Wprowadzenie Metoda bisekcji Metoda regula falsi Metoda siecznych Metoda stycznych RÓWNANIA NIELINIOWE

Podobne dokumenty
1 Równania nieliniowe

ROZWIĄZYWANIE RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

Matematyka stosowana i metody numeryczne

Metody numeryczne Wykład 7

1 Metody rozwiązywania równań nieliniowych. Postawienie problemu

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

Rozwiązywanie równań nieliniowych

METODY NUMERYCZNE. Wykład 4. Numeryczne rozwiązywanie równań nieliniowych z jedną niewiadomą. prof. dr hab.inż. Katarzyna Zakrzewska

Wstęp do metod numerycznych Rozwiazywanie równań algebraicznych. P. F. Góra

Metody rozwiązywania równań nieliniowych

Elementy metod numerycznych

Wybrane metody przybliżonego. wyznaczania rozwiązań (pierwiastków) równań nieliniowych

Iteracyjne rozwiązywanie równań

METODY NUMERYCZNE. Wykład 4. Numeryczne rozwiązywanie równań nieliniowych z jedną niewiadomą. Rozwiązywanie równań nieliniowych z jedną niewiadomą

Laboratorium 5 Przybliżone metody rozwiązywania równań nieliniowych

Metody numeryczne. materiały do wykładu dla studentów

Metody numeryczne. dr Artur Woike. Ćwiczenia nr 2. Rozwiązywanie równań nieliniowych metody połowienia, regula falsi i siecznych.

METODY ROZWIĄZYWANIA RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

Zagadnienia - równania nieliniowe

RÓWNANIA NIELINIOWE Maciej Patan

Metody numeryczne. Równania nieliniowe. Janusz Szwabiński.

Kubatury Gaussa (całka podwójna po trójkącie)

Rozwiązywanie równań nieliniowych i ich układów. Wyznaczanie zer wielomianów.

Metody numeryczne w przykładach

Wyznaczanie miejsc zerowych funkcji

Wprowadzenie do metod numerycznych Wykład 2 Numeryczne rozwiązywanie równań nieliniowych

Metody Numeryczne. Wojciech Szewczuk

Rozwiązywanie równań nieliniowych i ich układów. Wyznaczanie zer wielomianów.

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Metody Obliczeniowe w Nauce i Technice

Wyznaczanie miejsc zerowych funkcji

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 26 czerwca 2017 roku

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

INFORMATYKA ELEMENTY METOD NUMERYCZNYCH.

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 24 czerwca 2019 roku

Wykład 5. Zagadnienia omawiane na wykładzie w dniu r

Rozwiązywanie równań nieliniowych i ich układów. Wyznaczanie zer wielomianów.

Metody numeryczne. Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Wydział Elektrotechniki, Informatyki i Telekomunikacji Uniwersytet Zielonogórski

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Metody przybliżonego rozwiązywania równań różniczkowych zwyczajnych

Wstęp do metod numerycznych 9. Rozwiazywanie równań algebraicznych. P. F. Góra

Optymalizacja ciągła

Pochodna funkcji. Pochodna funkcji w punkcie. Różniczka funkcji i obliczenia przybliżone. Zastosowania pochodnych. Badanie funkcji.

Matematyka licea ogólnokształcące, technika

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

Metody iteracyjne rozwiązywania układów równań liniowych (5.3) Normy wektorów i macierzy (5.3.1) Niech. x i. i =1

Metody Numeryczne Optymalizacja. Wojciech Szewczuk

Wstęp do programowania INP001213Wcl rok akademicki 2018/19 semestr zimowy. Wykład 5. Karol Tarnowski A-1 p.

Bardzo łatwa lista powtórkowa

I. Pochodna i różniczka funkcji jednej zmiennej. 1. Definicja pochodnej funkcji i jej interpretacja fizyczna. Istnienie pochodnej funkcji.

REPREZENTACJA LICZBY, BŁĘDY, ALGORYTMY W OBLICZENIACH

Pochodna funkcji. Niech f : A R, a A i załóżmy, że istnieje α > 0 taka, że

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

ZADANIA OPTYMALIZCJI BEZ OGRANICZEŃ

ZAGADNIENIA PROGRAMOWE I WYMAGANIA EDUKACYJNE DO TESTU PRZYROSTU KOMPETENCJI Z MATEMATYKI DLA UCZNIA KLASY II

ROZKŁAD MATERIAŁU DO II KLASY LICEUM (ZAKRES ROZSZERZONY) A WYMAGANIA PODSTAWY PROGRAMOWEJ.

2) R stosuje w obliczeniach wzór na logarytm potęgi oraz wzór na zamianę podstawy logarytmu.

Analiza numeryczna kolokwium2a-15grudnia2005

Zagadnienia do małej matury z matematyki klasa II Poziom podstawowy i rozszerzony

Próbny egzamin z matematyki dla uczniów klas II LO i III Technikum. w roku szkolnym 2012/2013

Metody Numeryczne w Budowie Samolotów/Śmigłowców Wykład I

Interpolacja. Marcin Orchel. Drugi przypadek szczególny to interpolacja trygonometryczna

Układy równań nieliniowych (wielowymiarowa metoda Newtona-Raphsona) f(x) = 0, gdzie. dla n=2 np.

Granice funkcji-pojęcie pochodnej

Pochodną funkcji w punkcie (ozn. ) nazywamy granicę ilorazu różnicowego:

ROZKŁAD MATERIAŁU DO 1 KLASY LICEUM (ZAKRES PODSTAWOWY) A WYMAGANIA PODSTAWY PROGRAMOWEJ.

POD- I NADOKREŚLONE UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c = a

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

Wykład 4 Przebieg zmienności funkcji. Badanie dziedziny oraz wyznaczanie granic funkcji poznaliśmy na poprzednich wykładach.

KADD Minimalizacja funkcji

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c,

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

ROZKŁAD MATERIAŁU DO 1 KLASY LICEUM (ZAKRES ROZSZERZONY) A WYMAGANIA PODSTAWY PROGRAMOWEJ.

PLAN WYNIKOWY Z MATEMATYKI DLA KLASY IV TECHNIKUM 5 - LETNIEGO

Lab 10. Funkcje w argumentach funkcji metoda Newtona. Synonimy nazw typów danych. Struktury. Tablice struktur.

Biotechnologia, Chemia, Chemia Budowlana - Wydział Chemiczny - 1

Rachunek całkowy - całka oznaczona

Rachunek Różniczkowy

11. Pochodna funkcji

Funkcje wielu zmiennych

Analiza matematyczna i algebra liniowa Pochodna funkcji

Optymalizacja ciągła

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

Przedmiotowy system oceniania z matematyki klasa I i II ZSZ 2013/2014

Rzut oka na współczesną matematykę spotkanie 3: jak liczy kalkulator i o źródłach chaosu

Zadania z analizy matematycznej - sem. I Pochodne funkcji, przebieg zmienności funkcji

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Egzamin, Gr. A

Projekty standardów wymagań egzaminacyjnych z matematyki (materiał do konsultacji)

Granica funkcji wykład 4

Pochodna funkcji c.d.-wykład 5 ( ) Funkcja logistyczna

VIII. Zastosowanie rachunku różniczkowego do badania funkcji. 1. Twierdzenia o wartości średniej. Monotoniczność funkcji.

WYKŁAD 9 METODY ZMIENNEJ METRYKI

II. FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

22 Pochodna funkcji definicja

KLASA II LO Poziom rozszerzony (wrzesień styczeń)

Całkowanie numeryczne przy użyciu kwadratur

Funkcje wymierne. Jerzy Rutkowski. Działania dodawania i mnożenia funkcji wymiernych określa się wzorami: g h + k l g h k.

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

Standardy wymagań maturalnych z matematyki - matura

Transkrypt:

Transport, studia niestacjonarne I stopnia, semestr I Instytut L-5, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska Ewa Pabisek Adam Wosatko

Postać ogólna równania nieliniowego Zazwyczaj nie można znaleźć rozwiązania równania nieliniowego w sposób dokładny. Istotnym problemem obliczeniowym jest numeryczne poszukiwanie rozwiązań równań nieliniowych, które mają postać: f (x) = 0 lub g(x) = h(x). (1) Rozwiązaniem (pierwiastkiem równania, miejscem zerowym) nazywamy każdą liczbę x = x, która spełnia równanie (1). Równanie nieliniowe charakteryzuje się tym, że może nie mieć żadnego rozwiązania lub też może mieć wiele rozwiązań. Nie można sformułować ogólnych reguł prowadzących do wyznaczenia jakiegokolwiek pierwiastka. Przykładem równań nieliniowych mogą być równania algebraiczne (wielomiany) lub równania przestępne (funkcje trygonometryczne).

Warunki numerycznego rozwiązywania równań nieliniowych Do obliczeń numerycznych można przystąpić dopiero wtedy gdy wiemy, że poszukiwane rozwiązanie istnieje. Przy omawianiu algorytmów obliczania rozwiązań równań nieliniowych zakładamy, że równanie ma tylko pierwiastki odosobnione, tj. dla każdego pierwiastka równania istnieje otoczenie [a, b], które nie zawiera innych pierwiastków tego równania. Takie otoczenie [a, b] będzie nazywane przedziałem izolacji.

Warunki numerycznego rozwiązywania równań nieliniowych Równania nieliniowe (przy pomocy komputera) rozwiązywać będziemy metodami iteracyjnymi, które wymagają: 1 dokonania właściwego wyboru punktu startowego, 2 wybrania odpowiedniego algorytmu iteracyjnego zapewniającego zbieżność procesu obliczeniowego, 3 określenia kryterium stopu wynikającego z wymaganej dokładności obliczeń. Punkt startowy musi być położony dostatecznie blisko poszukiwanego rozwiązania i znajdować się w przedziale izolacji tego pierwiastka. Zakładamy, że poszukiwany pierwiastek istnieje, i że znany jest jego przedział izolacji.

Etapy numerycznego rozwiązywania równań nieliniowych Obliczanie przybliżone pierwiastków odosobnionych, rzeczywistych równania f (x) = 0 dzieli się na dwa etapy: 1 ustalenie możliwie małych przedziałów [a, b], tzw. przedziałów izolacji, które zawierają jeden i tylko jeden pierwiastek; 2 uściślenie pierwiastków przybliżonych, tj. określenie tych pierwiastków z żądaną dokładnością. Każdy algorytm iteracyjnego obliczania pierwiastka generuje pewien ciąg punktów x (k), k = 1, 2,..., charakteryzujący się tym, że odległości kolejnych punktów tego ciągu maleją, tzn. ɛ k = x (k+1) x (k) k 0, (2) O metodzie iteracyjnej mówimy, że jest szybkozbieżna i wtedy, gdy odległości ɛ k kolejnych punktów szybko maleją. W przeciwnym razie mówimy, że metoda jest wolnozbieżną.

Kryterium stopu procesu iteracyjnego Proces iteracyjny nie może trwać w nieskończoność, dlatego należy sformułować warunek stopu, który powinien polegać na spełnieniu dwóch nierówności ɛ k < ɛ x oraz f (x) (k) < ɛ f. (3) gdzie: ɛ x, ɛ f są małymi liczbami określającymi dokładność obliczeń. Ograniczymy się równań o jednej zmiennej niezależnej x.

Metoda połowienia (bisekcji) Metoda bisekcji jest najprostszą ze wszystkich możliwych metod i jest bardzo wolno zbieżna. Dane jest równanie f (x) = 0, przy czym funkcja f (x) jest ciągła w przedziale domkniętym < a, b > oraz zachodzi nierówność: f (a) f (b) < 0.

Metoda połowienia (bisekcji) Metoda bisekcji jest najprostszą ze wszystkich możliwych metod i jest bardzo wolno zbieżna. Dane jest równanie f (x) = 0, przy czym funkcja f (x) jest ciągła w przedziale domkniętym < a, b > oraz zachodzi nierówność: f (a) f (b) < 0.

Metoda połowienia (bisekcji) Metoda bisekcji jest najprostszą ze wszystkich możliwych metod i jest bardzo wolno zbieżna. Dane jest równanie f (x) = 0, przy czym funkcja f (x) jest ciągła w przedziale domkniętym < a, b > oraz zachodzi nierówność: f (a) f (b) < 0.

Metoda połowienia (bisekcji) Metoda bisekcji jest najprostszą ze wszystkich możliwych metod i jest bardzo wolno zbieżna. Dane jest równanie f (x) = 0, przy czym funkcja f (x) jest ciągła w przedziale domkniętym < a, b > oraz zachodzi nierówność: f (a) f (b) < 0.

Metoda połowienia (bisekcji) Metoda bisekcji jest najprostszą ze wszystkich możliwych metod i jest bardzo wolno zbieżna. Dane jest równanie f (x) = 0, przy czym funkcja f (x) jest ciągła w przedziale domkniętym < a, b > oraz zachodzi nierówność: f (a) f (b) < 0.

Metoda bisekcji przykład Przykład Znaleźć pierwiastki równania f (x) = (x 1)(x + 1) = 0 przyjmując a = 0, b = 1.5, ɛ x = ɛ f = 1 10 4 Rozwiązanie f a = 1 f b = 1.2500 f x = 1.2500 ɛ x = 1.500 ɛ f = 1.25 iter = 1 x = 0.75 f x = 0.4375 a = 0.75 f a = 0.4375 ɛ x = 0.75000 ɛ f = 0.43750 iter = 2 x = 1.125 f x = 0.26562 b = 1.125 f b = 0.26562 ɛ x = 0.375 ɛ f = 0.26562 iter = 3 x = 0.9375 f x = 0.12109 a = 0.9375 f a = 0.12109 ɛ x = 0.18750 ɛ f = 0.12109 iter = 14 x = 1.0 f x = 6.1036e 5 b = 1.0 f b = 6.1036e 5 ɛ x = 9.1553e 05 ɛ f = 6.1036e 5

Metoda interpolacji liniowej Równanie prostej przechodzącej przez dwa punkty f b = f (b) y B y = f (x) f a = f (a) A a b x (b a)(y f (a)) = (f (b) f (a))(x a) (4)

Metoda interpolacji liniowej Metoda interpolacji liniowej (regula falsi) Regula linia prosta (inne znaczenie: reguła). Falsi fałszywy. Metoda bazuje na fałszywym twierdzeniu, że w pewnym przedziale funkcja zawsze jest liniowa. Metoda ta jest szybciej zbieżna od metody bisekcji, a ponadto jej zbieżność jest również gwarantowana. W interpretacji geometrycznej metoda interpolacji liniowej oznacza zastąpienie krzywej f (x) cięciwą łączącą punkty A(a, f (a)) i B(b, f (b)) x a b a = y f (a) f (b) f (a). (5) Dla y = 0 mamy x k = a f b b f a f b f a (6)

Metoda interpolacji liniowej Metoda interpolacji liniowej (regula falsi) x k = a f b b f a f b f a

Metoda interpolacji liniowej Metoda regula falsi przykład Znaleźć pierwiastki równania f (x) = (x 1)(x + 1) = 0 przyjmując a = 0, b = 1.5, ɛ x = ɛ f = 1e 4. Rozwiązanie f a = 1 f b = 1.2500 x 0 = 0 iter = 1 x = 0.66667 f x = 0.55556 ɛ x = 0.66667 ɛ f = 0.55556 a = 0.66667 f a = 0.55556 x 0 = 0.66667 iter = 2 x = 0.92308 f x = 0.14793 ɛ x = 0.25641 ɛ f = 0.14793 a = 0.92308 f a = 0.14793 x 0 = 0.92308 iter = 3 x = 0.98413 f x = 0.031494 ɛ x = 0.06105 ɛ f = 0.031494 a = 0.98413 f a = 0.031494 x 0 = 0.98413 iter = 8 x = 0.99999 f x = 1.0240e 5 ɛ x = 2.0480e 05 ɛ f = 1.0240e 5

Metoda siecznych W tej metodzie generowanie ciągu kolejnych przybliżeń wartości poszukiwanego pierwiastka odbywa się także za pomocą interpolacji liniowej. Stosowana strategia interpolacji liniowej polega jednak na tym, że jest ona budowana na podstawie znanych wartości dwóch ostatnio obliczonych rzędnych funkcji f (x).

Metoda siecznych W tej metodzie, x (k+1) wyznacza się jako odciętą punktu przecięcia siecznej przechodzącej przez punkt A(x k 1, f (x k 1 )) oraz B(x k, f (x k )) z osią x ów: x k+1 = x k f (x k ) f (x k ) f (x k 1 ) (x k x k 1 ), k = 1, 2,..., n (7)

Metoda siecznych Posługiwanie się taką interpolacją może w pewnych przypadkach prowadzić do obliczenia pierwiastka x k+1 leżącego poza bieżącym przedziałem izolacji. Przykład: Znaleźć pierwiastek równania x 3 6 x 2 + 11 x 6 = 0 dla a = 0.9, b = 1.9. Uwaga! Jak widać znaleziony został pierwiastek x = 2.0 leżący poza przyjętym przedziałem izolacji.

Metoda stycznych (Newtona-Raphsona) Pochodna funkcji Analizujemy funkcję f zmiennej x w otoczeniu punktu x 0. Definiujemy iloraz (różnicowy) funkcji f w punkcie x 0 dla przyrostu x: f (x 0 + x) f (x 0 ) x Pochodna funkcji y = f (x) w punkcie x 0 jest to granica, do której dąży iloraz, gdy x dąży do 0, o ile taka granica istnieje: f f (x 0 + x) f (x 0 ) (x 0 ) = lim x 0 x (8) Obliczanie pochodnej f (x) to różniczkowanie funkcji f (x). Pochodna istnieje, jeśli: funkcja f (x) jest ciągła, istnieje granica określona w (8) funkcja f (x) jest różniczkowalna.

Metoda stycznych (Newtona-Raphsona) Pochodna funkcji Interpretacja geometryczna y f (x) y 0 + y y 0 A(x 0, y 0 ) x y f (x 0 ) = tg(α) α - kąt nachylenia stycznej α x 0 x 0 + x x

Metoda stycznych (Newtona-Raphsona) Metoda stycznych (Newtona-Raphsona) Podstawę metody stanowi interpolacja funkcji f (x) za pomocą stycznej prowadzonej w punkcie B(x 0, f 0 ). Kolejne przybliżenia poszukiwanego pierwiastka są odciętymi punktu przecięcia stycznej z osią x: x k+1 = x k f (x k) f (x k ). (9)

Metoda stycznych (Newtona-Raphsona) Metoda stycznych przyjęcie punktu startowego Jest to metoda najszybciej zbieżna o zbieżności kwadratowej. Oznacza to, że przy spełnionych założeniach jej błąd maleje kwadratowo wraz z liczbą iteracji. Wadą metody jest fakt, że zbieżność nie zawsze musi zachodzić. W wielu przypadkach metoda bywa rozbieżna przeważnie wtedy gdy punkt startowy jest zbyt daleko od szukanego pierwiastka równania. Jeżeli zachodzą cztery warunki: 1 funkcje f (x) jest określona i ciągła w przedziale < x < + ; 2 f (a)f (b) < 0; 3 f (x) 0 dla a x b; 4 f (x) istnieje w przedziale (, + ) i nie zmienia znaku; to przy zastosowaniu metody Newtona za początkowe przybliżenie x 0 można przyjąć dowolną wartość c < a, b >.

Metoda stycznych (Newtona-Raphsona) Metoda stycznych przykład Znaleźć pierwiastki równania f(x)= (x-1)(x+1)=0 przyjmując a = 0, b = 1.5, ɛ X = ɛ F = 1e 4. Rozwiązanie f a = 1 f b = 1.2500 x 0 = 1.5 iter = 1 x 1 = 1.0833, ɛ x = 0.41667, ɛ f = 0.17361 iter = 2 x 1 = 1.0032, ɛ x = 0.080128, ɛ f = 0.0064205 iter = 3 x 1 = 1.0000, ɛ x = 0.0032000, ɛ f = 1.0240e 5 iter = 4 x 1 = 1.0000, ɛ x = 5.1200e 06, ɛ f = 2.6215e 11

Metoda stycznych (Newtona-Raphsona) Zmodyfikowana metoda Newtona Jeżeli pochodna f (x) zmienia się w przedziale domkniętym < a, b > nieznacznie to we wzorze można przyjąć x k+1 = x k f (x k) f, k = 0, 1, 2,, n (x k ) f (x k ) f (x 0 ). Zatem kolejne przybliżenia pierwiastka x równania f (x) = 0 można obliczyć ze wzoru x k+1 = x k f (x k) f, k = 0, 1, 2,, n (10) (x 0 )

Metoda stycznych (Newtona-Raphsona) Zmodyfikowana metoda Newtona x k+1 = x k f (x k) f, k = 0, 1,..., n (x 0 ) W interpretacji geometrycznej metoda ta oznacza zamianę stycznych w punktach B k (x k, f (x k )) prostymi, równoległymi do stycznej, przeprowadzonej przez punkt B 0 (x 0, f (x 0 )).