итак, возникает целый класс задач, связанных с нахождением решений нелинейных уравнений, например, уравнения Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмили уравнения Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритми т.д.

    В простейшем случае у нас имеется функция Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, заданная на отрезке ( a , b ) и принимающая определенные значения.

    Каждому значению x из этого отрезка мы можем сопоставить число Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, это и есть функциональная зависимость, ключевое понятие математики.

    Нам нужно найти такое значение Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмпри котором Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмтакие Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмназываются корнями функции Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Визуально нам нужно определить точку пересечения графика функции Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм с осью абсцисс.

    Видео:Метод Ньютона (Метод касательных)Скачать

    Метод Ньютона (Метод касательных)

    Метод деления пополам

    Простейшим методом нахождения корней уравнения Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмявляется метод деления пополам или дихотомия.

    Этот метод является интуитивно ясным и каждый действовал бы при решении задачи подобным образом.

    Алгоритм состоит в следующем.

    Предположим, мы нашли две точки Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритми Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, такие что Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритми Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмимеют разные знаки, тогда между этими точками находится хотя бы один корень функции Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Поделим отрезок Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмпополам и введем среднюю точку Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Тогда либо Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, либо Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Оставим ту половину отрезка, для которой значения на концах имеют разные знаки. Теперь этот отрезок снова делим пополам и оставляем ту его часть, на границах которой функция имеет разные знаки, и так далее, достижения требуемой точности.

    Очевидно, постепенно мы сузим область, где находится корень функции, а, следовательно, с определенной степенью точности определим его.

    Заметьте, описанный алгоритм применим для любой непрерывной функции.

    К достоинствам метода деления пополам следует отнести его высокую надежность и простоту.

    Недостатком метода является тот факт, что прежде чем начать его применение, необходимо найти две точки, значения функции в которых имеют разные знаки. Очевидно, что метод неприменим для корней четной кратности и также не может быть обобщен на случай комплексных корней и на системы уравнений.

    Порядок сходимости метода линейный, на каждом шаге точность возрастает вдвое, чем больше сделано итераций, тем точнее определен корень.

    Видео:10 Метод Ньютона (Метод касательных) C++ Численные методы решения нелинейного уравненияСкачать

    10 Метод Ньютона (Метод касательных) C++ Численные методы решения нелинейного уравнения

    Метод Ньютона: теоретические основы

    Классический метод Ньютона или касательных заключается в том, что если Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм— некоторое приближение к корню Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмуравнения Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, то следующее приближение определяется как корень касательной к функции Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, проведенной в точке Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Уравнение касательной к функции Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмв точке Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмимеет вид:

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    В уравнении касательной положим Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритми Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Тогда алгоритм последовательных вычислений в методе Ньютона состоит в следующем:

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Сходимость метода касательных квадратичная, порядок сходимости равен 2.

    Таким образом, сходимость метода касательных Ньютона очень быстрая.

    Запомните этот замечательный факт!

    Без всяких изменений метод обобщается на комплексный случай.

    Если корень Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмявляется корнем второй кратности и выше, то порядок сходимости падает и становится линейным.

    Упражнение 1. Найти с помощью метода касательных решение уравнения Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмна отрезке (0, 2).

    Упражнение 2. Найти с помощью метода касательных решение уравнения Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмна отрезке (1, 3).

    К недостаткам метода Ньютона следует отнести его локальность, поскольку он гарантированно сходится при произвольном стартовом приближении только, если везде выполнено условие Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, в противной ситуации сходимость есть лишь в некоторой окрестности корня.

    Недостатком метода Ньютона является необходимость вычисления производных на каждом шаге.

    Видео:Алгоритмы С#. Метод Ньютона для решения систем уравненийСкачать

    Алгоритмы С#. Метод Ньютона для решения систем уравнений

    Визуализация метода Ньютона

    Метод Ньютона (метод касательных) применяется в том случае, если уравнение f(x) = 0 имеет корень Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, и выполняются условия:

    1) функция y= f(x) определена и непрерывна при Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм;

    2) f(af(b) 0. Таким образом, выбирается точка с абсциссой x0, в которой касательная к кривой y=f(x) на отрезке [a;b] пересекает ось Ox. За точку x0 сначала удобно выбирать один из концов отрезка.

    Рассмотрим метод Ньютона на конкретном примере.

    Пусть нам дана возрастающая функция y = f(x) =x 2 -2, непрерывная на отрезке (0;2), и имеющая f ‘(x) = 2x > 0 и f »(x) = 2 > 0.

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Уравнение касательной в общем виде имеет представление:

    В нашем случае: y-y0=2x0·(x-x0). В качестве точки x0 выбираем точку B1(b; f(b)) = (2,2). Проводим касательную к функции y = f(x) в точке B1, и обозначаем точку пересечения касательной и оси Ox точкой x1. Получаем уравнение первой касательной:y-2=2·2(x-2), y=4x-6.

    Точка пересечения касательной и оси Ox: x1 = Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Рисунок 2. Результат первой итерации

    Затем находим точку пересечения функции y=f(x) и перпендикуляра, проведенного к оси Ox через точку x1, получаем точку В2 =(1.5; 0.25). Снова проводим касательную к функции y = f(x) в точке В2, и обозначаем точку пересечения касательной и оси Ox точкой x2.

    Точка пересечения касательной и оси Ox: x2 = Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Рисунок 3. Вторая итерация метода Ньютона

    Затем находим точку пересечения функции y=f(x) и перпендикуляра, проведенного к оси Ox через точку x2, получаем точку В3 и так далее.

    В3 = (Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм)

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Рисунок 4. Третий шаг метода касательных

    Первое приближение корня определяется по формуле:

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм= 1.5.

    Второе приближение корня определяется по формуле:

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм= Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Третье приближение корня определяется по формуле:

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Таким образом, i-ое приближение корня определяется по формуле:

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Вычисления ведутся до тех пор, пока не будет достигнуто совпадение десятичных знаков, которые необходимы в ответе, или заданной точности e — до выполнения неравенства |xixi-1|

    using namespace std;

    float f(double x) //возвращает значение функции f(x) = x^2-2

    float df(float x) //возвращает значение производной

    float d2f(float x) // значение второй производной

    int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

    int exit = 0, i=0;//переменные для выхода и цикла

    double x0,xn;// вычисляемые приближения для корня

    double a, b, eps;// границы отрезка и необходимая точность

    cin>>a>>b; // вводим границы отрезка, на котором будем искать корень

    cin>>eps; // вводим нужную точность вычислений

    if (a > b) // если пользователь перепутал границы отрезка, меняем их местами

    if (f(a)*f(b)>0) // если знаки функции на краях отрезка одинаковые, то здесь нет корня

    cout 0) x0 = a; // для выбора начальной точки проверяем f(x0)*d2f(x0)>0 ?

    xn = x0-f(x0)/df(x0); // считаем первое приближение

    cout eps) // пока не достигнем необходимой точности, будет продолжать вычислять

    xn = x0-f(x0)/df(x0); // непосредственно формула Ньютона

    > while (exit!=1); // пока пользователь не ввел exit = 1

    Посмотрим, как это работает. Нажмем на зеленый треугольник в верхнем левом углу экрана, или же клавишу F5.

    Если происходит ошибка компиляции «Ошибка error LNK1123: сбой при преобразовании в COFF: файл недопустим или поврежден», то это лечится либо установкой первого Service pack 1, либо в настройках проекта Свойства -> Компоновщик отключаем инкрементную компоновку.

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Рис. 4. Решение ошибки компиляции проекта

    Мы будем искать корни у функции f(x) = x2-2.

    Сначала проверим работу приложения на «неправильных» входных данных. На отрезке [3; 5] нет корней, наша программа должна выдать сообщение об ошибке.

    У нас появилось окно приложения:

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Рис. 5. Ввод входных данных

    Введем границы отрезка 3 и 5, и точность 0.05. Программа, как и надо, выдала сообщение об ошибке, что на данном отрезке корней нет.

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Рис. 6. Ошибка «На этом отрезке корней нет!»

    Выходить мы пока не собираемся, так что на сообщение «Exit?» вводим «0».

    Теперь проверим работу приложения на корректных входных данных. Введем отрезок [0; 2] и точность 0.0001.

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Рис. 7. Вычисление корня с необходимой точностью

    Как мы видим, необходимая точность была достигнута уже на 4-ой итерации.

    Чтобы выйти из приложения, введем «Exit?» => 1.

    Видео:Метод Ньютона (касательных) Ручной счет Численные методы решения нелинейного уравненияСкачать

    Метод Ньютона (касательных) Ручной счет Численные методы решения нелинейного уравнения

    Метод секущих

    Чтобы избежать вычисления производной, метод Ньютона можно упростить, заменив производную на приближенное значение, вычисленное по двум предыдущим точкам:

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм/Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Итерационный процесс имеет вид:

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    где Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Это двухшаговый итерационный процесс, поскольку использует для нахождения последующего приближения два предыдущих.

    Порядок сходимости метода секущих ниже, чем у метода касательных и равен в случае однократного корня Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Эта замечательная величина называется золотым сечением:

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Убедимся в этом, считая для удобства, что Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Таким образом, с точностью до бесконечно малых более высокого порядка

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Отбрасывая остаточный член, получаем рекуррентное соотношение, решение которого естественно искать в виде Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    После подстановки имеем: Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритми Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Для сходимости необходимо, чтобы Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмбыло положительным, поэтому Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Поскольку знание производной не требуется, то при том же объёме вычислений в методе секущих (несмотря на меньший порядок сходимости) можно добиться большей точности, чем в методе касательных.

    Отметим, что вблизи корня приходится делить на малое число, и это приводит к потере точности (особенно в случае кратных корней), поэтому, выбрав относительно малое Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, выполняют вычисления до выполнения Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритми продолжают их пока модуль разности соседних приближений убывает.

    Как только начнется рост, вычисления прекращают и последнюю итерацию не используют.

    Такая процедура определения момента окончания итераций называется приемом Гарвика.

    Видео:Решение нелинейного уравнения методом Ньютона (касательных) (программа)Скачать

    Решение нелинейного уравнения методом Ньютона (касательных) (программа)

    Метод парабол

    Рассмотрим трехшаговый метод, в котором приближение Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмопределяется по трем предыдущим точкам Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритми Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Для этого заменим, аналогично методу секущих, функцию Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритминтерполяционной параболой проходящей через точки Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритми Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    В форме Ньютона она имеет вид:

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Точка Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмопределяется как тот из корней этого полинома, который ближе по модулю к точке Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Порядок сходимости метода парабол выше, чем у метода секущих, но ниже, чем у метода Ньютона.

    Важным отличием от ранее рассмотренных методов, является то обстоятельство, что даже если Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмвещественна при вещественных Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритми стартовые приближения выбраны вещественными, метод парабол может привести к комплексному корню исходной задачи.

    Этот метод очень удобен для поиска корней многочленов высокой степени.

    Видео:Метод касательных (алгоритм Ньютона) на C#Скачать

    Метод касательных (алгоритм Ньютона) на C#

    Метод простых итераций

    Задачу нахождения решений уравнений можно формулировать как задачу нахождения корней: Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, или как задачу нахождения неподвижной точкиМетод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Пусть Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритми Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм— сжатие: Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм(в частности, тот факт, что Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм— сжатие, как легко видеть, означает, чтоМетод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм).

    По теореме Банаха существует и единственна неподвижная точка Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Она может быть найдена как предел простой итерационной процедуры

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    где начальное приближение Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм— произвольная точка промежутка Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Если функция Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмдифференцируема, то удобным критерием сжатия является число Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм. Действительно, по теореме Лагранжа

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Таким образом, если производная меньше единицы, то Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмявляется сжатием.

    Условие Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмсущественно, ибо если, например, Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмна [0,1] , то неподвижная точка отсутствует, хотя производная равна нулю. Скорость сходимости зависит от величины Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм. Чем меньше Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, тем быстрее сходимость.

    Рассмотрим уравнение: Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Если в качестве Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмвзять функцию Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, то соответствующая итерационная процедура будет иметь вид: Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм. Как нетрудно убедиться, метод итераций в данном случае расходится при любой начальной точке Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, не совпадающей с собственно неподвижной точкой Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Однако можно в качестве Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмможно взять, например, функцию Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм. Соответствующая итерационная процедура имеет вид: Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Эти итерации сходятся к неподвижной точке для любого начального приближения Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм:

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Действительно, в первом случае Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, т.е. для выполнения условия Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмнеобходимо чтобы Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, но тогда Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм. Таким образом, отображение Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмсжатием не является.

    Рассмотрим Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, неподвижная точка та же самая, ситуация другая. Здесь, хотя формально производная может быть довольно большой (при малых ж), однако уже на следующем шаге она будет меньше 1.

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    т.е. такой итерационный процесс всегда сходится.

    Метод Ньютона представляет собой частный случай метода простых итераций.

    Здесь Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмнетрудно убедиться, что при Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмсуществует окрестность корня, в которой Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    то если Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмкорень кратности Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, то в его окрестности Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритми, следовательно,Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм.

    Если Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм— простой корень, то сходимость метода касательных квадратичная (то есть порядок сходимости равен 2).

    Поскольку Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, то

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм

    Таким образом, сходимость метода Ньютона очень быстрая.

    Видео:11 Метод Ньютона (Метод касательных) Mathcad Численные методы решения нелинейного уравненияСкачать

    11 Метод Ньютона (Метод касательных) Mathcad Численные методы решения нелинейного уравнения

    Нахождение всех корней уравнения

    Недостатком почти всех итерационных методов нахождения корней является то, что они при однократном применении позволяют найти лишь один корень функции, к тому же, мы не знаем какой именно.

    Чтобы найти другие корни, можно было бы брать новые стартовые точки и применять метод вновь, но нет гарантии, что при этом итерации сойдутся к новому корню, а не к уже найденному, если вообще сойдутся.

    Для поиска других корней используется метод удаления корней.

    Пусть Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм— корень функции Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, рассмотрим функциюМетод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм. Точка Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмбудет являться корнем функции Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмна единицу меньшей кратности, чемМетод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, при этом все остальные корни у функций Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритми Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмсовпадают с учетом кратности.

    Применяя тот или иной метод нахождения корней к функции Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, мы найдем новый корень Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм(который может в случае кратных корней и совпадать с Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм). Далее можно рассмотреть функцию Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритми искать корни у неё.

    Повторяя указанную процедуру, можно найти все корни Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритмс учетом кратности.

    Заметим, что когда мы производим деление на тот или иной корень Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, то в действительности мы делим лишь на найденное приближение Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, и, тем самым, несколько сдвигаем корни вспомогательной функции относительно истинных корней функции Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм. Это может привести к значительным погрешностям, если процедура отделения применялась уже достаточное число раз.

    Чтобы избежать этого, с помощью вспомогательных функций вычисляются лишь первые итерации, а окончательные проводятся по исходной функции Метод касательных для решения нелинейных уравнений алгоритм, используя в качестве стартового приближения, последнюю итерацию, полученную по вспомогательной функции.

    Мы рассмотрели решение уравнений только в одномерном случае, нахождение решений многомерных уравнений существенно более трудная задача.

    📺 Видео

    Метод касательныхСкачать

    Метод касательных

    12 Метод Ньютона (Метод касательных) Excel Calc Численные методы решения нелинейного уравненияСкачать

    12 Метод Ньютона (Метод касательных) Excel Calc Численные методы решения нелинейного уравнения

    Решение нелинейных уравнений методом касательныхСкачать

    Решение нелинейных уравнений методом касательных

    Метод Ньютона | Лучший момент из фильма Двадцать одно 21Скачать

    Метод Ньютона | Лучший момент из фильма Двадцать одно  21

    Метод простых итераций пример решения нелинейных уравненийСкачать

    Метод простых итераций пример решения нелинейных уравнений

    Метод Касательных - ВизуализацияСкачать

    Метод Касательных - Визуализация

    Метод касательных приближенного нахождения корня уравненияСкачать

    Метод касательных приближенного нахождения корня уравнения

    Метод касательных для приближённого решения алгебраических уравненийСкачать

    Метод касательных для приближённого решения алгебраических уравнений
Поделиться или сохранить к себе: