[理学]非线性方程数值解法.ppt

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[理学]非线性方程数值解法

第三章 非线性方程的数值解法 根的概念 给定方程f(x)=0,如果有α使得f(α)=0,则称α为f(x)=0的根或f(x)的零点. 设有正整数m使得f(x)=(x-α)mg(x) 且g(α)?0 ,则当m?2时,称α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. 求根步骤 (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,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. 根的隔离 根的隔离 确定出若干个小区间,使每个小区间有且仅有方程f(x)=0的一个根,这个步骤称为根的隔离.其中每个有根小区间都称为隔根区间. 根的隔离方法 试值法 计算f(x)在若干个点上的函数值,通过函数值符号的变化情况确定隔根区间. 作图法 画出函数y=f(x)的图象,观察曲线y=f(x)与x轴交点的大致位置,从而确定隔根区间. 例 讨论方程f(x)=2x3-4x2+4x-7=0的根的位置. 解 f (x)=6x2-8x+4=2x2+4(x-1)20 y=f(x)是单调递增函数. 计算函数f(x)在下列各点上的函数值,符号如下表: x 0 1 2 f(x) -7 -5 1 由表可见f(x)=0仅有一个根α?(1,2). 对分区间法 对分法的基本思想 对分法的基本思想是在平分有根区间的过程中,逐步缩小有根区间. 设函数f(x)在区间[a, b]上连续,且f(a)? f(b)0 ,则方程f(x)=0在(a, b)内至少有一个根.为简便起见,假定方程f(x)=0在(a, b)内仅有一个根.这样(a, b)为有根区间.这时可用下面的对分法求方程f(x)=0的近似根. 对分法的具体步骤如下: (1)取(a, b)的 中点,计算 的值. 若 ,则 为方程f(x)=0的根,计算结束. 若 ,如果 与f(a)同号,则记 ; 如果 与f(a)异号,则记 ; (a1, b1)为新的有根区间, (a1,b1)?(a,b)且 . 进行下一步. (2)取(a1, b1)的中点 ,计算 的值. 若 ,则 为方程f(x)=0的根,计算结束. 若 ,如果 与f(a1)同号,则记 ; 如果 与f(a1)异号,则记 . 这时(a2, b2)为新的有根区间,(a2,b2)? (a1,b1)?(a,b)且 进行下一步. 如此重复k次仍未找到方程的根,反复对分下 去,则得一有根区间序列 ,满足 i) ii) 当k →∞时(ak, bk)缩为一点α,它显然是方程 f(x)=0的根,当k很大时,可取(ak, bk)的中点 作为方程f(x)=0的根α的近似值. 对分法适用于求区间(a, b)内的单实根或奇重实根. 例 用对分法求方程 在区间[0, 1]内的实根的近似值,要求误差不超过1/25 . 解 f(0)=10, f(1)=e-1-10 ,且f(x)在[0, 1]上连续,故方程f(x)=0在[0, 1]上至少有一个根.又 , 当x?[0, 1]时, f(x)0 ,从而f(x)在[0, 1]内单调递减,故在区间[0, 1]内仅有方程f(x)=0的一个根. (0, 1)是方程f(x)=0的有根区间. 这样本题可采用对分法,用二分法计算结果见下表: k ak bk xk f(xk)的符号 0 0 1

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