方程求根的数值方法
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定理:f(x)连续,f(a)与f(b)异号,a<b,则方程f(x)=0在区间(a,b)内至少有一个根,称(a,b)是该方程的一个有根区间。
若已知(a,b)内有且仅有一个根,则称(a,b)是一个单根区间。
确定了单根区间(a,b)后,就可用数值求根的方法进行求近似解。常用的方法有
逐步搜索法、 图形放大法、 数值迭代逼近法
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2)图形放大法
y=f(x)图象与x轴交点(的横坐标)即为f(x)=0根。借助计算机,逐步画图,就可得近似根。
1)逐步搜索法
适当取一个小正数h,逐步计算f(a)、f(a+h)、f(a+2h)、f(a+3h)、…… 的值,直到相邻两个值异号,则取这两点的中点为近似根。
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3)数值迭代逼近法
(1)区间迭代法(缩小有根区间)
对分法 就是将已知有根区间[a,b]一分为二,比较三个数
的正负,根据“介值定理”确定哪一半有根;重复多次。
黄金分割法与对分法本质上一致,只不过每次压缩区间的比例不是一半,(黄金分割比例)
区间迭代法 1)对分法 2)黄金分割法
点迭代法 1)简单迭代法 2)牛顿切线法
3)单点割线法 4)两点割线法
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例1:用对分法求x4+x-3=0在(1,2)内的一个根,。
解:设f(x)=x4+x-3。则
有根区间是(1,2)
有根区间(1,)
有根区间(1,)
有根区间(,)
有根区间(,)
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(2)点迭代法
若数列{xk} 收敛,则极限值就是准确根。满足x=φ(x)的点称为方程的不动点,此法又称为方程求解的不动点法。
注意到迭代函数形式不唯一,其迭代差异可能很大。迭代法需要讨论的基本问题有:迭代法函数构造、迭代序列的收敛性,收敛速度以及误差估计。
一般迭代法:将f(x)=0适当变形为x=φ(x),在根的邻近找一个点x0作为初始点,作迭代
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定理(压缩映像原理)
设迭代函数 x=φ(x) 在闭区间[a,b]上满足:
(1) 对任意x∈[a,b],φ(x) ∈[a,b];
(2) 满足Lipschitz条件
则 x=φ(x) 在闭区间[a,b]上 存在唯一解x*,使得对任意x∈[a,b],由xk+1= φ(xk) 产生的序列{xk}收敛于x*。
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y=x
迭代法的几何意义
交点的横坐标即为f(x)=0的根。
y=φ(x)
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简单迭代收敛情况的几何解释
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解:由 建立迭代关系:
例2:试用迭代法求方程 f(x)=x3-x-1=0在区间(1,2)内的实根。
k=0,1,2,3…….
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