В более общем случае мы имеем не одно уравнение (1), а систему нелинейных уравнений $$ begin tag f_i(x_1, x_2, ldots, x_n) = 0, quad i = 1, 2, ldots n. end $$ Обозначим через ( mathbf = (x_1, x_2, ldots, x_n) ) вектор неизвестных и определим вектор-функцию ( mathbf(mathbf) = (f_1(mathbf), f_2(mathbf), ldots, f_n(mathbf)) ). Тогда система (2) записывается в виде $$ begin tag mathbf(mathbf) = 0. end $$ Частным случаем (3) является уравнение (1) (( n = 1 )). Второй пример (3) — система линейных алгебраических уравнений, когда ( mathbf (mathbf) = A mathbf — mathbf ).
- Метод Ньютона
- Решение нелинейных уравнений
- Решение нелинейных систем
- Курсовая работа: Метод Ньютона для решения нелинейных уравнений
- Цели и задачи.
- 1.1 Обзор существующих методов решения нелинейных уравнений
- 3.1 Описание программы
- 3.2 Тестирование программы
- Список используемой литературы
- 5.1. Приближённое решение систем нелинейных уравнений. Метод Ньютона
- 🌟 Видео
Видео:Метод Ньютона (метод касательных) Пример РешенияСкачать
Метод Ньютона
Видео:Методы численного анализа - Метод Ньютона, секущих для решения систем нелинейных уравненийСкачать
Решение нелинейных уравнений
При итерационном решении уравнений (1), (3) задается некоторое начальное приближение, достаточно близкое к искомому решению ( x^* ). В одношаговых итерационных методах новое приближение ( x_ ) определяется по предыдущему приближению ( x_k ). Говорят, что итерационный метод сходится с линейной скоростью, если ( x_ — x^* = O(x_k — x^*) ) и итерационный метод имеет квадратичную сходимость, если ( x_ — x^* = O(x_k — x^*)^2 ).
В итерационном методе Ньютона (методе касательных) для нового приближения имеем $$ begin tag x_ = x_k + frac, quad k = 0, 1, ldots, end $$
Вычисления по (4) проводятся до тех пор, пока ( f(x_k) ) не станет близким к нулю. Более точно, до тех пор, пока ( |f_(x_k)| > varepsilon ), где ( varepsilon ) — малая величина.
Простейшая реализация метода Ньютона может выглядеть следующим образом:
Чтобы найти корень уравнения ( x^2 = 9 ) необходимо реализовать функции
Данная функция хорошо работает для приведенного примера. Однако, в общем случае могут возникать некоторые ошибки, которые нужно отлавливать. Например: пусть нужно решить уравнение ( tanh(x) = 0 ), точное решение которого ( x = 0 ). Если ( |x_0| leq 1.08 ), то метод сходится за шесть итераций.
Теперь зададим ( x_0 ) близким к ( 1.09 ). Возникнет переполнение
Возникнет деление на ноль, так как для ( x_7 = -126055892892.66042 ) значение ( tanh(x_7) ) при машинном округлении равно ( 1.0 ) и поэтому ( f^prime(x_7) = 1 — tanh(x_7)^2 ) становится равной нулю в знаменателе.
Проблема заключается в том, что при таком начальном приближении метод Ньютона расходится.
Еще один недостаток функции naive_Newton заключается в том, что функция f(x) вызывается в два раза больше, чем необходимо.
Учитывая выше сказанное реализуем функцию с учетом следующего:
- обрабатывать деление на ноль
- задавать максимальное число итераций в случае расходимости метода
- убрать лишний вызов функции f(x)
Метод Ньютона сходится быстро, если начальное приближение близко к решению. Выбор начального приближение влияет не только на скорость сходимости, но и на сходимость вообще. Т.е. при неправильном выборе начального приближения метод Ньютона может расходиться. Неплохой стратегией в случае, когда начальное приближение далеко от точного решения, может быть использование нескольких итераций по методу бисекций, а затем использовать метод Ньютона.
При реализации метода Ньютона нужно знать аналитическое выражение для производной ( f^prime(x) ). Python содержит пакет SymPy, который можно использовать для создания функции dfdx . Для нашей задачи это можно реализовать следующим образом:
Видео:МЗЭ 2021 Лекция 11 Метод Ньютона для решения систем нелинейных уравненийСкачать
Решение нелинейных систем
Идея метода Ньютона для приближенного решения системы (2) заключается в следующем: имея некоторое приближение ( pmb^ ), мы находим следующее приближение ( pmb^ ), аппроксимируя ( pmb(pmb^) ) линейным оператором и решая систему линейных алгебраических уравнений. Аппроксимируем нелинейную задачу ( pmb(pmb^) = 0 ) линейной $$ begin tag pmb(pmb^) + pmb(pmb^)(pmb^ — pmb^) = 0, end $$ где ( pmb(pmb^) ) — матрица Якоби (якобиан): $$ pmb(pmb^) = begin frac<partial f_1(pmb^)> & frac<partial f_1(pmb^)> & ldots & frac<partial f_1(pmb^)> \ frac<partial f_2(pmb^)> & frac<partial f_2(pmb^)> & ldots & frac<partial f_2(pmb^)> \ vdots & vdots & ldots & vdots \ frac<partial f_n(pmb^)> & frac<partial f_n(pmb^)> & ldots & frac<partial f_n(pmb^)> \ end $$ Уравнение (5) является линейной системой с матрицей коэффициентов ( pmb ) и вектором правой части ( -pmb(pmb^) ). Систему можно переписать в виде $$ pmb(pmb^)pmb = — pmb(pmb^), $$ где ( pmb = pmb^ — pmb^ ).
Таким образом, ( k )-я итерация метода Ньютона состоит из двух стадий:
1. Решается система линейных уравнений (СЛАУ) ( pmb(pmb^)pmb = -pmb(pmb^) ) относительно ( pmb ).
2. Находится значение вектора на следующей итерации ( pmb^ = pmb^ + pmb ).
Для решения СЛАУ можно использовать приближенные методы. Можно также использовать метод Гаусса. Пакет numpy содержит модуль linalg , основанный на известной библиотеке LAPACK, в которой реализованы методы линейной алгебры. Инструкция x = numpy.linalg.solve(A, b) решает систему ( Ax = b ) методом Гаусса, реализованным в библиотеке LAPACK.
Когда система нелинейных уравнений возникает при решении задач для нелинейных уравнений в частных производных, матрица Якоби часто бывает разреженной. В этом случае целесообразно использовать специальные методы для разреженных матриц или итерационные методы.
Можно также воспользоваться методами, реализованными для систем линейных уравнений.
Видео:15 Метод Ньютона (Метод касательных) Ручной счет Численные методы решения нелинейного уравненияСкачать
Курсовая работа: Метод Ньютона для решения нелинейных уравнений
Название: Метод Ньютона для решения нелинейных уравнений Раздел: Рефераты по информатике Тип: курсовая работа Добавлен 01:06:49 13 декабря 2010 Похожие работы Просмотров: 3968 Комментариев: 22 Оценило: 5 человек Средний балл: 3.6 Оценка: неизвестно Скачать | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
k | x(k) | f(x(k)) | f’(x(k)) | | x(k+1) — x(k) | |
0 | 0. 565 | -4. 387 | -9. 982 | 0. 473 |
1 | 0. 092 | 0. 088 | -9. 818 | 0. 009 |
2 | 0. 101 | 0. 000 | -9. 800 | 0. 000 |
3 | 0. 101 |
Отсюда следует, что корень уравнения х = 0, 101.
Решить уравнение методом Ньютона.
cos x – e -x2/2 + x — 1 = 0
Вычисления производить с точностью ε = 0, 001.
Вычислим первую производную функции.
F’(x) = 1 – sin x + x*e -x2/2 .
Теперь вычислим вторую производную от функции.
F’’(x) = e -x2/2 *(1-x 2 ) – cos x.
Построим приближённый график данной функции.
Теперь, исходя из графика, возьмём первый приближённый корень и проверим условие (16) : f(x (0) ) * f’’(x (0) ) > 0.
Пусть x (0) = 2, тогда f(2)*f’’(2) = 0. 449 * 0. 010 = 0.05 > 0,
Условие выполняется, значит берём x (0) = 2.
Теперь составим таблицу значений, для решения данного уравнения.
k | x(k) | f(x(k)) | f’(x(k)) | | x(k+1) — x(k) | |
0 | 2 | 0. 449 | 0. 361 | 1. 241 |
1 | -0. 265 | 0. 881 | 0. 881 | 0. 301 |
2 | -0. 021 | 0. 732 | 0. 732 | 0. 029 |
3 | 0. 000 | 0. 716 | 0. 716 | 0. 000 |
4 | 1. 089 |
Отсюда следует, что корень уравнения х = 1. 089.
Решить уравнение методом Ньютона.
Вычисления производить с точностью ε = 0, 001.
Вычислим первую производную функции.
Теперь вычислим вторую производную от функции.
Построим приближённый график данной функции.
Теперь, исходя из графика, возьмём первый приближённый корень и проверим условие (16) : f(x (0) ) * f’’(x (0) ) > 0.
Пусть x (0) = 1, тогда f(2)*f’’(2) = 0. 632 * 1, 632 = 1, 031 > 0,
Условие выполняется, значит берём x (0) = 1.
Теперь составим таблицу значений, для решения данного уравнения.
k | x(k) | f(x(k)) | f’(x(k)) | | x(k+1) — x(k) | |
0 | 1, 000 | 0, 632 | 2, 368 | 0, 267 |
1 | 0, 733 | 0, 057 | 1, 946 | 0, 029 |
2 | 0, 704 | 0, 001 | 1, 903 | 0, 001 |
3 | 0, 703 |
Отсюда следует, что корень уравнения х = 0, 703.
Решить уравнение методом Ньютона.
Вычислим первую производную функции.
F’(x) = -sin x + e -x/2 /2+1.
Теперь вычислим вторую производную от функции.
F’’(x) = -cos x — e -x/2 /4.
Построим приближённый график данной функции.
Теперь, исходя из графика, возьмём первый приближённый корень и проверим условие (16) : f(x (0) ) * f’’(x (0) ) > 0.
Пусть x (0) = 1, тогда f(2)*f’’(2) = -0. 066 * (-0. 692) = 0. 046 > 0,
Условие выполняется, значит берём x (0) = 1.
Теперь составим таблицу значений, для решения данного уравнения.
k | x(k) | f(x(k)) | f’(x(k)) | | x(k+1) — x(k) | |
0 | 1, 000 | -0. 066 | 0. 462 | 0. 143 |
1 | 1. 161 | -0. 007 | 0. 372 | 0. 018 |
2 | 1. 162 | 0. 0001. | 0. 363 | 0. 001 |
3 | 1. 162 |
Отсюда следует, что корень уравнения х = 1. 162.
Решить уравнение методом Ньютона.
Вычислим первую производную функции.
Теперь вычислим вторую производную от функции.
Построим приближённый график данной функции.
Теперь, исходя из графика, возьмём первый приближённый корень и проверим условие (16) : f(x (0) ) * f’’(x (0) ) > 0.
Пусть x (0) = 1, тогда f(2)*f’’(2) = 0. 350 * 2, 350 = 0. 823 > 0,
Условие выполняется, значит берём x (0) = 1.
Теперь составим таблицу значений, для решения данного уравнения.
k | x(k) | f(x(k)) | f’(x(k)) | | x(k+1) — x(k) | |
0 | 1, 000 | 0, 350 | 3, 086 | 0, 114 |
1 | 0, 886 | 0, 013 | 2, 838 | 0, 005 |
2 | 0, 881 | 0, 001 | 2, 828 | 0, 000 |
3 | 0, 881 |
Отсюда следует, что корень уравнения х = 0, 881.
Видео:Методы решения систем нелинейных уравнений. Метод Ньютона. Численные методы. Лекция 14Скачать
3.1 Описание программы
Данная программа создана для работы в текстовом и графическом режиме. Она состоит из модуля Graph, Crt, трёх функций и трёх процедур.
1. модуль Crt предназначен для обеспечения контроля над текстовыми режимами экрана, расширенными кодами клавиатуры, цветами, окнами и звуком;
2. модуль Graph предназначен для обеспечения контроля над графическими объектами;
3. procedure GrafInit — инициализирует графический режим;
4. function VF – вычисляет значение функции;
5. function f1 – вычисляет значение первой производной функции;
6. function X_Newt – реализует алгоритм решения уравнения методом Ньютона.
7. procedure FGraf – реализует построение графика заданной функции f(x);
Ots=35 — константа, определяющая количество точек для отступа от границ монитора;
fmin, fmax – максимальные и минимальные значения функции;
SetColor(4) – процедура, которая устанавливает текущий цвет графического объекта, используя палитру, в данном случае это красный цвет;
SetBkColor(9) – процедура, которая устанавливает текущий цвет фона, используя палитру, в данном случае – это светло-синий цвет.
8. Procedure MaxMinF – вычислят максимальные и минимальные значения функции f(x).
Line – процедура, которая рисует линию из точки с координатами (x1, у1) в точку с координатами (х2, у2);
MoveTo – процедура, перемещающая указатель (СР) в точку с координатами (х, у);
TextColor(5) – процедура, устанавливающая текущий цвет символов, в данном случае – это розовый;
Outtexty(х, у, ‘строка’) – процедура, которая выводит строку, начиная с позиции (х, у)
CloseGraph – процедура, закрывающая графическую систему.
Видео:Решение нелинейного уравнения методом Ньютона (касательных) (программа)Скачать
3.2 Тестирование программы
Для тестирования программы возьмем те примеры, которые решали в практической части работы, чтобы сверить результаты и проверить правильность работы программы.
1) sin x 2 + cosx 2 — 10x. = 0.
Данная программа вычисляет корни нелинейного уравнения методом Ньютона с точностью eps и чертит приблизительный график функции на отрезке [a, b].
Введите точность вычисления eps=0. 01
Корень уравнения, найденный методом Ньютона:
сделаем проверку, подставив полученный ответ в уравнение.
Получим : х=0, 0000002
2) cos x – e -x2/2 + x — 1 = 0.
Данная программа вычисляет корни нелинейного уравнения методом Ньютона с точностью eps и чертит приблизительный график функции на отрезке [a, b].
Введите точность вычисления eps=0. 001
Корень уравнения, найденный методом Ньютона:
сделаем проверку, подставив полученный ответ в уравнение.
Получим : х=-0, 0000000
Данная программа вычисляет корни нелинейного уравнения методом Ньютона с точностью eps и чертит приблизительный график функции на отрезке [a, b].
Введите точность вычисления eps=0. 01
Корень уравнения, найденный методом Ньютона:
сделаем проверку, подставив полученный ответ в уравнение.
Получим : х=0, 0000000
4) cos x –e -x/2 +x-1=0.
Данная программа вычисляет корни нелинейного уравнения методом Ньютона с точностью eps и чертит приблизительный график функции на отрезке [a, b].
Введите точность вычисления eps=0. 001
Корень уравнения, найденный методом Ньютона:
сделаем проверку, подставив полученный ответ в уравнение.
Получим : х=0, 0008180
Данная программа вычисляет корни нелинейного уравнения методом Ньютона с точностью eps и чертит приблизительный график функции на отрезке [a, b].
Введите точность вычисления eps=0. 001
Корень уравнения, найденный методом Ньютона:
Сделаем проверку, подставив полученный ответ в уравнение.
Получим : х=0, 0000000
Целью работы было создать программу, которая вычисляет корень нелинейного уравнения методом Ньютона. Исходя из этого, можно сделать вывод, что цель достигнута, так как для ее осуществления были решены следующие задачи:
1.Изучена необходимая литература.
2.Обзорно рассмотрены существующие методы по решению нелинейных уравнений.
3.Изучен метод Ньютона для решения нелинейных уравнений.
4.Рассмотрено решение нелинейных уравнений методом Ньютона на примере.
5.Проведены тестирование и отладка программы.
Видео:Метод Ньютона для решения нелинйеных уравнений в MS ExcelСкачать
Список используемой литературы
1. Б.П. Демидович, И.А Марон. Основы вычислительной математики. – Москва, изд. «Наука»; 1970.
2. В.М. Вержбицкий. Численные методы (линейная алгебра и нелинейные уравнения). – Москва, «Высшая школа»; 2000.
3. Н.С.Бахвалов, А.В.Лапин, Е.В.Чижонков. Численные методы в задачах и упражнениях. – Москва, «Высшая школа»; 2000.
4. Мэтьюз, Джон, Г.,Финк, Куртис, Д. Численные методы MATLAB, 3-е издание.- Москва, «Вильяс»; 2001.
Видео:Метод Ньютона | Лучший момент из фильма Двадцать одно 21Скачать
5.1. Приближённое решение систем нелинейных уравнений. Метод Ньютона
Рассмотрим нелинейную систему уравнений
(5.1)
С действительными левыми частями. Систему (5.1) можно представить в матричном виде
(5.2)
Здесь приняты следующие обозначения:
— вектор аргументов, а — вектор – функция.
Для решения системы (5.2) воспользуемся методом последовательных приближений. Предположим, что найдено Р-ое приближение Xp = (X1(P), X2(P) , . Xn(P)) одного из изолированных корней X = (X1, X2, X3, . Xn) векторного уравнения (5.2). Тогда точный корень уравнения (5.2) можно представить в виде
(5.3)
Где — поправка (погрешность) корня на N – ом шаге.
Подставив выражение (5.3) в (5.2), получим
(5.4)
Предположим, что функция F(X) — непрерывно дифференцируема в некоторой выпуклой области, содержащей X и X(P). Тогда левую часть уравнения (5.4) разложим в ряд Тейлора по степеням малого вектора ε(P), ограничиваясь линейными членами:
, (5.5)
Или в развернутом виде:
(5.6)
Из анализа формул (5.5) и (5.6) следует, что под производной F¢(X) следует понимать матрицу Якоби системы функций F1 , F2, . Fn, относительно переменных X1, X2, X3, . Xn, то есть:
. (5.7)
Выражение (5.7) в краткой записи можно представить:
(5.8)
Выражение (5.6) представляет собой линейную систему относительно поправок (I = 1, 2, . N) с матрицей W(X), поэтому формула (5.5) может быть записана в следующем виде:
(5.9)
Отсюда, предполагая, что матрица W(X(P)) — неособенная, получим:
(5.10)
Теперь, подставив выражение (5.10) в формулу (5.3), окончательно получим:
(5.11)
Таким образом, получили вычислительную формулу (метод Ньютона), где в качестве нулевого приближения X(0) можно взять приближенное (грубое) значение искомого корня.
Пример 5.1. Рассмотрим применение метода Ньютона на примере системы двух нелинейных уравнений
(5.12)
Прежде чем разбирать конкретные шаги по решению системы (5.12), распишем в общем виде якобиан для системы из двух уравнений
Здесь A, B, C, D – функционалы от переменных X1, x2. Нас фактически интересует W-1. Пусть матрица W— неособенная, тогда обратная матрица вычисляется
Теперь вернемся к системе (5.12). Графическое решение этой системы дает две точки пересечения: М1 (1.4; -1.5) и М2 (3.4; 2.2). Зададим начальное приближение:
🌟 Видео
4.2 Решение систем нелинейных уравнений. МетодыСкачать
Метод Ньютона (Метод касательных)Скачать
10 Численные методы решения нелинейных уравненийСкачать
11 Метод Ньютона (Метод касательных) Mathcad Численные методы решения нелинейного уравненияСкачать
Численный метод Ньютона в ExcelСкачать
Метод Ньютона, или Извлечение квадратного корняСкачать
Численное решение уравнений, урок 4/5. Метод касательных (Ньютона)Скачать
После этого видео, ТЫ РЕШИШЬ ЛЮБУЮ Систему Нелинейных УравненийСкачать
Способы решения систем нелинейных уравнений. 9 класс.Скачать
10 Метод Ньютона (Метод касательных) C++ Численные методы решения нелинейного уравненияСкачать