66727

Решение алгебраических и трансцендентных уравнений

Доклад

Математика и математический анализ

Часто приходится находить корни уравнений вида, где f(x) определена и непрерывна на некотором интервале. Если f(x) представляет собой многочлен, то уравнение - алгебраическое, если в функцию входят функции типа: тригонометрических, логарифмических, показательных и т.п., то уравнение называется трансцендентным.

Русский

2014-08-26

220 KB

4 чел.

Решение алгебраических и трансцендентных уравнений

Часто приходится находить корни уравнений вида , где f(x) определена и непрерывна на некотором интервале.

Если f(x) представляет собой многочлен, то уравнение  - алгебраическое, если в функцию входят функции типа: тригонометрических, логарифмических, показательных и т.п., то уравнение называется трансцендентным.

Решение уравнения вида  разбивается на два этапа:

  1.  отделение корней, т.е. отыскание достаточно малых областей, в каждой из которых заключен один и только один корень уравнения;
  2.  вычисление выделенного корня с заданной точностью.

Первый этап более сложный, в этом случае может помочь построение приближенного графика функции с анализом на монотонность, смену знака, выпуклость и т.д.

Для вычисления выделенного корня существует множество методов, например:

  •  метод итераций;
  •  метод половинного деления;
  •  метод Ньютона.

x-2+sin(x)=0


Метод итераций

Уравнение  можно представить в виде: .

Например: x-2+sin(1/x)=0x=2-sin(1/x)

Далее на отрезке [a,b], где функция имеет корень, выбирается произвольная точка x0 и далее последовательно вычисляется:

Процесс вычисления значений xk называется итерационным процессом.

Если на отрезке [a,b] выполнено условие |φ΄(x)| ≤ q <1, то итерационный процесс сходится к корню уравнения .

Если необходимо вычислить корень с точностью ε, то процесс итераций продолжается до тех пор, пока для двух последовательных приближений xn и xn-1 не будет выполнено:

, при этом всегда выполняется  , где ε задается погрешностью корня x*.

Если q ≤0.5 , то можно пользоваться соотношением .

В приведенном примере |φ΄(x)|= |(2-sin(1/x))΄|=cos(1/x)/x^2 < 0,47 на отрезке [1.2,2]


Метод половинного деления

Функция  непрерывна на отрезке [a,b] и имеет на его концах разные знаки. Известно, что на отрезке [a,b] функция имеет только один нуль, т.е. корень уравнения один.

Отрезок [a,b] делится пополам x1=(a+b)/2, если , это корень уравнения. Если нет, то выбираем тот из отрезков [a,x1] или [x1,b], на концах которого функция имеет разный знак. Полученный отрезок снова делится пополам, и проводятся те же рассуждения. Продолжаем до тех пор, пока длина отрезка не станет меньше заданного ε.


Метод Ньютона

Функция , причем (x) и f˝(x) определены, непрерывны и сохраняют постоянные знаки на отрезке [a,b].

Например как функция:

f(x) =x-2+sin(1/x) f΄(x)=1-cos(1/x)/x^2 f˝(x)=-(sin(1/x)-2*x*cos(1/x))/x^4

на отрезке [1.2,2]

Выбирается некоторая точка x0 на отрезке [a,b] и последовательно вычисляются:

Если x0 выбрано таким образом, что (x0)*f˝(x0) >0, то сходимость метода Ньютона обеспечена.

Если корень вычисляется с точностью до ε , то процесс вычислений следует прекратить, когда

,

где m1 - наименьшее значение |(x)| и на [a,b],

M2 - наибольшее значение |f˝(x)|  на [a,b].

При этом выполняется  .

Если  , то верно


Вычисление определенных интегралов

Функция может быть задана таблично или аналитически.

Отрезок интегрирования разбивается на n равных частей длины

Точки разбиения: x0=a x1=x0+hxi=x0+ihxn=b.

Функция вычисляется в точках разбиения  yi=f(xi).

Метод трапеций (для аналитически заданной функции)

Тогда согласно методу трапеций

Например, вычислить интеграл

Площадь трапеции:


Метод прямоугольников

Например, вычислить интеграл

Площадь прямоугольника:

∆S1=y1* h

левые концы участков,  (1)

правые концы участков.   (2)

Погрешность формулы прямоугольников можно получить, рассматривая разность результатов, полученных по формулам (1) и (2).

Метод Симпсона

Отрезок интегрирования разбивается на 2n равных частей длины h=(b-a)/2n.

или, если обозначить N=2n

Результаты вычисления интеграла , полученные разными методами:

Метод

Результат

MatLab

трапеций
Симпсона
Лобатто

0.88815714659999
0.88807223886900
0.88806573865982

MathCad

0.88806573863715

Трапеций

0.88815714659998

Прямоугольников

слева
справа
среднее

0.852123212814331
0.924191164970398
0.8881571888923645

Симпсона

0.888067817687988

 


Решение систем линейных уравнений

    (1)

Систему линейных уравнений можно записать в матричном виде:

,

где

Метод Гаусса

Система (1) путем последовательного исключения неизвестных приводится к системе с треугольной матрицей, из которой и определяются значения неизвестных.

Процесс исключения неизвестных:

Пусть a11≠0. Разделим первое уравнение на a11. Затем вычтем из каждого i–го (i≥2) уравнения, полученного после деления, первое, умноженное на ai1 . В результате, после преобразований x1 окажется исключенным из всех уравнений кроме первого.

По той же схеме исключается x2 , x3  и т.д.

Получается треугольная матрица с единичной главной диагональю.

Из последнего уравнения сразу определяется xn, далее, подставляя его в предпоследнее уравнение, получаем xn-1 и т.д.

Процесс нахождения неизвестных по способу Гаусса распадается на два этапа:

  •  Первый – приведение к треугольному виду – прямой ход.
  •  Второй – определение неизвестных по полученным формулам – обратный ход.

Процесс исключения k–го неизвестного называется k–м шагом прямого хода.

Если на каком-то k–м шаге на главной диагонали окажется нулевой элемент , то среди элементов  (i=k+1,..n) следует найти ненулевой и перестановкой строк переместить его на главную диагональ, а затем продолжить вычисления.


'Задание исходных данных

For i = 1 To n
For j = 1 To n
 a1(i, j) = a(i, j) '
коэффициенты при неизвестных
Next
Next

For i = 1 To n
x(i) = b(i) '
свободные члены
Next

flag = False

'прямой ход - исключение i-го неизвестного

For i = 1 To n

'поиск главного элемента в i-м столбце

k = i

r = Abs(a1(i, i))

 If r = 0 Then 'определитель системы равен 0

  flag = True

  Exit For

  End If

 For j = i + 1 To n

 If Abs(a1(j, i)) > r Then

   k = j

   r = Abs(a1(j, i))

 End If

 Next j

If k <> i Then

 'перестановка i-го и k-го уравнения

  r = x(k) : x(k) = x(i) : x(i) = r

  For j = 1 To n

   r = a1(k, j) : a1(k, j) = a1(i, j) : a1(i, j) = r

  Next j

End If

' исключение i-го неизвестного

 r = a1(i, i)

x(i) = x(i) / r

 For j = i To n

  a1(i, j) = a1(i, j) / r

 Next j

 For k = i + 1 To n

  r = a1(k, i)

  x(k) = x(k) - r * x(i)

  For j = i To n

    a1(k, j) = a1(k, j) - r * a1(i, j)

  Next j

 Next k

Next i

'обратный ход – определение неизвестных

If flag Then

 Picture3.Print "матрица вырождена"

Else

For i = n - 1 To 1 Step -1

  For j = i + 1 To n

    x(i) = x(i) - a1(i, j) * x(j)

  Next

Next

Метод Халецкого

PAGE  7


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84953. Будова тексту: зачин, основна частина, кінцівка 58 KB
  Мета: Дати учням уявлення про будову тексту, його складові частини. Удосконалювати навички добору заголовків до текстів. Розвивати мовлення учнів. Виховувати бережне ставлення до природи.
84954. Знайомство із шаховими фігурами. Графічний редактор Pаint. Складання будиночка із геометричних фігур 90.95 KB
  Сьогодні ми з вами підемо в гості до Ганнусі, щоб отримати ще одну інформацію. А яку саме, вам допоможуть відгадати предмети, що знаходяться у цій скриньці (шахова дошка).
84955. Що можна робити з інформацією. Робота у графічному редакторі Paint. Створення килимка для миші 354.03 KB
  Формування вміння застосовувати здобуту інформацію; Закріплення навичок роботи з комп’ютером; Розвиток логічного мислення, просторової уяви; Повторення правил поведінки при роботі з комп’ютером; Виховання культури мовлення, інтерес до інформатики...
84956. Інформаційні процеси. Робота в графічному редакторі Paint. Малюнок “Снігова галявина” 191.83 KB
  Яка буває інформація Що можна робити з інформацією ІІІ. Повторимо як можна зберегти інформацію передати обробити. Що можна зробити з цією інформацією Запамятати тобто зберегти розповісти тобто передати обміркувати тобто обробити. Що можна робити з інформацією Для чого це потрібно V.
84957. Принтер. Друкування за допомогою принтера 181.08 KB
  Принтер. Друкування за допомогою принтера. Ознайомлення учнів з призначенням принтера; Відпрацювання умінь передачі створеного малюнку на папір за допомогою принтера; Удосконалення навички і вмінь працювати в середовищі графічного редактора MS PINT; Розвиток творчих здібностей дітей уяви та фантазії; Виховання художнього смаку та естетичного сприйняття. Сьогодні на уроці ми з вами познайомимося з таким пристроєм як принтер його призначенням.
84958. Клавіатура. Ознайомлення з розміщенням і призначенням клавіатури. Програма “Кіт-риболов” 85.94 KB
  Ознайомлення дітей з поняттям “клавіатура”, її призначенням та будовою; Розвиток навичок роботи на клавіатурі; логічного мислення, уваги, пам’яті; Виховання бережного відношення до оточуючого середовища...
84959. Ознайомлення з клавішами “пропуск”, “Shift”, “Caps Lock”. “Кіт-риболов” 85.03 KB
  Продовження ознайомлення з клавіатурою, зокрема з клавішами “пропуск”, “Shift”, “Caps Lock”. Закріплення знань учнів про написання великої літери. Розвиток уяви, пам’яті, уваги, логічного мислення.
84960. Ознайомлення із клавішами Enter, Esc. Програма “Кіт-риболов” 206.04 KB
  Ознайомлення із клавішами Enter Esc. Продовження ознайомлення з клавіатурою та принципами її роботи зокрема принцип роботи клавіш Enter Esc. Сьогодні ми познайомимося з клавішами Enter і Esc. Enter дуже важлива клавіша.
84961. Ознайомлення з клавішами-стрілочками, BS, Delete 144.71 KB
  Ознайомлення учнів з клавішами - стрілочками (вліво, вправо, вгору, вниз), BS, Delete. Закріплення навичок роботи з клавішами Enter, ESC. Розвиток логічного мислення. Виховання акуратності, охайності при роботі з комп’ютером...