Анализ и сравнение численных методов решения нелинейных уравнений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской федерации

Стерлитамакский филиал

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Башкирский государственный университет»

Экономический факультет

Кафедра математического моделирования

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: ««Анализ и сравнение численных методов решения нелинейных уравнений»

Выполнили студенты 3 курса

группы БИ-31 Серебряков Е.А.

Научный руководитель к.ф.-м.н., доцент

Карасев Е.М.

СТЕРЛИТАМАК 2014



Содержание

Введение

Численные методы решения нелинейных уравнений

Постановка задачи

Основные методы решения нелинейных уравнений

Метод половинного деления

Метод касательных

Метод хорд

Практическая часть

Заключение

Список используемой литературы



Введение

Очень часто в различных областях экономики приходится встречаться с математическими задачами, для которых не удается найти решение классическими методами или решения выражены громоздкими формулами, которые не приемлемы для практического использования. Поэтому большое значение приобрели численные методы. В большинстве случаев численные методы являются приближенными, так как с их помощью обычно решаются задачи, аппроксимирующие исходные. В ряде случаев численный метод строится на базе бесконечного процесса, который в пределе сводится к искомому решению. Однако реально предельный переход не удается осуществить, и процесс, прерванный на некотором шаге, дает приближенное решение. Кроме того, источниками погрешности являются несоответствие математической модели изучаемому реальному явлению и погрешность исходных данных.

Решение систем нелинейных алгебраических уравнений - одна из сложных и до конца не решенных задач. Даже о расположении и существовании корней систем нелинейных уравнений почти ничего нельзя сказать. Большинство методов решения систем нелинейных уравнений сходятся к решению, если начальное приближение достаточно близко к нему, и могут вообще не давать решения при произвольном выборе начального приближения. Условия и скорость сходимости каждого итерационного процесса существенно зависят от свойств уравнений, то есть от свойств матрицы системы, и от выбора начальных приближений.

В своей курсовой работе я поставила три основные цели и задачи:

1. Изучение разновидности комбинаторных задач.

2. Изучение основных комбинаторных операций.

3. Изучение комбинаторики как раздел элементарной алгебры.

Для достижения поставленных целей и решения задач в курсовой работе я использовала различные источники информации. В основном это были книги Бахвалов Н. С. Численные методы и Вержбицкий В. М. Численные методы. Линейная алгебра и нелинейные уравнения. В них четко и точно изложен нужный для моей курсовой работы материал.

Курсовая работа построена таким образом, что сначала идут сведения о численных методах в целом, а уже после более подробно рассмотрены решения нелинейных уравнений.



Численные методы

Проблема численного решения линейных уравнений интересует математиков уже несколько столетий. Первые математические результаты появились в XVIII веке. В 1750 году Г. Крамер (1704-1752) опубликовал свои труды по детерминантам квадратных матриц и предложил алгоритм нахождения обратной матрицы, известный как правило Крамера. Гаусс в 1809 году опубликовал работу, посвященную движению небесных тел, в которой был изложен метод для решения линейных систем, известный как метод исключения.

В 40-х годах XX века с появлением компьютеров сильно возрос интерес к численным методам. Тогда же началось активное исследование существующих методов для их реализации на ЭВМ и предпринимались активные попытки увеличить их точность.

Вплоть до 80-х годов решение вычислительных задач было ограничено ресурсами ЭВМ, поэтому особое значение придавалось экономичности алгоритмов.

В настоящее время ограничения по оперативной памяти и быстродействию ЭВМ потеряли актуальность в связи с появлением относительно дешевых мини - и суперкомпьютеров.

Постановка задачи

Пусть имеется уравнение вида

f (x) = 0.

где f (x) - заданная алгебраическая или трансцендентная функция. (Функция называется алгебраической, если для получения её значения нужно выполнить арифметические операции и возведение в степень с рациональным показателем. Примеры трансцендентных функций - показательная, логарифмическая, тригонометрические, обратные тригонометрические.)

Решить уравнение - значит найти все его корни, то есть те значения x, которые обращают уравнение в тождество, или доказать, что корней нет.
Если алгебраическое или трансцендентное уравнение достаточно сложно, то довольно редко удается точно найти его корни. Кроме того, в некоторых случаях уравнение может содержать коэффициенты, известные лишь приблизительно, поэтому сама задача о точном нахождении корней теряет смысл. В таких случаях применяют численные (приближенные) методы решения.

Поставим задачу найти такое приближенное значение корня xпр, которое мало отличается от точного значения корня x*, так что выполняется неравенство ¦x* - xпр ¦< e, где e (эпсилон) - малая положительная величина - допустимая ошибка, которую мы можем заранее задать по своему усмотрению. Если корень найден с точностью e, то принято писать x*=xпр±e.

Будем предполагать, что уравнение (1) имеет лишь изолированные корни, т.е. для каждого корня существует окрестность, не содержащая других корней этого уравнения.

Основные методы решения нелинейных уравнений

Уравнение типа F(x)=0 или x=f(x) называется нелинейным. Решить уравнение это значит найти такое x, при котором уравнение превращается в тождество. В общем случае уравнение может иметь 0; 1; 2;...? корней. Рассмотренные ниже численные методы решения нелинейных уравнений позволяют находить один корень на заданном интервале [a,b]. При этом на интервале должен существовать только один корень. Рассмотрим несколько методов решения нелинейных уравнений.

Метод половинного деления

Метод деления отрезка пополам имеет другие названия: метод половинного деления, метод дихотомии, метод проб, метод бисекций.

Пусть корень уравнения f (x) = 0 отделен на отрезке[a;b], т.е. f(a)•f(b)<0.

Алгоритм приближенного вычисления корня методом половинного деления.

Исходные данные: f (x) - функция; е - требуемая точность; a, b - границы заданного интервала (границы поиска корня).

Результат: xпр - приближенный корень уравнения f (x) = 0.

Метод решения:

Шаг 1. Выбрать середину отрезка[a;b] в качестве приближенного корня.

Шаг 2. Если f(c)=0, то c - искомый корень уравнения, на этом прекращаем вычисления. В противном случае перейти к шагу 3.

Шаг 3. Точный корень уравнения x* отличается от c не более чем на половину длины отрезка, т.е. не более чем на (полученная точность). Проверяем условие . Если условие не выполняется, т.е. полученная точность нас не устраивает (она больше, чем требуемая), то перейти к шагу 4; в противном случае прекратить вычисления, поскольку мы достигли требуемой точности, и приближенным корнем уравнения f(x) = 0 считать середину c отрезка [a;b].

Шаг 4. Определить интервал дальнейшего поиска корня. Из двух образовавшихся при делении отрезков переходим к той из его половин [a;c] и [c;b], на концах которого функция принимает значения разных знаков.

Случай 1 (рис. 1). Корень на отрезке [a;c]. f(a)•f(c)?0, граница b сдвигается влево - заменить b на с: b:= c.

Рис. 1 Графическая иллюстрация метода половинного деления

Случай 2 (рис. 1). Корень на отрезке [c;b]. f(a)•f(c)>0, граница a сдвигается вправо - заменить a на с: a:= c.

Перейти к шагу 1.

Алгоритм деления отрезка пополам довольно медленный, но зато абсолютно застрахован от неудач. Основное достоинство метода состоит в том, что его скорость сходимости не зависит от вида функции f (x). Данный метод не имеет дополнительных условий сходимости, кроме f(a)•f(b)<0.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Блок-схема программы

Метод касательных

Пусть на отрезке [a; b] отделен корень с уравнения f (x) = 0 и f -функция непрерывна на отрезке [a; b], а на интервале (a; b) существуют отличные от нуля производные f ' и f ”.

Так как f '(x) ? 0, то запишем уравнение f (x) = 0 в виде:

x = x - ( f (x) / f '(x)) (1)

Решая его методом итераций можем записать:

x_n+1 = x _n- ( f (x _n) / f '(x _n)) (2)

Если на отрезке [a;b] f '(x) * f “(x) > 0, то нулевое приближение выбираем x₀=a. Рассмотрим геометрический смысл метода. Рассмотрим график функции y=f(x). Пусть для определенности f `(x) > 0 и f “(x) > 0 (рис. 1). Проведем касательную к графику функции в точке B (b, f (b)). Ее уравнение будет иметь вид:

y = f (b) + f '(b) * (x - b)

Полагая в уравнении y = 0 и учитывая, что f '(x) ? 0, решаем его относительно x. Получим:

x = b - (f (b) /f `(b))

Нашли абсциссу x₁ точки c₁ пересечения касательной с осью Оx:

x₁ = b - (f (b) - f ' (b))

Проведем касательную к графику функции в точке b₁ (x₁; f (x₁)).Найдем абсциссу x₂ точки с₂ пересечения касательной с осью Ox:

x₂ = x₁ - (f (x₁) / ( f '(x₁))

Вообще:

x_k+1 = x _k - ( f (x _k) / f '(x _k)) (3)

Таким образом, формула (3) дает последовательные приближения (x_k) корня, получаемые из уравнения касательной, проведенной к графику функции в точке b _k (x _k; f (x _k0) метод уточнения корня c [a;b] уравнения f (x) = 0 с помощью формулы (3) называется методом касательной или методом Ньютона.

Геометрический смысл метода касательных состоит в замене дуги y = f (x) касательной, одной к одной из крайних точек. Начальное приближение x ₀=a или x₀ = b брать таким, чтобы вся последовательность приближения х _k принадлежала интервалу (a;b). В случае существования производных f ', f ”, сохраняющих свои знаки в интервале, за х₀ берется тот конец отрезка [a;b], для которого выполняется условие f '(х₀) * f (х₀) > 0. Для оценки приближения используется общая формула:

|c-x _k-1 | ? | f (x _k+1)/m|, где m = _min f '(x) на отрезке [a;b].

На практике проще пользоваться другим правилом :

Если на отрезке [a;b] выполняется условие 0 < m < | f (x)| и ?????заданная точность решения, то неравенство | x _k+1-x _k| ? ??? влечет выполнение неравенства |c-x _k-1| ? ????

В этом случае процесс последовательного приближения продолжают до тех пор, пока не выполнится неравенство:

|c-x _k-1| ? ????

Размещено на http://www.allbest.ru/

Блок-схема программы



Метод хорд

Пусть на отрезке [a;b] функция непрерывна, принимает на концах отрезка значение разных знаков, а производная f '(x) сохраняет знак. В зависимости от знака второй производной возможны следующие случаи расположения кривых (рис. 1).

Рис. 1 Возможные случаи расположения кривых.

Алгоритм приближенного вычисления корня методом хорд.

Исходные данные: f (x) - функция; е - требуемая точность; x₀ - начальное приближение.

Результат: xпр - приближенный корень уравнения f (x) = 0.

Метод решения:

Рис. 2 Геометрическая интерпретация метода хорд для случая f '(x) f ''(x)>0

Рассмотрим случай, когда f '(x) и f ''(x) имеют одинаковые знаки (рис. 2).

График функции проходит через точки A₀(a,f(a)) и B₀(b,f(b)). Искомый корень уравнения (точка x*) нам неизвестен, вместо него возьмет точку х₁ пересечения хорды А₀В₀ с осью абсцисс. Это и будет приближенное значение корня.

В аналитической геометрии выводится формула, задающая уравнение прямой, проходящей через две точки с координатами (х1; у1) и (х2; у2):

.

Тогда уравнение хорды А₀В₀ запишется в виде: .

Найдем значение х = х₁, для которого у = 0: . Теперь корень находится на отрезке [x₁;b]. Применим метод хорд к этому отрезку. Проведем хорду, соединяющую точки A₁(x₁,f(x₁)) и B₀(b,f(b)), и найдем х₂ - точку пересечения хорды А₁В₀ с осью Ох: x₂=x₁ .

Продолжая этот процесс, находим: x₃=x₂. Получаем рекуррентную формулу вычисления приближений к корню x_n+1=x_n.

В этом случае конец b отрезка [a;b] остается неподвижным, а конец a перемещается.

Таким образом, получаем расчетные формулы метода хорд:

x_n+1=x_n; x₀=a. (4)

Вычисления очередных приближений к точному корню уравнения продолжается до тех пор, пока не достигнем заданной точности, т.е. должно выполняться условие: |x_n+1-x_n|<, где - заданная точность.

Теперь рассмотрим случай, когда первая и вторая производные имеют разные знаки, т.е. f '(x) f ''(x)<0. (рис. 3).

Рис. 3 Геометрическая интерпретация метода хорд для случая f '(x) f ''(x)<0

Соединим точки A₀(a,f(a)) и B₀(b,f(b)) хордой А₀В₀. Точку пересечения хорды с осью Ох будем считать первым приближение корня. В этом случае неподвижным концом отрезка будет являться конец а.

Уравнение хорды А₀В₀:. Отсюда найдем x₁, полагая y = 0: x₁=b. Теперь корень уравнения x[a;x₁]. Применяя метод хорд к этому отрезку, получим x₂=x₁. Продолжая и т.д., получим x_n+1=x_n.

Расчетные формулы метода:

x_n+1=x_n, x₀=0. (5)

Условие окончания вычислений: |x_n+1-x_n|<. Тогда хпр = xn+1 с точностью Итак, если f '(x) f ''(x)>0 приближенное значение корня находят по формуле (4), если f '(x) f ''(x)<0, то по формуле (5).

Практический выбор той или иной формулы осуществляется, пользуясь следующим правилом: неподвижным концом отрезка является тот, для которого знак функции совпадает со знаком второй производной.

Пример. Проиллюстрировать действие этого правила на уравнении

(x-1)ln(x)-1=0, если отрезок изоляции корня [2;3].

Решение. Здесь f(x)=(x-1)ln(x)-1.

f '(x)=ln(x)+;

f ''(x)=.

Вторая производная в этом примере положительна на отрезке изоляции корня [2;3]: f ''(x)>0, f(3)>0, т.е. f(b) f''(x)>0. Таким образом, при решении данного уравнения методом хорд для уточнения корня выбираем формулы (4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Блок-схема программы

Практическая часть

unit Unit1;

interface

uses

Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,

Dialogs, ExtCtrls, TeeProcs, TeEngine, Chart, StdCtrls, Series;

type

TForm1 = class (TForm)

Label3: TLabel;

Button1: TButton;

Edit3: TEdit;

Edit4: TEdit;

Chart1: TChart;

Series1: TFastLineSeries;

Edit2: TEdit;

Edit5: TEdit;

Button3: TButton;

Label2: TLabel;

Button2: TButton;

Label4: TLabel;

Button4: TButton;

Button5: TButton;

Panel1: TPanel;

Panel2: TPanel;

Edit6: TEdit;

Label5: TLabel;

Panel3: TPanel;

Edit9: TEdit;

Label8: TLabel;

Button6: TButton;

Button7: TButton;

Button8: TButton;

Button9: TButton;

Label6: TLabel;

Label7: TLabel;

Label1: TLabel;

procedure Button1Click(Sender: TObject);

procedure Button3Click(Sender: TObject);

procedure Button2Click(Sender: TObject);

procedure Button4Click(Sender: TObject);

procedure Button5Click(Sender: TObject);

procedure Button6Click(Sender: TObject);

procedure Button7Click(Sender: TObject);

procedure Button8Click(Sender: TObject);

procedure Button9Click(Sender: TObject);

// procedure Label3Click(Sender: TObject);

private

{ Private declarations }

public

{ Public declarations }

end;

var

Form1: TForm1;

implementation

uses Unit2;

{$R *.dfm}

function F(x:real): real;

begin

result:=2*cos((x+pi/6))+x*x-4*x+3;

end;

function F1(x:real): real;

begin

result:=2*(x-1/6*(6*x+pi)*sin(x)+cos(x)-2);

end;

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

Var a,y,x0,y1,b,x1,xn,xn1: real;

x,e, Fx, Fx1: real;

begin

e:=strtofloat(edit3.Text);

a:=StrToFloat(Edit2.Text);

b:=StrToFloat(Edit5.Text);

x0:=a;

x:=x0-f(x0)/f1(x0);

repeat

begin

x1:=x;

y:=f(x);

y1:=f1(x);

x:=x-y/y1;

end;

until (x-x1)>e;

Repeat

x:=x-(F(x)/F1(x));

Until abs(f(x))<e;

edit4.Text:=FloatToStr(x);

end;

procedure TForm1.Button3Click(Sender: TObject);

var

a,b,h: real;

i,n: integer;

begin

a:=StrToFloat(Form1.Edit2.Text);

b:=StrToFloat(Form1.Edit5.Text);

n:=100;

h:=(b-a)/n;

Form1.Series1.AddXY(a,f(a));

for i:=1 to n do

Form1.Series1.AddXY(a+h*i,f(a+h*i));

end;

procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);

begin

Form1.Series1.Clear;

end;

procedure TForm1.Button4Click(Sender: TObject);

var x,c,a,b,e:real;

begin

e:=strtofloat(Edit6.Text);

a:=strtofloat(edit2.Text);

b:=strtofloat(edit5.Text);

repeat

c:=(a+b)/2;

if f(a)*f(c)<0 then b:=c else a:=c;

until b-a<e;

x:=(a+b)/2;

begin

edit4.Text:=FloatToStr(x);

end;

end;

procedure TForm1.Button5Click(Sender: TObject);

Var a,b,c,g,e,x,x0,x1,y:real;

Fx: real;

begin

e:=strtofloat(edit9.text);

a:=strtofloat(edit2.Text);

b:=strtofloat(edit5.Text);

c:=a;

repeat

g:=c;

c:=(a*f(b)-b*f(a))/(f(b)-f(a));

if f(a)*f(c)<0 then b:=c else a:=c;

until abs(c-g)<e;

Form1.Edit4.Text:=(floattostr(c));

end;

procedure TForm1.Button6Click(Sender: TObject);

begin

panel1.Visible:=true;

panel2.Visible:=false;

panel3.Visible:=false;

end;

procedure TForm1.Button7Click(Sender: TObject);

begin

panel2.Visible:=true;

panel1.Visible:=false;

panel3.Visible:=false;

end;

procedure TForm1.Button8Click(Sender: TObject);

begin

panel3.Visible:=true;

panel1.Visible:=false;

panel2.Visible:=false;

end;

procedure TForm1.Button9Click(Sender: TObject);

begin

form2.showmodal;

end;

end.

Метод касательных
Точность	0,001
Интервал	(-1,2)
Ответ	1,02390

Метод половинного деления
Точность	0,001
Интервал	(-1,2)
Ответ	1,02404

Метод хорд
Точность	0,001
Интервал	(-1,2)
Ответ	1,02383



Заключение

линейный уравнение хорда деление

Проблема повышения качества вычислений, как несоответствие между желаемым и действительным, существует и будет существовать в дальнейшем. Ее решению будет содействовать развитие информационных технологий, которое заключается как в совершенствовании методов организации информационных процессов, так и их реализации с помощью конкретных инструментов - среды Delphi.

Итогом работы можно считать созданную функциональную модель нахождения корней уравнения методами Ньютона, хорд и половинного деления. Данная модель применима к детерминированным задачам, т.е. погрешностью экспериментального вычисления которых можно пренебречь. Созданная функциональная модель и ее программная реализация могут служить органической частью решения более сложных задач.

Проведя исследования по теме курсовой работы "Численные методы. Решение нелинейных уравнений", мы добились поставленных во введении целей. К каждому определению и теореме были приведены несколько примеров. Все теоремы доказаны.

Использование различных источников дало возможность полностью раскрыть тему.



Список литературы

1. Бахвалов Н. С. Численные методы М.: БИНОМ. Лаб. знаний, 2007. 632 с.

2. Бахвалов Н. С. Численные методы в задачах и упражнениях / Н. С. Бахвалов, А. В. Лапин, Е. В. Чижонков. М.: Высш. шк., 2005. 192 с.

3. Вержбицкий В. М. Численные методы. Линейная алгебра и нелинейные уравнения. М.: Высш.шк., 2006. 268 с.

4. Вержбицкий В. М. Численные методы. Математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Высш.шк., 2008. 383 с.

5. Волков Е. А. Численные методы. СПб.: Лань, 2010. 248 с.

6. Шуп Т. Е. Прикладные численные методы в физике и технике. М.: Высш. шк., 2007. 255 с.

Размещено на Allbest.ru

...