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文档简介
第二章非线性方程的数值解,2020年5月3日星期日,第2页,在许多科学技术和工程计算等实际问题中,常常会遇到求解非线性方程的问题。例如:求n次代数方程的根;或求由三角函数、指数函数和对数函数等组成的超越方程。例如:求超越方程的解。这些都可表示为求非线性方程的根,或称为求非线性方程的解,即求函数的零点。方程的根可以是实数,也可以是复数;,2020年5月3日星期日,第3页,根的概念,给定方程f(x)=0,如果有使得f()=0,则称为f(x)=0的根或f(x)的零点.设有正整数m使得f(x)=(x-)mg(x),且g()0;则当m2时,称为f(x)=0的m重根;当m=1时,称为f(x)=0的单根.本章只讨论实根的求法.,2020年5月3日星期日,第4页,求根一般步骤,(1)确定所给方程存在多少个根.(2)进行根的隔离,找出每个有根区间(参考清华大学出版,靳天飞主编计算方法)。有根区间内的任一点都可看成是该根的一个近似值。(3)逐步把近似根精确化,直到足够精确为止.本章主要讨论单根问题。求根的方法很多,如:二分法(又称对分法)、牛顿法(又称切线法)、双点弦截法(又称快速弦截法)、迭代法等。,2020年5月3日星期日,第5页,2.1二分法,2020年5月3日星期日,第6页,2020年5月3日星期日,第7页,2020年5月3日星期日,第8页,2020年5月3日星期日,第9页,三、二分法的定义、计算步骤与框图1.定义2.0象方法介绍那样,通过将区间a,b对分,逐步缩小根的范围而求出方程f(x)=0的实根的方法称为二分法,也称为对分法。2.计算步骤输入有根区间的端点a、b及预先给定的容许精度e;计算;若f(a)f(b)0,则bx,转向下一步;否则ax,转向下一步;若|b-a|e,则输出方程满足精度要求的值x,否则转向。,2020年5月3日星期日,第10页,3.程序框图与程序实例程序框图图2.2表示了用二分法求方程f(x)=0的根上机实习编制程序的框图。程序实例:我们用C语言编制了用二分法求方程根的程序,程序文本及计算结果可见第八章程序实例2.,2020年5月3日星期日,第11页,2020年5月3日星期日,第12页,2020年5月3日星期日,第13页,2.2迭代法,本节分三步介绍:一.迭代法的基本思想二.迭代法需要解决的两个基本问题(如何选取初值,何时停机)三.迭代法的计算步骤和计算框图,2020年5月3日星期日,第14页,2020年5月3日星期日,第15页,思考:如何选取初值?,2020年5月3日星期日,第16页,2020年5月3日星期日,第17页,二.迭代法需要解决的两个基本问题1.如何选取初始近似值、以及迭代函数g(x),才能保证按迭代公式求出的迭代序列收敛?2.当迭代序列收敛时,用计算机如何决定迭代过程结束?,2020年5月3日星期日,第18页,2.2.2迭代法的收敛条件(解决第一个问题)定理2.1设迭代函数g(x)在区间a,b上具有一阶导数,且满足:存在正数L1时称为超线性收敛;p=2时称为平方收敛。显然,数p的大小反映了迭代法收敛的快慢,p越大则收敛越快。因此,迭代法的收敛阶是衡量迭代法优劣的重要标志之一。,2020年5月3日星期日,第29页,2020年5月3日星期日,第30页,2020年5月3日星期日,第31页,2020年5月3日星期日,第32页,2020年5月3日星期日,第33页,2.3Newton迭代法(略),2020年5月3日星期日,第34页,2020年5月3日星期日,第35页,3.Newton迭代法收敛定理(定理2.5)(略),则Newton迭代法(2.12)产生的数列,收敛到根。,为例证明(其它情况类似),2020年5月3日星期日,第36页,(略),2020年5月3日星期日,第37页,例6(略),解:设,用Newton迭代法求,2020年5月3日星期日,第38页,2020年5月3日星期日,第39页,x,y,xn,Xn+1,Xn+2,tn(x),tn+1(x),0,2.3牛顿(Newton)法解非线性方程f(x)=0的牛顿(Newton)法,就是将非线性方程线性化的一种方法。牛顿法具有实用面广,收敛快等优点。,2.3.1方法介绍所谓牛顿法,就是用f(x)=0的解的近似值xn(n=0,1,2,)的切线方程,图2.4,(2.11),作为f(x)的近似表达式,然后取tn(x)=0的解xn+1作为f(x)=0的解的进一步近似,如图2.4所示。,由式(2.11),令tn(x)=0就得到了牛顿法的迭代公式,(2.12),2020年5月3日星期日,第40页,由图2.4可以看出,牛顿法实际上是在每一步都使用不同的切线方程去逼近非线性方程。因此,牛顿法也称为切线法,它是一种将非线性方程线性化的方法。由迭代格式(2.12)可知,牛顿法是一种特殊的迭代法,其迭代函数在f(x)及其导数满足一定条件的情况下,通过选择适当的初始值x0,迭代格式(2.12)所产生的迭代序列xn将收敛。,(2.13),2020年5月3日星期日,第41页,2.3.2牛顿法收敛的充分条件定理2.5设函数f(x)在闭区间a,b上存在二阶导数且满足条件:在区间a,b上保号;设且则牛顿迭代格式(2.12)产生的迭代序列收敛于方程f(x)=0的一个解。,(证明P32略),2020年5月3日星期日,第42页,2020年5月3日星期日,第43页,2020年5月3日星期日,第44页,2020年5月3日星期日,第45页,例6设c为正实数,导出用牛顿法求的公式,并证明迭代序列的误差满足关系式解设;则,所以由于所以f(x)0在区间0,+1内有一正根。又由于在区间内,若取,则在区间内满足定理2.5的条件,所以收敛的牛顿迭代式为,2020年5月3日星期日,第46页,记,则有*由例6中误差满足的关系式(2.14),可得对上式取极限可得由此可知,在用牛顿法求时是2阶收敛的。,(2.14),2020年5月3日星期日,第47页,2.3.3牛顿法的收敛阶定理2.6设函数f(x)充分光滑,对于方程f(x)=0:若在区间(a,b)内存在单根,则用牛顿法求的近似解时是2阶收敛的。若在区间(a,b)内存在m(2)重根,则用牛顿法求的近似解时是线性收敛的。(证明P35略)写出求,2020年5月3日星期日,第48页,2.3.4计算步骤和程序框图牛顿法的计算步骤为:选定初值,计算按公式迭代,得新的近似值,并计算对于给定的允许精度,如果,则终止迭代,取;否则,再转回步骤计算。图2.6给出了用牛顿法求非线性方程f(x)=0解的程序框图,其中N为设定的最大迭代次数。,2020年5月3日星期日,第49页,1k,输出迭代失败标志,结束,开始,输出x1,输出奇异标志,=,=,图2.6,2020年5月3日星期日,第50页,例7求方程的解。解粗略地绘出函数的草图,如图2.7所示。,图2.7,2020年5月3日星期日,第51页,对函数f(x)求导可得,若取初值x0=3,用牛顿法求解例7的迭代格式为,经计算可得:x1=1.15999,x2=0.189438,x5=0.783595,x6=0.783599.若只需6位有效数字,则x60.783599。,2020年5月3日星期日,第52页,在(2.18)式中,若取初值x0=8,经计算可得:x1=34.778107,x2=865.1519,。继续迭代可知,xn随着n的增大将无限增大,此时迭代格式(2.18)发散。例7说明,使用牛顿法求解非线性方程,初值x0的选择非常重要,选择得不好会引起迭代序列发散,求不出方程的近似解。本例还说明,定理2.5的条件仅是一个充分条件,当条件不满足时,仍有可能收敛。如取x03时,迭代格式收敛;但f(3)=-1.4723660,由式(2.17)知,故不满足定理2.5中的条件。,2020年5月3日星期日,第53页,2.3.5双点弦截法(快速弦截法)在方程f(x)=0的根附近任取两初始近似根x0,x1,由迭代公式(2.20)逐次逼近f(
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