非线性方程数值求解.doc
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第四章 非线性方程数值求解
基本内容
1. 知道方程的分类
2. 了解如何作根的搜索
3. 不动点迭代的操作:,k=0,1…
4. 收敛性定理:有2个不同意义下的收敛定理。
全局收敛: (1)定义域条件:时,;
(2)Lipschitz条件:
(1)
(2)
局部收敛:
则为m阶收敛,
5. 迭代加速
(1) 松弛法
(2) Aitken法和Steffenson法
6. 牛顿法
二阶收敛,
7. 割线法
8. 代数方程求根
一.基本题型之一:给定非线性方程组,选择适当的解法求出近似根
基本解法有二分法,不动点迭代法,牛顿法(也是不动点迭代的一中)和割线法等,有时需要用有关的加速法。
1. 用二分法求解方程=0,使精度,并估计最小二分次数。
解:设 。因为,,
故在[1,2]中,方程有零点。
又因,
而 , ,
由单调性可知,在[1,2]中有唯一零点。
先估计二分最少次数。题目要求,这与教材中的精度要求
是不一样的,故不能直接用教材里给出的估计迭代次数的公式,需要另行推导,请同学们注意此类“陷阱”。
因为,,,所以要根据两种可能情况来确定 的大小:(注:下图中打印的同学未能把等打在的中点,所以大家看得时候要当心——周国标)
在这两种情况下:
已知要求,即有 ,解得 ,即最小二分次数为6次。
(2) 具体计算结果如下表:
k
0
1
2
1.5
1
1.5
2
1.75
0.25
2
1.5
1.75
1.625
0.125
3
1.625
1.75
1.6875
0.0625
4
1.6875
1.75
1.71875
0.3125
5
1.71875
1.75
1.73438
0.01563
6
1.71875
1.73438
1.72656
0.00781
故,此解满足
2. 求解方程:。
(1) 该方程有几个根;
(2) 用迭代法求出这些根,精确到四位有效数字。
解: 一般而言,要先确定方程的根的存在区间,把握函数在区间的单调性来确定方程根的个数,然后用牛顿法求解。可以先大致画图,判断根的情况。
(1) 如方程有根,则,则,即。
记 , 则。 在内,求解的根(即求的平稳点),解出:
当时,;当时,
又,,
故方程在内有唯一根。
(2) 用牛顿法,取,,
取,是为了使尽可能靠近,使牛顿迭代的收敛性得到保证。计算结果如下:
; ;
至此,已有1.029,四位有效数字了,迭代结束,取。
3.求解方程最大根。
(1)写出求解此方程的最大根的不动点迭代公式;
(2)确定迭代收敛的条件;
(3)求出方程的最大根,计算过程取5位有效数字,精确度要求为。
解(1)首先要确定最大根的所在空间,而且为单调区间,即在该区间中有单根,这是选取初始值的前提。然后进行迭代。
记,根据的定义,在有定义。
当 ,,在此区间,为单调减函数。
当 时,,在此区间,为单调增函数。
,
,
故和为方程的有根区间,且在每个区间中,只有一个根。为此,方程最大根在内,构造迭代格式
其迭代函数为。
(2)。当,,
故满足在区间内的不动点迭代收敛条件,迭代格式收敛。
(3)取。则 ; ;
; ,
因 ,故迭代停止。取。
4.判断方程(1);(2) 各有几个实根,并确定定位区间。
解:(1)为了好作图像,改写原方程为。
分别作, 的图像在同一坐标系内。
易知有2个实根,一个在区间,另一根要计算一下:
;
故在区间间,还有一个根。
(2) ;
时,,在此区间,为单调减函数。
时,,在此区间,为单调增函数。
试算一下:
x
-2
0
3
-
+
-
-
+
故有三个零点区间
,,。
5.用迭代法求方程的最小正根,要求精确到4位有效数字。
解:由图解法可知,之间有个根,且为最小的根。
也可用解析法定位。取; 。
,,,
故为有根区间,且只有一根。将方程改写为不动点方程:
。,即。
因
故不动点迭代式 在区间[0,0.5]上收敛,且有唯一解。
取 。
6. 当R取适当值时,曲线相切,求出R试用迭代法求出切线的横坐标的近似值。(要求计算结果不少于4位有效数字)
解:因圆半径未定,故先从来计算,切点处的斜率:由得;
而隐函数 确定的 可从 (*)中解出。
两曲线相切,切点处的斜率应相同,故把代入(*),且在切点处,这样有
,即切点的横坐标满足方程 ,
即 。 记
作試算 ,又,
故中单调,有惟一的根。 构造迭代格式
迭代函数,故迭代收敛。
取初值
(4位)。
7. 分别用不动点迭代法和Aitken加速法求在区间[3,4]上的近似根,要求误差不超过,并对两种方法结果作出比较。
解:因为和在[3,4]上的值均较大,故对两边取对数,得不动点方程
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