[理学]数值分析第7章.ppt

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[理学]数值分析第7章

1 第7章 非线性方程与方程组的数值解法 7.1 方程求根与二分法 7.2 不动点迭代法及其收敛性 7.3 迭代收敛的加速方法 7.4 牛顿法 7.5 弦截法与抛物线法 7.6 求根问题的敏感性与多项式的零点 7.7 非线性方程组的数值解法 2 7.1 方程求根与二分法 7.1.1 引言 本章主要讨论求解单变量非线性方程 3 如果函数 是多项式函数,即 (1.2) 4 另一类是超越方程,例如 5 非线性问题一般不存在直接的求解公式,故没有直接 方法求解,都要使用迭代法. 6 7 7.1.2 二分法 8 如此反复二分下去,即可得出一系列有根区间 9 作为根的近似,则在二分过程中可以获得一个近似根的序列 10 由于 11 解 这里 ,而 取 的中点 ,将区间二等分,由于 , 即 与 同号,故所求的根 必在 右侧,这时应令 ,而得到新的有根区间 如此反复二分下去, 按误差估计(1.3)式,欲使 12 计算结果如表7-2. 13 二分法是计算机上的一种常用算法,计算步骤为: 14 15 7.2 不动点迭代法及其收敛性 7.2.1 不动点与不动点迭代法 将方程(1.1)改写成等价的形式 16 如此反复迭代计算 17 就是说,迭代过程实质上是一个逐步显示化的过程. 18 19 例3 求方程 解 设将方程(2.3)改写成下列形式 据此建立迭代公式 20 各步迭代的结果见表7-3. 21 但若采用方程(2.3)的另一种等价形式 建立迭代公式 结果会越来越大,不可能趋于某个极限. 这种不收敛的迭代过程称作是发散的.如图7-3. 一个发散的迭代过程,纵使进行了千百次迭代,其结果也是毫无价值的. 22 7.2.2 不动点的存在性与迭代法的收敛性 证明 略 23 在不动点存在唯一的情况下,可以得到迭代法(2.2) 收敛的一个充分条件. 证明 略 24 表明定理1中的条件2可用(2.7)代替. 25 26 7.2.3 局部收敛性与收敛阶 27 证明 略 28 现在讨论迭代序列的收敛速度. 29 30 从计算结果看到迭代法(1)及(2)均不收敛,且它们均不满足定理3中的局部收敛条件. 31 32 证明 略. 33 34 7.3 迭代收敛的加速方法 7.3.1 埃特金加速收敛方法 由微分中值定理,有 (3.1) 则有 35 由此推知 36 可以证明 37 7.3.2 斯蒂芬森迭代法 如果把埃特金加速技巧与不动点迭代结合,则可得到 如下的迭代法: 称为斯蒂芬森(Steffensen)迭代法. 38 的解 39 实际上(3.3)是将不动点迭代法(2.2)计算两步合 并成一步得到的,可将它写成另一种不动点迭代 其中 40 解 例3中已指出, 下列迭代 计算结果如下表. 41 计算表明它是收敛的,这说明即使迭代法(2.2)不收 敛,用斯蒂芬森迭代法(3.3)仍可能收敛. 42 由此构造迭代法 43 若用(3.3)进行加速,计算结果如下 : 44 7.4 牛顿法 7.4.1 牛顿法及其收敛性 45 这就是牛顿法. 46 注意到切线方程为 由于这种几何背景,牛顿法亦称切线法. 47 由定理4得到,对(4.2)的迭代函数为 48 例7 用牛顿法解方程 解 这里牛顿公式为 若用不动点迭代到同一精度要 迭代17次,可见牛顿法的收敛速度 是很快的. 49 牛顿法的计算步骤: 50 51 7.4.2 牛顿法应用举例 52 53 7.4.3 简化牛顿法与牛顿下山法 (1) 简化牛顿法,也称平行弦法.其迭代公式为 54 在(4.7)中取 ,则称为简化牛顿法。 55 (2)牛顿下山法. 牛顿法收敛性依赖初值 的选取. 例如,用牛顿法求方程 计算得 56 为了防止迭代发散,对迭代过程再附加一项要求,即 具有单调性: 满足这项要求的算法称下山法. 57 将牛顿法与下山法结合起来使用,即在下山法保证函 数值稳定下降的前提下,用牛顿法加快收敛速度. 将牛顿法的计算结果 (4.12)称为牛顿下山法. (4.11)即为 5

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