41615

Решение уравнения f(x)=0 методами простых итераций и Ньютона

Лабораторная работа

Математика и математический анализ

Если же то вычисления заканчивают и за приближённое значение корня принимают величину . Абсциссы вершин этой ломанной представляют собой последовательные приближения корня . Из рисунков видно что если на отрезке то последовательные приближения колеблются около корня если же производная положительна то последовательные приближения сходятся к корню монотонно. Если через точку с координатами провести касательную то абсцисса точки пересечения этой касательной с осью и есть очередное приближение корня уравнения .

Русский

2013-10-24

134.65 KB

10 чел.

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

Лабораторная работа №3

по дисциплине «Численные методы»

На тему: «Решение уравнения f(x)=0 методами простых итераций и Ньютона»

Выполнил:

студент группы ПМ-335

Ямилев И.М.

Проверил:

Голичев И.И.

Уфа

2012

Отчёт по лабораторной работе № 3.

 

Задача:

1.Требуется найти корни уравнения

Требуется использовать:

  1.  метод простых итераций
  2.  метод Ньютона

Теория:

1) Метод простых итераций

Метод простых итераций (метод последовательных приближений) решения уравнения  состоит в замене исходного уравнения эквивалентным ему уравнением  и построении последовательности  , сходящейся при к точному решению. Сформулируем достаточные условия сходимости метода простых итераций.

 Теорема. Пусть функция определена и дифференцируема на , причём все её значения. Тогда, если существует число , такое, что на отрезке , то последовательность   сходится к единственному на решению уравнения при любом начальном значении , т.е.

, , ,

 При этом, если на отрезке производная положительна, то

,

если отрицательна, то

.

Опишем один шаг итераций. Исходя из найденного на предыдущем шаге значения , вычисляем . Если , полагают и выполняют очередную итерацию. Если же , то вычисления заканчивают и за приближённое значение корня принимают величину . Погрешность полученного результата зависит от знака производной: если , то корень найден с погрешностью , если , то погрешность не превышает .

Метод допускает простую геометрическую интерпретацию. Построим графики функций и . Корнем уравнения

является  абсцисса точки пересечения кривой с прямой (рис. 1). Взяв в качестве начальной произвольную точку , строим ломаную линию (рис.3 а, б). Абсциссы вершин этой ломанной представляют собой последовательные приближения корня . Из рисунков видно, что если на отрезке , то последовательные приближения   колеблются около корня , если же производная положительна, то последовательные приближения сходятся к корню монотонно.

При использовании метода простых итераций основным моментом является выбор функции в уравнении , эквивалентном исходному. Для метода итераций следует подбирать функцию так, чтобы . При этом следует помнить, что скорость сходимости последовательности к корню тем выше, чем меньше число .

2) Метод Ньютона

Если известно хорошее начальное приближение решения уравнения , то эффективным методом повышения точности является метод Ньютона (метод касательных). Метод состоит в построении итерационной последовательности , сходящейся к корню уравнения . Сформулируем достаточные условия сходимости метода.

 Теорема. Пусть определена и дважды дифференцируема на , причём , а производные , сохраняют знак на отрезке . Тогда, исходя из начального приближения , удовлетворяющего неравенству , можно построить последовательность

,

сходящуюся к единственному на решению уравнения .

Метод Ньютона допускает простую геометрическую интерпретацию. Если через точку с координатами провести касательную, то абсцисса точки пересечения этой касательной с осью и есть очередное приближение корня уравнения .

Для оценки погрешности приближения корня можно воспользоваться неравенством

,

где – наибольшее значение модуля второй производной на отрезке ; – наименьшее значение модуля первой производной на отрезке . Таким образом, если , то . Последнее соотношение означает, что при хорошем начальном приближении корня после каждой итерации число верных десятичных знаков в очередном приближении удваивается, т.е. процесс сходится очень быстро. Значит, если необходимо найти корень с точностью , то итерационный процесс можно прекращать, когда

.

Опишем один шаг итераций. Если на -м шаге очередное приближение не удовлетворяет условию окончания процесса, то вычисляем величины , и следующее приближение корня . При выполнении условия

величину принимаем за приближённое значение корня , вычисленное с точностью .

Метод Ньютона эффективен, если известно хорошее начальное приближение для корня и в окрестности корня график функции имеет большую крутизну. В том случае процесс быстро сходится. Если же численное значение производной вблизи корня мало, то процесс вычисления корня может оказаться очень долгим.

Результаты:

По заданию необходимо найти корни функции

1) В точке  функция , а в точке  функция . В точке  функция , а в точке  функция . Таким образом, мы локализовали первый корень на промежутке [0.01; 0.2], а другой – на [0.8; 1.5].

Далее получаем функции  и :

Из приведенных выражений для  и  видно, что они удовлетворяют условиям теоремы. Для  на отрезке [0.01; 0.2] верна оценка:

Для  на отрезке [0.8; 1.5] верна оценка:

Для обоих методов выбираем точность .

За начальное приближение берется    

Для метода простых итераций получены результаты для 2 корней:

№ итерации

Приближенные значения корня

1

0.05352

2

0.03236

3

0.03009

4

0.02985

5

0.02983

№ итерации

Приближенные значения корня

1

0.98707

2

1.04824

3

1.06573

4

1.07055

5

1.07186

6

1.07222

7

1.07232

Посчитаем погрешности полученных результатов, приняв за  и  точные решения.

На промежутке [0.01; 0.2] , следовательно

На промежутке [0.8; 1.5]  , следовательно


2) Аналитически получаем, что на отрезках  [0.01; 0.2] и [0.8; 1.5] функция f удовлетворяет условиям сходимости Ньютона.

В точке  функция , а в точке   функция , следовательно, выполнено:

Производные  и  сохраняют знак на этом промежутке. Точка  удовлетворяет условию

и, следовательно, может быть взята в качестве начального приближения.

В точке  функция , а в точке   функция     , следовательно, выполнено:

Производные  и  сохраняют знак на этом промежутке. Точка  удовлетворяет условию

и, следовательно, может быть взята в качестве начального приближения.

Получаем значения минимумов и максимумов производных на этих отрезках:

Для метода Ньютона получены результаты:

№ итерации

Приближенные значения корня

1

0.02061

2

0.02811

3

0.02977

4

0.02982

№ итерации

Приближенные значения корня

1

1.09059

2

1.07241

3

1.07235


Вывод:

Из полученных результатов видно, что метод Ньютона нахождения нуля функции на заданном промежутке сходится быстрее метода простых итераций, однако требует дополнительные условия сходимости и аналитические расчеты и оценки.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27125. Сущность планирования 14.63 KB
  Формированию ассортимента предшествует разработка предприятием ассортиментной концепции – построение оптимальной ассортиментной структуры товарного предпочтения учитывающих с одной стороны потребительские требования определенных сегментов а с другой стороны необходимость рационального использования предприятием ресурсов в целях снижения издержек. Иногда целесообразно создать отдел главной задачей которого было бы принятие принципиальных решений относительно ассортимента. Характеристика товарного ассортимента включает в себя: широту –...
27126. Функции планирования и система планов организации. Механизмы планирования: традиционный, сводный, целевой и адаптивный. Бизнес-план 116.21 KB
  Функции планирования и система планов организации. Механизмы планирования: традиционный сводный целевой и адаптивный. Бизнесплан В рамках функции планирования выделяют следующие подфункции: 1. Выполняемые подфункции планирования тесно связаны как между собой так и с выполнением других макрофункций организации.
27127. Цели и функции управления, их классификация. Управленческий цикл 14.7 KB
  Управленческий цикл Классификация целей управления: по содержанию например экономические социальные политические идеологические научнотехнические; по уровням управления общегосударственный отраслевой межотраслевой территориальный и локальный. Классификация функций органов управления: основные предметные функции для осуществления которых образован соответствующий орган исполнительной власти государственного управления; обеспечивающие – функции которые необходимы для успешной реализации предметных функций. Для осуществления...
27128. Функции управления. Управленческие циклы 198.5 KB
  Функции управления. Функция управления определенный вид управленческой деятельности который либо осуществляется достаточно регулярно и часто либо данный вид работ выполняется нерегулярно но их результаты имеют существенные последствия для организации. Я ПОДУМАЮ это определение слова функция Функции управления исходя из их роли в управлении предприятием делят на: 1. Классическим делением функций управления на подфункции является их деление по стадиям управленческого цикла.
27129. Ценовая политика 34 KB
  Ценовая политикаэто определение и поддержание на оптимальном уровне цен на товары с учетом их взаимосвязи в рамках ассортимента в условиях конкретного рынка а также своевременное изменение цен по товарам и рынкам для достижения максимально возможного успеха в конкретной рыночной ситуации. Структура ценовой политики: исходное ценообразование на товар ценообразование в рамках товарной номенклатуры изменение цены контроль за уровнем наценок устанавливаемых посредником создание барьеров по удержанию покупателей разработка программ...
27130. Конкурентные преимущества товара и фирмы на рынке 14.51 KB
  Конкурентное преимущество –характеристики свойства марки или товара которые создают для фирмы определенное превосходство над прямыми конкурентами. Эти характеристики могут относиться как к самому товару так и к дополнительнымуслугам формам производства сбыта или продаж специфичным для фирмы или товара. Конкурентное преимущество это те характеристики свойства товара или марки которые создают для фирмы определенное превосходство над своими прямыми конкурентами.
27131. Ситуационное лидерство (ситуационное руководство) 14.5 KB
  Ситуационное лидерство ситуационное руководство это стиль управления людьми предполагающий использование одного из четырех стилей управления в зависимости от ситуации и уровня развития сотрудников по отношению к задаче. Стили лидерства: Директивный стиль или Лидерство путем приказа высокая ориентация на задачу и низкая на людей. Наставнический стиль или Лидерство путем продажи идей совмещение высокой ориентированности на задачу и на людей. Поддерживающий стиль или Лидерство путем участия в организации процесса работы высокая...
27132. Оценка эффективности электронных и квазиэлектронных предприятий. Total Cost Ownership, Balanced Scorecard 36.5 KB
  в среднем можно ожидать около 5 учитывая что привлекать мы будем именно потенциальных покупателей а не случайных людей. Расчет: Колво покупателей = колво посетителей 100 х конверсии = 240.000 покупателей за 6 месяцев. Валовая прибыль = колво покупателей х средний чек = 12.
27133. Структурированная процесс-модель «бизнес-контент-менеджмент» 1.85 MB
  Структурированная процессмодель бизнесконтентменеджмент Одно из главных требований предъявляемых к построению современного электронного бизнесрешения как можно более быстрая трансформация бизнесидеи в конкретное решение которое соответствует запросам пользователя не требует значительных расходов на поддержку функционирует эффективно и с невысокими издержками и имеет стройную организацию. Структурированная процессмодель дает солидную основу для старта проекта Процессмодель концепция бизнес контент менеджмент состоит из...