Метод хорд

 

В этом методе нелинейная функция f(x) на отделенном промежутке

[ a, b ] заменяется хордой, проходящей через точки (a, f(a))и (b, f(b))

Рис.2.4. Метод хорд. Неподвижен правый конец промежутка b

Уравнение хорды: . Найдем точку пересечения хорды с горизонтальной осью. Полагая и , получим

.

Точку x₁ принимаем за новую границу отрезка, где содержится корень. Через эту точку с координатами (x₁, f(x₁)) и соответствующую границу предыдущего интервала (b, f(b)) опять проводим хорду, находим и т.д., получая последовательность x₁, x₂, x₃, …x_n, …, сходящуюся к корню уравнения.

Вторая производная сохраняет постоянный знак на . Следовательно, возможны два случая. Если f(b)· f " (b)> 0, то хорда имеет правый фиксированный конец, причем последовательность x₀, x₁, …x_n приближается к корню слева. За начальное приближение x₀, естественно, берут a

; ; ;

.

 

 

Рис.2.5. Метод хорд. Неподвижен левый конец промежутка a

Если f(a)· f " (a)> 0, то хорда имеет левый фиксированный конец, причем последовательность x₀, x₁, …x_n … приближается к корню справа. За начальное приближение x₀, берут b

; ; ;

.

Для оценки точности можно воспользоваться формулой

,

где -точный корень, - приближенный корень, , на промежутке [ a, b ]. Считаем до тех пор пока, не выполнится условие . Если имеет место неравенство , то счет можно прекратить, когда.

Пример 2.4. Найти методом хорд корень уравнения x⁴-x-1=0

 

Решение находим, используя пакет Mathcad.

 

Функция монотонна на промежутках (-∞, 0.63), (0.63, ∞) и меняет на концах промежутков знак. Уравнение имеет два корня. Сузим промежутки отделения корней методом проб, т.е. подстановкой.

 

Первый корень принадлежит промежутку (-1, -0.5)

 

Второй корень принадлежит промежутку (1, 1.5)

 

Будем находить корень на промежутке (-1, -0.5)

 

 

Вторая производная всюду положительна, функция положительна в точке a = -1, значит, этот конец неподвижен.

 

-максимальное, a -минимальное значение модуля производной на промежутке

 

так как , множитель

нужно учитывать при оценке точности решения,

 

 

 

 

Нашли корень исходного уравнения с точностью .

 

Рис. 2.6. Вычисления в Mathcad, реализующие метод хорд для примера 2.4

 

2.2.3. Метод Ньютона – метод касательных

 

Пусть - корень уравнения отделен на отрезке , причем и непрерывны и сохраняют определенные знаки на этом же отрезке . Найдя какое-нибудь n-е значение корня (), уточним его по методу Ньютона. Для этого положим , где - считаем малой величиной. Разложим функцию f(x) в ряд Тейлора в окрестности точки x _n по степеням h _n. Тогда можно записать:

Ограничимся двумя членами ряда и так как , то:

.

Учитывая найденную поправку h_n:, получим (n=0, 1, 2, …).

Рис.2.7 Метод касательных. Начальное приближение x₀=b

По-другому этот метод называется методом касательных. Если в точке провести касательную к функции f(x), то ее пересечение с осью ОХ и будет новым приближением x₁ корня уравнения

Хорошим начальным приближением является то значение, для которого выполнено неравенство . Погрешность вычислений Счет можно прекратить, когда

Теорема 2.2: Если , причем и отличны от нуля и сохраняют определенные знаки при , то, исходя из начального приближения , удовлетворяющего условию , можно вычислить методом Ньютона единственный корень уравнения с любой степенью точности.

 

Пример 2.5. Найти методом Ньютона корень уравнения x⁴-x-1 =0,

 

1-я производная

2-я производная положительна

один корень лежит на промежутке (-1.-0.5), второй на промежутке (1.1.5) Уточним левый корень методом Ньютона

 

 

 

 

 

Нашли корень исходного уравнения -0.7245 с точность 0.00007.

 

Рис. 2.8. Вычисления в Mathcad, реализующие метод касательных для примера 2.5