Технология решения нелинейных уравнений средствами MathCad

Сравнение методов решения нелинейных уравнений

Метод половинного деления очень прост и имеет одно явное преимущество по сравнению со всеми рассмотренными выше методами – он всегда сходится. Однако, скорость сходимости очень мала, поэтому его часто используют для грубого уточнения корня.

Метод касательных (метод Ньютона) эффективен для решения уравнений, график которых в окрестности корня имеет большую крутизну. Метод обладает высокой скоростью сходимости, но его сходимость зависит от вида функции, поэтому рекомендуется отрезок, на котором отделяется корень, выбирать очень небольшой длины.

Метод хорд, являясь модификацией метода касательных, также обладает хорошей скоростью сходимости. При правильном выборе неподвижной точки последовательность приближений гарантированно сходится к корню уравнения.

Метод простой итерации дает возможность «угадывать» новые значения х на любом шаге. Следовательно, если процесс сходится медленно, можно вносить коррективы, учитывая предыдущие результаты. Метод прост и обладает хорошей сходимостью. Однако перед его использованием требуется преобразование исходного уравнения и проведение дополнительных вычислений.

Отметим, что на практике при решении нелинейных уравнений обычно используется комбинация нескольких методов.

В математическом пакете MathCad имеются как программные средства для реализации алгоритмов уточнения корней уравнений, приведенных в п. 6.2.2, так и встроенные функции для численного и аналитического вычисления корней уравнений.

Рассмотрим примеры, иллюстрирующие средства MathCad.

Пример 6.2.4-1. Отделить корни уравнения x³- cos(x)+1=0 графическим методом.

Проведем анализ функции 1) Область допустимых значениий 2) Сократим интервал достаточно большая 3) Получим два отрезка локализации: Простой корень на отрезке [-0.6;-0.4] и кратный корень на отрезке [-0.2;0.2]

Пример 6.2.4-2. Отделить корень уравнения f(x)=1–3x+cos(x)=0 аналитически.

Первая и вторая производные на [0;1] непрерывны и знакопостоянны a=0 b=1 Уравнение 1-3x+cos(x)=0 имеет на отрезке [0;1] один корень

Пример 6.2.4-3. Выполнить «ручным расчетом» три итерации нахождения корня уравнения f(x)= 1 – 3х + cos(x) = 0 методом половинного деления.

> 0 следовательно < 0 следовательно < 0 следовательно

Пример 6.2.4-4. Уточнить корень уравнения f(x)=1 – 3x + cos(x)=0 методом итерации на отрезке [0;1].

Приведем уравнение 1 – 3х + cos(x) = 0к виду x = (cos(x) + 1) / 3и проведем исследование:

для всех значений аргумента х на отрезке [0;1]

Пример 6.2.4-5. Привести уравнение x²–3∙x+3.25–5∙cos(x)=0 к виду, удобному для итерации.

Будем искать простой корень уравнения, находящийся на отрезке локализации [-0.4;0] Найдем корень с помощью встроенной функции root 1 способ.Приведем уравнение к виду x=ϕ(x), где   Проверим условие сходимости:   График призводной   Максимальное по модулю значение производной итерационной функции достигается в левом конце отрезка ϕ(x)=x-λf(x), где λ - итерационный параметр   Выполним 3 итерации по расчетной формуле x=ϕ(x) 1-я итерация: 2-я итерация: 3-я итерация: Погрешность найденного значения корня:   2 способ. Приведем уравнение к виду x=x-λf(x), где итерирующая функция ϕ(x)=x- λf(x), а λ - итерационный параметр. λ выбирем из условия λ=2/(m+M), где m - минимальное, а М - максисальное значения f'(x) на отрезке [-0.4,0] 1-я итерация: 2-я итерация: 3-я итерация: Погрешность найденного значения корня: .

Пример 6.2.4-6. Выполнить «ручным расчетом» три итерации, решая уравнение f(x)=1 – 3x + cos(x) = 0 методом Ньютона.

В нашем случае

В Mathcad имеется ряд встроенных средств для поиска корней нелинейных уравнений. Функция

root(f(var1, var2,...),var1, [a, b])

имеет два необязательных аргумента a и b, которые определяют границы интервала, на котором следует искать корень. На концах интервала [a;b] функция f должна менять знак (f(a)f(b)<0). Задавать начальное приближение для корня не нужно. Функция root использует алгоритм Риддера (в основу которого положен метод хорд) и Брента. Метод Брентасоединяет быстроту метода Риддера и гарантированную сходимость метода деления отрезка пополам.

Пример 6.2.4-7. Определить корни уравнения , используя расширенный поиск.

Для оценки местоположения корней построим график этой функции

Пример 6.2.4-8. Отделить корень уравнения 1–3x+Cos(x)=0, а затем с помощью встроенной функции root() найти его значение с точностью TOL = 0.001.

Значение переменная TOL принимает по умолчанию. Если требуется изменить точность вычислений, то переменную TOL следует переопределить, например, следующим образом TOL:=0.00001. В данном примере, поскольку параметры a и b не заданы, то функция root возвращает первый вычисленный корень.

 

Если уравнение имеет несколько корней, то для их нахождения можно использовать разложение функции f(x) на простые множители f(x)=(x-x₁)(x-x₂) …(x-x_n), где x₁, x₂, …, x_n - корни уравнения. Начальное приближение можно задать только для первого корня, а в качестве функции взять, например,

Если уравнение не имеет действительных корней, то есть на графике функция f(x) нигде не равна нулю, то для вывода комплексных корней надо ввести начальное значение приближения к корню в комплексной форме, где для вывода мнимой части использовать символы 1i и 1j.

Пример 6.2.4-9. Найти решения нелинейного уравнения , имеющего несколько корней, часть из которых мнимые.

Дата добавления: 2014-12-27