3432

Методы решения нелинейного уравнения

Лабораторная работа

Математика и математический анализ

Данное руководство предназначено для студентов, изучающих предмет «Численные методы» и выполняющих лабораторные работы по курсу «Информатика». В методических указаниях рассмотрены ряд методов нахождения корней нелинейного ура...

Русский

2012-10-31

43.57 KB

7 чел.

Данное руководство предназначено для студентов,  изучающих предмет «Численные методы»  и выполняющих лабораторные работы по курсу   «Информатика». В методических указаниях рассмотрены ряд методов нахождения корней нелинейного уравнения и приведены примеры решения задач на языке программирования и в среде Mathcad.


ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. ОТДЕЛЕНИЕ КОРНЕЙ.

Множество значений переменной х, при которых уравнение F(x)=0 является тождеством, называется решением уравнения. При этом каждое значение х из этого множества называется корнем этого уравнения. Нахождение точных значений корней возможно, как правило, только в исключительных случаях. Поэтому большое значение имеют методы приближенного решение уравнения с заданной точностью. При этом решение задачи можно разбить на два этапа:

!) отделение корней т.е выделение промежутков внутри которых содержится только один корень уравнения;

2) вычисление корня, принадлежащего выделенному промежутку с заданной точностью.

Решение задачи отделения корней для непрерывной функции основано на том, что, если функция на концах отрезка [a,b] имеет значения разных знаков, то внутри этого отрезка функция проходит через нуль, т. е  содержится корень уравнения. Таким образом, чтобы произвести отделение корней необходимо разбить область предполагаемого нахождения корней на равные отрезки длиной h и вычислить значение функции на концах отрезка. Если будет выполнятся условие F(x)*F(x+h)<=0, то корень внутри отрезка [x,x+h]. Величина шага разбиения подбирается интуитивно; при большом шаге разбиения возможно пропустить корень; при маленьком – увеличивается время вычислений.

Ниже приведена программа на языке Паскаль, решающая задачу отделения корней для произвольной функции. ( В программе рассматривается уравнение: x3 +2*x2 – 6*x+1=0 ).

uses crt;

const m=100; {отрезок [-m,m]}

     h=0.1;  {шаг разбиения }

var x:real;

function f(x:real):real;

{функция, задающая решаемое уравнение }

begin

 f:=x*x*x+2*x*x-6*x+1;

end;

{-------------------------------------------------------------------}

begin { main }

 clrscr;

 x:=-m;

 while x<m do

   begin

     if f(x)*f(x+h)<=0 then

        begin

          { здесь следует разместить вызов функции уточняющий корень

             на отрезке [x,x+h]  }

           writeln('корень находится внутри отрезка [',x:5:1,x+h:5:1,']');

        end;

      x:=x+h;

   end;

  repeat until keypressed;

 end.

3


МЕТОД ПОЛОВИННОГО ДЕЛЕНИЯ.

Рассмотрим методы нахождения корня уравнения на заданном отрезке. Все методы предполагают, что предварительно произведено отделение корней и на отрезке находится только один корень.

Метод половинного деления состоит в том, что мы уменьшаем длину отрезка так, что корень остается внутри отрезка; процесс продолжается до тех пор, пока длина отрезка не станет меньше заданной точности. Уменьшение длины отрезка производится самым естественным образом: делением отрезка пополам и выбором той половины, внутри которой находится корень( т.е на концах которой функция имеет разный знак.)

Алгоритм:

   WHILE | a-b| > epsi

         Вычисляем середину отрезка x=(a+b)/2;

         Выбираем половину, где корень:

                 Если F(a)*F(x)<=0  то корень в [а,х], поэтому b переносим в x b=x   

                 Если F(b)*F(x)<=0  то корень в [b,х], поэтому a переносим в x a=x

    END

МЕТОД НЬЮТОНА (КАСАТЕЛЬНЫХ).

Суть метода:

 За начальное приближение принимается какая-либо точка заданного отрезка, для которой     ;

 Из этой точки проводится касательная к графику функции F(x). Уравнение касательной  

Точка пересечения касательной с осью 0X (y=0) задает следующее приближение  

 Процесс продолжается до тех пор пока расстояние между двумя последовательными приближениями не станет меньше заданной точности
|xi-1-xi|<epsi

Условия применимости метода:

  В интервале есть корень

  В интервале существуют  

  За начальное приближение принимается точка, в которой

Алгоритм

 X0 – начальное приближение

 X1 – последующее приближение

 F(x) – функция, задающая уравнение

 Fp(x) – производная

 X1=a x2=0 { необходимо для первоначальной проверки условия цикла}

 WHILE |X1-X0|>epsi

     X0=X1

     X1=X0-F(X0)/Fp(X0)

 END.

4


РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ В MATHCAD.

Для решения уравнения необходимо прежде всего построить график функции, задающий уравнение и по графику визуально определить начальное приближение корня.

Уточнение корня производится стандартной функцией

 root(F(x),x),

 где F(x) – функция, задающий уравнение.

        x –  имя переменной, варьируя которую ищется корень; перед использованием переменной обязательно должно быть присвоено начальное значение; для уравнения с несколькими корнями, ищется  корень, наиболее близкий к начальному значению.

Пример решения уравнения x3 +2*x2 – 6*x+1=0

Решение кубического уравнения

   

График

Уточнение графика на интервале 0 ..2

C помощью функции root ( требуется начальное приближение)

   

      

      

5


Примеры написание программ

Метод половинного деления

Метод Ньютона


ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ.

Требуется решить уравнение в Mathcadе, написать и отладить программу нахождения всех корней уравнения, предложенным преподавателем методом.

1. 2*x3+12*x2+13*x+15=0

2. 2*x3-3*x2+4*x+9=0

3.  x3-4*x2-4*x-5=0

4. 2*x4+3*x3+8*x2+6*x+5=0  

5. 2*x4-3*x3+2*x2-15*x+14=0

6. 15*x4-4*x3-6*x2-4*x-1=0

7. 2*x4-x3+3*x2-x+1=0

8. x4+3*x3-44*x2+15*x+25=0

9. 6*x4+25*x3+12*x2-25*x+6=0

10. x4-2*x3-11*x2+12*x+36=0

11. 100*x3+45*x2-12*x+2.5=0

12. 10*x3+20*x2-0.1*x-0.2=0

13.  x3+4.05*x2-0.03*x+0.02=0

14.  x3+79.9*x2-1988*x-200=0

15.  x3-4.6*x2-52*x-20=0

16.  x3-0.5*x2-0.5*x=0

17. 200*x3+78*x2-41.2*x+0.42=0

18. 2*x3-0.6*x2+0.06*x-0.002=0

19. 0.5*x3-2.3*x2-26*x-10=0

20. -0.1*x3+0.405*x2+0.003*x-0.002=0

ЛИТЕРАТУРА.

1. Mathcad 6.0 plus. Руководство пользователя. М., Филинъ.1998.

2. Ракитин В. И. , Первушин В.Е. Практическое руководство по методам вычислений. М., Высшая школа 1998.

3. Попов В. Б.  Turbo Pascal 7.0 для школьников

М.; Финансы и статистика, 1996. -464


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32616. Докладно описати такі питання: -призначення і класифікація пасажирської станції (ПС); -основні пристрої, які проектуються на ПС; -основні операції, які виконуються на ПС 198.5 KB
  Мин. Iрп=120 2·8=75 мин; Время занятия перронного пути: Тз=tпмtпрtтпtот где tпм продолжительность приготовления маршрута мин; tпр время занятия маршрута приемом поезда мин; tтп продолжительность операций по технологическому процессу мин; tот время занятия маршрута отправлением поезда мин. tпр=LгпLднLп Vпр где Lгп длина горловины приема м; Lдн длина участка приближения м; Lп длина поезда м; Vпр скорость поезда при входе на станцию км ч; принимаем Vпр= 40км ч = 66667м мин tпр=4001500450 66667=352...
32617. Назначение и классификация и основные технические и эксплуатационные параметры сортировочных устройств 413.5 KB
  Для сортировки вагонов на станциях рекомендуется проектировать основные и вспомогательные сортировочные устройства следующих типов: горочные сортировочные горки повышенной большой средней и малой мощности где для сортировки вагонов используется сила тяжести; негорочные вытяжные пути со стрелочными горловинами на уклоне где используется сила тяжести локомотива и сила тяжести вагонов; вытяжные пути и стрелочные горловины на горизонтальной площадке где используется только сила тяги локомотива. Для выполнения функций основного...
32618. Докладно описати основні пристрої вантажної станції (ВС): -колійний розвиток ВС - сортувальні пристрої; -вимоги до проектування основних пристроїв ВС 69 KB
  Для выполнения работы по приему отправлению и обработке поездов и обслуживанию пунктов погрузки выгрузки на ГС имеются пути сортировочные устройства грузовой район а в отдельных случаях устройства для экипировки локомотивов и ремонта вагонов производственнотехнические здания и прочие сооружения. Путевое развитие включает приемоотправочные сортировочные погрузочновыгрузочные выставочные соединительные и ходовые пути. Приемоотправочные пути используются для приема и отправления поездов передач на сортировочную или...
32619. Дати докладну характеристику розв’язок перехрещень в вузлах 900 KB
  Основное требование ко всем пересечениям маршрутов в одном уровне заключается в том что эти пересечения не должны снижать пропускную способность ниже необходимой в период интенсивного движения и создавать угрозу безопасности движения. Пересечения в одном уровне устраиваются при благоприятных топографических условиях относительно небольших размерах движения. Безопасность движения поездов обеспечивается с помощью устройств автоматики и сигнализации предохранительных тупиков. Развязки в одном уровне осуществляются чаще всего с...
32620. Розрахунок конструктивної висоти сортувальної гірки на сортувальній станції 571.5 KB
  Профільна висота головної дільниці h1 встановлюється з урахуванням найбільшого використання допустимої швидкості входу Vвх розрахункового бігуна вагою 85 т ωо=05 Н кн. в уповільнювачах 1 ГП при сприятливих умовах скочування: де Vo найбільша швидкість розпуску приймається 25 м с; g′ох розрахунковий параметр для ОХ бігуна м с2; де g прискорення вільного падіння 981 м с2; n кількість осей бігуна ОХ 4; q вага бігуна ОХ 85 т; hωо1 hск1 питома робота сил опору основного і від стрілок та кривих в межах головного дільниці l1...
32621. Докладно описати питання щодо пасажирської технічної станції (ПТС): 1) призначення і класифікація; 2) основні пристрої; 3) основні операції, що виконують на станції; 4) умови застосування; 5) переваги та недоліки окремих ПТС 116.5 KB
  1 ПТС призначаються для переформування ремонту очищення і екіпірування пасажирських составів. Станції бувають крупні 1520 составів за добу і середні 815.20 составів. На технічних парках менше ніж 68 составів.
32622. Аналіз схем двосторонніх станцій с послідовним розташуванням основних парків. Описати системи гіркової автоматики 216.5 KB
  Для комплексної механізації і автоматизації процесу сортування вагонів сортувальні гірки обладнуються локальними системами автоматики ГАЦ ГПЗУ АРС АЗСР ТГЛ пристроями звязку телебачення сигналізації. Під час роботи в маршрутному режимі оператор натисканням кнопки яка відповідає номеру підгіркової колії встановлює маршрут для кожного відчепу перед розпуском його з гірки. Система АСУ РСГ дозволяє регулювати швидкість насуву і розпуску составів швидкість руху відчепів з гірки керувати маршрутами руху відчепів з контролем...
32623. Докладно описати такі питання: визначення спеціальної вантажної станції, спеціалізація спеціальних вантажних станцій,основні операції,які виконують на спеціалізованих вантажних станціях 677.5 KB
  Докладно описати такі питання: визначення спеціальної вантажної станції спеціалізація спеціальних вантажних станційосновні операціїякі виконують на спеціалізованих вантажних станціях. Спеціалізовані вантажні станції це вантажні станції що будуються в пунктах масової переробки однорідних вантажів і забезпечують ритмічність і потоковість обробки масових вантажів і прискорену обробку рухомого складу на станції ефективне використання вантажнорозвантажувальних механізмів і скорочення обсягу роботи сортувальних станцій за рахунок формування...
32624. Дати технічну характеристику колієпроводів 992.5 KB
  Минимальная длина путепроводной развязки в плане определяется в зависимости от радиуса кривой и угла пересечения. Рис 1 К расчету путепроводной развязки в плане. Длина путепроводной развязки в плане должна быть не менее длины развязки в профиле Lnл Lпp Длина путепроводной развязки в профиле зависит от характера подходов. Минимальная длина развязки в профиле: Lпр=lпод0.