数值分析10-方程求根的迭代法课件.ppt
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1、第四章第四章 方程求根的迭代法方程求根的迭代法远在公元前远在公元前1700年的古巴比伦人就已有关于一、二次方程的解法。年的古巴比伦人就已有关于一、二次方程的解法。九章算术九章算术(公元前公元前50100年年)其中其中“方程术方程术”有联立一次方程组的一有联立一次方程组的一般解法。般解法。1535年意大利数学家坦特格里亚年意大利数学家坦特格里亚(TorTaglia)发现了三次方程的解法,发现了三次方程的解法,卡当卡当(HCardano)从他那里得到了这种解法,于从他那里得到了这种解法,于1545年在其名著年在其名著大法大法中公布了三次方程的公式解,称为卡当算法。中公布了三次方程的公式解,称为卡当
2、算法。后来卡当的学生弗瑞里后来卡当的学生弗瑞里(Ferrari)又提出了四次方程的解法。此成果更又提出了四次方程的解法。此成果更激发了数学家们的情绪,但在以后的二个世纪中,求索工作始终没有激发了数学家们的情绪,但在以后的二个世纪中,求索工作始终没有成效,导致人们对高次代数方程解的存在性产生了怀疑。成效,导致人们对高次代数方程解的存在性产生了怀疑。17991799年,高斯证明了代数方程必有一个实根或复根的定理,称此为代年,高斯证明了代数方程必有一个实根或复根的定理,称此为代数基本定理,并由此可以立刻推理数基本定理,并由此可以立刻推理n n次代数方程必有次代数方程必有n n个实根或复根。个实根或复
3、根。但在以后的几十年中仍然没有找出高次代数方程的公式解。一直到但在以后的几十年中仍然没有找出高次代数方程的公式解。一直到1818世纪,法国数学家拉格朗日用根置换方法统一了二、三、四方程的解世纪,法国数学家拉格朗日用根置换方法统一了二、三、四方程的解法。法。但求解五次方程时未能如愿但求解五次方程时未能如愿,开始意识到有潜藏其中的奥妙开始意识到有潜藏其中的奥妙,用现代术用现代术语表示就是置换群理论问题。语表示就是置换群理论问题。在继续探索在继续探索5 5次以上方程解的艰难历程中,第一个重大突破的是挪威数次以上方程解的艰难历程中,第一个重大突破的是挪威数学家阿贝尔学家阿贝尔(N(NAbel1802-
4、1829)1824Abel1802-1829)1824年阿贝尔发表了年阿贝尔发表了“五次方程代数五次方程代数解法不可能存在解法不可能存在”的论文,但并未受到重视,连数学大师高斯也未理的论文,但并未受到重视,连数学大师高斯也未理解这项成果的重要意义。解这项成果的重要意义。1828年年17岁的法国数学家伽罗华岁的法国数学家伽罗华(EGalois 1811-1832)写出了划时代的论写出了划时代的论文文“关于五次方程的代数解法问题关于五次方程的代数解法问题”,指出即使在公式中容许用,指出即使在公式中容许用n次方次方根,并用类似算法求五次或更高次代数方程的根是不可能的根,并用类似算法求五次或更高次代数
5、方程的根是不可能的 文章呈交法兰西科学院后,因辈份太低遭到冷遇,且文稿丢失。文章呈交法兰西科学院后,因辈份太低遭到冷遇,且文稿丢失。1830年年伽罗华再进科学院递稿,得到泊松院士的判词伽罗华再进科学院递稿,得到泊松院士的判词“完全不能理解完全不能理解”。后来伽罗华命运不佳,投考名校巴黎工科大学落榜,屈就高等师院,并后来伽罗华命运不佳,投考名校巴黎工科大学落榜,屈就高等师院,并卷入政事两次入狱,被开除学籍,又决斗受伤,死于卷入政事两次入狱,被开除学籍,又决斗受伤,死于1832年。决斗前,年。决斗前,他把关于五次代数求解的研究成果写成长信,留了下来。他把关于五次代数求解的研究成果写成长信,留了下来
6、。十四年后,法国数学家刘维尔十四年后,法国数学家刘维尔(JLiouville)整理并发表了整理并发表了伽罗华的遗作,人们才意识到这项近代数学发展史上的重伽罗华的遗作,人们才意识到这项近代数学发展史上的重要成果的宝贵。要成果的宝贵。38年后,即年后,即1870年,法国数学家若当年,法国数学家若当(CJordan)在专著在专著论置换与代数方程论置换与代数方程中阐发了伽罗华的思想,一门现代中阐发了伽罗华的思想,一门现代数学的分支数学的分支群论诞生了。群论诞生了。在前几个世纪中,曾开发出一些求解代数方程的有效算法,在前几个世纪中,曾开发出一些求解代数方程的有效算法,它们构成了数值分析中的古典算法。至于
7、超越方程则不存它们构成了数值分析中的古典算法。至于超越方程则不存在一般的求根方式。在一般的求根方式。在科学研究的数学问题中更多的是非线性问题,在科学研究的数学问题中更多的是非线性问题,它们又常常归结为非线性方程或非线性方程组的它们又常常归结为非线性方程或非线性方程组的求解问题。求解问题。4.1 方程求根与二分法方程求根与二分法 4.1.1 引言引言0)(xf(1.1)单变量非线性方程的一般形式单变量非线性方程的一般形式 其中其中 也可以是无穷区间也可以是无穷区间.,)(,RbabaCxfxf(x)是是高次多项式函数高次多项式函数或或超越函数超越函数),0()(01110 aaxaxaxaxfn
8、nnn(1.2)如果函数如果函数 是多项式函数,即是多项式函数,即)(xf其中其中 为实数,则称方程为实数,则称方程(1.1)(1.1)为为 次代数方程次代数方程.),1,0(,00niaain超越函数超越函数 不能表示为多项式的函数不能表示为多项式的函数如如 (x)=3x5-2x4+8x2-7x+1 (x)=e2x+1-xln(sinx)-2高次代数方程高次代数方程超越方程超越方程 若若 是是 的的 重零点,且重零点,且 充分光滑,则充分光滑,则*x)(xfm)(xg,0*)(*)(*)()1(xfxfxfm.0*)()(xfm 次方程在复数域有且只有次方程在复数域有且只有 个根(含重根,个
9、根(含重根,重根为重根为 个根)个根).mmnn超越方程超越方程,010sine10/xx它在整个它在整个 轴上有无穷多个解,若轴上有无穷多个解,若 取值范围不同,解也取值范围不同,解也不同,因此讨论非线性方程不同,因此讨论非线性方程(1.1)(1.1)的求解必须强调的求解必须强调 的定的定义域,即义域,即 的求解区间的求解区间xxxx.,ba 如果实数如果实数 满足满足 ,则称,则称 是方程是方程(1.1)(1.1)的的根根,或称,或称 是是 的的零点零点.*x)(xf0*)(xf*x*x若若 可分解为可分解为 )(xf),(*)()(xgxxxfm其中其中 为正整数,且为正整数,且 则称则
10、称 为方程为方程(1.1)(1.1)的的 重根重根,或,或 为为 的的 重零点重零点,时为时为单根单根.m.0*)(xg1m*xm*x)(xfm结论结论通常方程根的数值解法大致分为三个步骤进行:通常方程根的数值解法大致分为三个步骤进行:非线性问题一般不存在直接的求解公式,要使用迭代法非线性问题一般不存在直接的求解公式,要使用迭代法.本章将介绍常用的求解非线性方程的近似根的几种数值解法本章将介绍常用的求解非线性方程的近似根的几种数值解法 如何求方程如何求方程 的有根区间?的有根区间?0)(xf 设设 f(x)Ca,b,且且 f(a)f(b)0,存在存在(a,b),使,使 f()=0.根的存在性定
11、理根的存在性定理闭区间上连续函数的介值定理闭区间上连续函数的介值定理有根区间有根区间如果如果f(x)在在a,b上还是上还是单调递增单调递增或或递减递减的,则的,则f(x)=0仅有一仅有一个实根。个实根。(1)(1)描图法描图法 画出画出y=f(x)的略图,从而看出曲线与的略图,从而看出曲线与x轴交点的大致位置。轴交点的大致位置。也可将也可将f(x)=0)=0等价变形为等价变形为g1 1(x)=)=g2 2(x)的形式,的形式,y=g1 1(x)与与y=g2 2(x)两曲线交点的横坐标所在的子区间即为含根区间。两曲线交点的横坐标所在的子区间即为含根区间。例例1 1 求方程求方程3 3x-1-1-
12、cosx=0 0的有根区间。的有根区间。方程等价变形为方程等价变形为3 3x-1=-1=cosx,y=3 3x-1-1与与y=cosx的图像只有一个交点位于的图像只有一个交点位于0.50.5,11内内。对对 的根进行搜索计算,的根进行搜索计算,0)(xf 例例2 2 求方程求方程 的有根的有根区间区间.077.418.381.11)(23xxxxf的符号计算结果表)(6543210 1-7xfx由此可知方程的有根区间为由此可知方程的有根区间为 .6,5,4,3,2,1(2)逐步搜索法逐步搜索法 先确定方程先确定方程f(x)=0的所有实根所在的区间为的所有实根所在的区间为a,b,从从x0=a 出
13、发出发,以步长以步长 h=(b-a)/n 其中其中n是正整数,在是正整数,在a,b内取定节点:内取定节点:xi=x0ih (i=0,1,2,n)计算计算f(xi)的值的值,依据函数值异号及实根的个数确定有根区依据函数值异号及实根的个数确定有根区间间,通过调整步长,总可找到所有有根区间。通过调整步长,总可找到所有有根区间。解解 4.1.2 二分法二分法求解方程求解方程f(x)=0的的近似根近似根的一种常用的简单方法。的一种常用的简单方法。原理原理基本思想基本思想设函数设函数f(x)在闭区间在闭区间a,b上连续上连续,且且f(a)f(b)0,则则 f(x)=0在在(a,b)内必有实根区间。内必有实
14、根区间。逐步将区间二等分逐步将区间二等分,通过判断区间端点通过判断区间端点f(x)的符号的符号,逐步将逐步将有根区间缩小有根区间缩小,直至有根区间足够地小直至有根区间足够地小,便可求出便可求出满足精满足精度要求度要求的近似根。的近似根。具体做法具体做法)(xfy aboxy x 20bax 1b 1112xba 2a 3a 1a2222xba 2b3b11,a b22,a b33,a b以此类推以此类推由二分法的过程知由二分法的过程知,2211 kkbabababa,0)().(*kkkkbaxbfaf (1)kkkkkababab2211 (2)(3)2kkkbax 作为作为根的近似根的近似
15、可得一个可得一个近似根的序列近似根的序列 ,210kxxxx2/)(*kkkabxx(1.3),2/)(1kab且且(4)只要二分足够多次(即只要二分足够多次(即 充分大),便有充分大),便有 k,*kxx这里这里 为为预定的精度预定的精度.12lnln)ln(abk,*kxx要使要使解解:211 510,.;ab,21 5 11012ln(.)lnln 4.64例例3 用二分法求方程用二分法求方程 在区间在区间 上的根,误差上的根,误差限为限为 ,问至少需对分多少次?,问至少需对分多少次?310 xx 1 1 5,.210 12lnln)ln(abk5 k二分法的算法二分法的算法 步骤步骤1
16、 1 准备准备 计算计算 在有根区间在有根区间 端点处的值端点处的值 )(xf).(),(bfaf,ba 步骤步骤2 2 二分二分 计算计算 在区间中点在区间中点 处的值处的值 )(xf2ba).2(baf 步骤步骤3 3 判断判断 若若 ,则,则 即是根,即是根,计算过程结束,否则检验计算过程结束,否则检验.0)2(baf2ba 若若 ,则以,则以 代替代替 ,否则以,否则以0)()2(afbaf2ba b代替代替 .2ba a此时中点此时中点 即为所求近似根即为所求近似根.2ba 误差误差 ,反复执行步骤反复执行步骤2 2和步骤和步骤3 3,直到区间,直到区间 长度小于允许长度小于允许,b
17、a y n 开 始 输 入 a,b,(a+b)/2 x f(a)f(x)0?xb x a|b-a|0 输 出 x 结 束 y n 例例4 求方程求方程 01)(3xxxf在区间在区间 内的一个实根,要求准确到小数点后第内的一个实根,要求准确到小数点后第2 2位位.5.1,0.1欲使欲使5.1,0.1ba0)(,0)(bfaf25.10 x只需只需 ,即只要二分,即只要二分6 6次,便能达到预定的精度次,便能达到预定的精度.6k2/)(*kkkabxx12/)(kab,005.021211k 解解 0)(0 xf5.1,25.1101bbxa.,11ba得到新的有根区间得到新的有根区间 3242
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