MOTYWACJA. x x x e x x x , sin( ) 0, 4 tan ( ) 0

Podobne dokumenty
Analiza numeryczna Kurs INP002009W. Wykład 1 Narzędzia matematyczne. Karol Tarnowski A-1 p.223

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 1, zima 2016/17

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 2B, lato 2015/16

Rekursja 2. Materiały pomocnicze do wykładu. wykładowca: dr Magdalena Kacprzak

Analiza numeryczna Kurs INP002009W. Wykład 4 Rozwiązywanie równań nieliniowych. Karol Tarnowski A-1 p.

Szeregi liczbowe. Szeregi potęgowe i trygonometryczne.

Znajdowanie pozostałych pierwiastków liczby zespolonej, gdy znany jest jeden pierwiastek

x R, (1) Ogólnie równanie o jednej niewiadomej x można przedstawić w postaci

Informatyka Stosowana-egzamin z Analizy Matematycznej Każde zadanie należy rozwiązać na oddzielnej, podpisanej kartce!

Wykład 19. Matematyka 3, semestr zimowy 2011/ grudnia 2011

Metody badania zbieżności/rozbieżności ciągów liczbowych

Zadania z analizy matematycznej - sem. I Szeregi liczbowe

3. Funkcje elementarne

2 n < 2n + 2 n. 2 n = 2. 2 n 2 +3n+2 > 2 0 = 1 = 2. n+2 n 1 n+1 = 2. n+1

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 11

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 2B, lato 2015/16

I. Podzielność liczb całkowitych

Prawdopodobieństwo i statystyka

Numeryczny opis zjawiska zaniku

Zadania z Matematyka 2 - SIMR 2008/ szeregi zadania z rozwiązaniami. n 1. n n. ( 1) n n. n n + 4

Rozwiązywanie równań nieliniowych

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

I. Ciągi liczbowe. , gdzie a n oznacza n-ty wyraz ciągu (a n ) n N. spełniający warunek. a n+1 a n = r, spełniający warunek a n+1 a n

ROZWIĄZYWANIE RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

O pewnych zastosowaniach rachunku różniczkowego funkcji dwóch zmiennych w ekonomii

Wzór Taylora. Matematyka Studium doktoranckie KAE SGH Semestr letni 2008/2009 R. Łochowski

3. Wykład III: Warunki optymalności dla zadań bez ograniczeń

x t 1 (x) o 1 : x s 3 (x) Tym samym S(3) = {id 3,o 1,o 2,s 1,s 2,s 3 }. W zbiorze S(n) definiujemy działanie wzorem

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 2, lato 2018/19

Przykładowe zadania dla poziomu rozszerzonego

Analiza matematyczna dla informatyków 4 Zajęcia 5

Stwierdzenie 1. Jeżeli ciąg ma granicę, to jest ona określona jednoznacznie (żaden ciąg nie może mieć dwóch różnych granic).

Damian Doroba. Ciągi. 1. Pierwsza z granic powinna wydawać się oczywista. Jako przykład może służyć: lim n = lim n 1 2 = lim.

CIĄGI LICZBOWE. Poziom podstawowy

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 2 (LUX), lato 2017/18. a n n = 10.

a 1, a 2, a 3,..., a n,...

I kolokwium z Analizy Matematycznej

Moduł 4. Granica funkcji, asymptoty

Charakterystyki liczbowe zmiennych losowych: wartość oczekiwana i wariancja

1 Równania nieliniowe

Zasada indukcji matematycznej. Dowody indukcyjne.

Funkcja wykładnicza i logarytm

Pierwiastki z liczby zespolonej. Autorzy: Agnieszka Kowalik

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 1, zima 2016/ n 333))

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 1A, zima 2012/13. Ciągi.

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 1A, zima 2014/15. n = Rozwiązanie: Stosując wzór na wartość współczynnika dwumianowego otrzymujemy

Szeregi liczbowe. 15 stycznia 2012

RÓWNANIA NIELINIOWE Maciej Patan

Chemia Teoretyczna I (6).

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna A1, zima 2011/12. Kresy zbiorów. x Z M R

VII MIĘDZYNARODOWA OLIMPIADA FIZYCZNA (1974). Zad. teoretyczne T3.

Metrologia: miary dokładności. dr inż. Paweł Zalewski Akademia Morska w Szczecinie

APROKSYMACJA I INTERPOLACJA. funkcja f jest zbyt skomplikowana; użycie f w dalszej analizie problemu jest trudne

CAŁKA NIEOZNACZONA. F (x) = f(x) dx.

Analiza matematyczna. Robert Rałowski

Metody rozwiązywania równań nieliniowych

Ciągi liczbowe wykład 3

Szeregi liczbowe i ich własności. Kryteria zbieżności szeregów. Zbieżność bezwzględna i warunkowa. Mnożenie szeregów.

Analiza numeryczna. Stanisław Lewanowicz. Aproksymacja funkcji

Iteracyjne rozwiązywanie równań

Relacje rekurencyjne. będzie następująco zdefiniowanym ciągiem:

1 Pochodne wyższych rzędów

1 Metody rozwiązywania równań nieliniowych. Postawienie problemu

Parametryzacja rozwiązań układu równań

Matematyka I. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr zimowy 2018/2019 Wykład 11

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

Trzeba pokazać, że dla każdego c 0 c Mc 0. ) = oraz det( ) det( ) det( ) jest macierzą idempotentną? Proszę odpowiedzieć w

1. Granica funkcji w punkcie

1 Układy równań liniowych

PRZYKŁADY ROZWIAZAŃ STACJONARNEGO RÓWNANIA SCHRӦDINGERA. Ruch cząstki nieograniczony z klasycznego punktu widzenia. mamy do rozwiązania równanie 0,,

zadań z pierwszej klasówki, 10 listopada 2016 r. zestaw A 2a n 9 = 3(a n 2) 2a n 9 = 3 (a n ) jest i ograniczony. Jest wiec a n 12 2a n 9 = g 12

Metody numeryczne. materiały do wykładu dla studentów

Metody numeryczne Wykład 7

UKŁADY RÓWNAŃ LINOWYCH

201. a 1 a 2 a 3...a n a 2 1 +a 2 2 +a a 2 n n a 4 1 +a 4 2 +a a 4 n n. a1 + a 2 + a a n 204.

O liczbach naturalnych, których suma równa się iloczynowi

Arkusz ćwiczeniowy z matematyki Poziom podstawowy ZADANIA ZAMKNIĘTE. W zadaniach od 1. do 21. wybierz i zaznacz poprawną odpowiedź. 1 C. 3 D.

ZAGADNIENIE ESTYMACJI. ESTYMACJA PUNKTOWA I PRZEDZIAŁOWA

Poziom rozszerzony. 5. Ciągi. Uczeń:

Kolorowanie Dywanu Sierpińskiego. Andrzej Szablewski, Radosław Peszkowski

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

Materiał ćwiczeniowy z matematyki Marzec 2012

2. Nieskończone ciągi liczbowe

MATURA 2014 z WSiP. Zasady oceniania zadań

Pochodna funkcji jednej zmiennej

MARIUSZ KAWECKI zbiór zadań dla zainteresowanego matematyką licealisty

Zauważone błędy bardzo proszę zgłaszać mailem lub na ćwiczeniach. Z góry dziękuję :-)

7 Liczby zespolone. 7.1 Działania na liczbach zespolonych. Liczby zespolone to liczby postaci. z = a + bi,

SZEREGI LICZBOWE. s n = a 1 + a a n = a k. k=1. aq n = 1 qn+1 1 q. a k = s n + a k, k=n+1. s n = 0. a k lim n

Zadanie 3. ( ) Udowodnij, że jeśli (X n, F n ) jest martyngałem, to. X i > t) E X n. . t. P(sup

Metody Obliczeniowe w Nauce i Technice laboratorium

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

1 Przedziały ufności. ). Obliczamy. gdzie S pochodzi z rozkładu B(n, 1 2. P(2 S n 2) = 1 P(S 2) P(S n 2) = 1 2( 2 n +n2 n +2 n ) = 1 (n 2 +n+2)2 n.

dna szeregu. ; m., k N ; ó. ; u. x 2n 1 ; e. n n! jest, że

Fraktale - ciąg g dalszy

O trzech elementarnych nierównościach i ich zastosowaniach przy dowodzeniu innych nierówności

Wokół testu Studenta 1. Wprowadzenie Rozkłady prawdopodobieństwa występujące w testowaniu hipotez dotyczących rozkładów normalnych

Dydaktyka matematyki III-IV etap edukacyjny (wykłady)

Elementy metod numerycznych

Transkrypt:

WYKŁAD 4 PODSTAWOWE METODY PRZYBLIŻONEGO ROZWIĄZYWANIA NIELINIOWYCH RÓWNAŃ ALGEBRAICZNYCH

MOTYWACJA Wykład r 4 jest poświęcoy omówieiu elemetarych algorytmów wyzaczaia przybliżoych rozwiązań (pierwiastków) ieliiowego rówaia algebraiczego postaci f( ) 0 gdzie symbol f ozacza zadaą fukcję. Zwykle rozwiązaia takiego rówaia ie mogą być wyzaczoe ściśle metodami aalityczymi. Oto kilka przykładów takich rówań 5 e 4 0, si( ) 0, 4 ta ( ) 0 Wspóla cechą wszystkich zaprezetowaych dalej algorytmów jest to, że są to metody iteracyje. W metodach iteracyjych, rozwiązaie wyzaczae jest a drodze kolejych przybliżeń, a liczba powtórzeń (iteracji) iezbędych do uzyskaia przybliżeia o satysfakcjoującej precyzji ie jest a ogół a priori zaa. Wyika stąd, że w metodzie iteracyjej potrzebe są: (a) przybliżeie początkowe (pukt startowy) i (b) kryterium stopu, tj. waruek przerwaia obliczeń oparty a jakimś kryterium jakości przybliżoego rozwiązaia. UWAGA: zajmiemy się tu wyłączie przypadkiem pojedyczego rówaia metody dla układów algebraiczych rówań ieliiowych są tematem kolejych, bardziej zaawasowaych kursów metod umeryczych.

METODA BISEKCJI Zacziemy od bardzo elemetarego (i ituicyjego) sposobu zaego pod azwą Metody Bisekcji (dalej MB). Mechaikę tej metody wyjaśiają poiższe rysuki. Wyzaczamy przedział zawierający pierwiastek, dzielimy go a połowy i określamy, w której z ich położoy jest pierwiastek. Kryterium wyboru polega a określeiu a końcach której połowy fukcja f przyjmuje wartości o przeciwym zaku. Poieważ fukcja f jest z założeia ciągła to zmiaa zaku w przedziale gwaratuje istieie w im miejsca zerowego.

Przebieg obliczeń wg MB pokazuje przedstawioy obok pseudokod. Zadaie domowe: apisać w pełi fukcjoaly program w języku C/C++ realizujący algorytm MB Co z warukiem stopu w MB? Załóżmy, że chcemy wyzaczyć z błędem ie większym iż, czyli godzimy się przerwać obliczeia jeśli zajdzie waruek M. Zauważmy, że po M krokach obliczeń MB mamy oszacowaie M b a Zatem, licza iteracji iezbęda do uzyskaia założoej dokładości to log b a START : f : f ( ) ; f : f ( ) if ( f f 0) the L R while ( ) do R : ( ) / f : f ( ) if ( f f 0) the : ; f : f : ; f : f retur( ) chage the iterval [, ]; retur to START; edif L L R R L M R L M else L edif eddo else M M R M R M L M L M M L R

Plusy i miusy Metody Bisekcji: Plus: jeśli początkowy przedział poszukiwań jest wybray poprawie to MB zawsze zbiegie do miejsca zerowego (jakiegoś miejsca zerowego) fukcji ciągłej f Mius: MB jest ieczuła a lokale cechy (takie p. achyleie wykresu) fukcji f w otoczeiu jej miejsca zerowego; uzyskaie rozwiązaia dobrej jakości wymaga zaczącej liczby iteracji, które mogą być kosztowe obliczeiowo, jeśli obliczaie wartości fukcji f jest złożoe.

METODA STYCZNYCH (NEWTONA) Metoda Styczych (MST) to bardzo wydaja metoda wyzaczaia miejsc zerowych fukcji ciągłych wraz z pochodymi do rzędu rówego dwa lub więcej. Ideę MST ilustruje poiższy rysuek. Tak więc astępe przybliżeie pierwiastka jest określoe jako odcięta puktu przecięcia styczej wystawioej do wykresu fukcji f w poprzedim pukcie i osi O. Rówaie liii styczej ma postać y f ( )( ) f ( ) Wobec tego, rówaie dla ma postać 0 f ( )( ) f ( ), a stąd f f( ) ( )

Pokażemy, że jeśli fukcja f spełia odpowiedie waruki, to MST wykazuje kwadratową zbieżość. Zaczijmy od formalego wykorzystaia Twierdzeia Taylora. Jeśli fukcja f jest klasy C w pewym przedziale zawierającym i to istieje taka liczba [mi(, ),ma(, )], że ma miejsce rówość f ( ) f ( ) f ( )( ) f ( )( ) Dalej, korzystamy z faktu, że f( ) 0. Rachuki przebiegają astępująco: 0 ( ) ( )( ) ( )( ) f f f f ( ) f ( ) f ( ) f ( )( ) f( ) f ( ) f ( ) f ( )( ) f ( ) f ( )( ) f ( )( ) Z otrzymaej rówości wyika kokluzja: f ( ) f( )

Przeprowadzoy wyżej rachuek uprawia do sformułowaia twierdzeia o lokalej zbieżości Metody Styczych (Newtoa): Załóżmy, że w pewym przedziale I (, ) fukcja f spełia waruki: Wówczas, dla każdego 0 oszacowaie ) f ( ) M, ) f ( ) m M 0 I m0 I I i takiego, że M m 0 M m 0 0 zachodzi zastępujące z którego wyika, że I, a także - a podstawie argumetu idukcyjego - że Wobec tego 0 (ma miejsce zbieżość) Poadto M m

UWAGA: Zauważmy, że powyższe twierdzeie gwaratuje jedyie zbieżość lokalą. Iymi słowy, MST będzie typowo osiągać kwadratową zbieżość, o ile początkowe przybliżeie 0 jest już dostateczie blisko rozwiązaia. Jeśli jedak tak ie jest, to ie mamy gwaracji ie (,,..,,,..) może być w ogóle rozbieży! tylko zbieżości kwadratowej, ale ciąg 0 Co się dzieje jeśli iektóre założeia twierdzeia ie są spełioe? Rozważmy przykład: Mamy f ( ), f () 0, a zatem f ( ) 0 f ( ) ( ) ( ) f ( ) ( ) Wioskujemy z powyższego, że ( ). Widzimy, że odległość kolejych przybliżeń geerowaych przez MST od ścisłego rozwiązaia maleje w tempie liiowym (o czyik ½ a każdą iterację), a ie kwadratowym. Zbieżość kwadratowa ie jest osiągaa poieważ f( ) 0 wbrew drugiemu z założeń twierdzeia.. Niech f ( ) ( a) m. Pokazać, że MST prowadzi do formuły dużych wartości m zbieżość będzie bardzo powola! a a. Zauważmy, że dla ( )( ) m. Przeaalizować zbieżość (do rozwiązaia zerowego) MST zastosowaej do rówaia 3/ 0

Rozważymy teraz ie sceariusze patologiczego zachowaia MST. Przykład : Przedział lokalej zbieżości może być bardzo wąski, tak jak to ma miejsce dla fukcji f ( ) l( ) / z. Jak widać, a rysuku obok, wybraie jako puktu startowego MST wartości a prawo od ekstremum zawsze kończy się rozbieżością iteracji do ieskończoości. Z drugiej stroy, wybraie puktu zbyt blisko po lewej stroie ekstremum prowadzi do wyzaczeia liczby ujemej, a zatem ie ależącej do dziedziy fukcji (R + ) Przykład : Iteracje MST mogą się zapętlić. Zachowaie takie demostruje astępujący przykład (rysuek po prawej). Rozważmy f ( ) si( ) i załóżmy, że pukt początkowy 0 to t g( ) 0 0

Wówczas f ( ) si( ) t g( ) f ( ) cos( ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 f( ) si( ) t g( ) f ( ) cos( ) 0 0 0 0 0 0 Tak więc przyajmiej w teorii iteracje MST będą aprzemieie zwracać tylko dwie wartości: 0 ad 0. Zadaie: Jaka jest wrażliwość opisaego wyżej cyklu a ieuikioe błędy zaokrągleń arytmetyki komputera? Przeprowadź taką aalizę aalityczie (trude!) lub za pomocą eksperymetu w komputerze.

METODA SIECZNYCH (MSC) Słabą stroą metody Newtoa (MST) jest koieczość obliczaia pochodej. W pewych zastosowaiach fukcja f może ie być zadaa wzorem, ale raczej jako pewa procedura obliczeiowa. Trudość tę moża obejść stosując metodę sieczych (MSC). Mechaikę tek metody wyjaśia rysuek obok. Tym razem, astępe przybliżeie pierwiastka jest zdefiiowae jako odcięta puktu przecięcia osi O przez sieczą (, f ( )) przechodzącą przez pukty ad (, f ( )). Nietrudo pokazać (ćwiczeie), że rówaie liii sieczej ma postać f y f ( ) f ( ) ( ) ( )

Przyrówaie y do zera prowadzi do wzoru ogólego metody sieczych, a miaowicie f ( ) f ( ) 0 ( ) f ( ) f f ( ) f ( ) ( ) Zajmiemy się teraz aalizą zbieżości MSC, która jest ieco bardziej złożoa iż dla metody styczych (MST). Stosując (formalie) rozwiięcie z szereg potęgowy Taylora, możemy apisać f f f f ( ) ( ) ( ) ( )... f ( ) f ( ) f ( ) f ( )... Trzy kropki po ostatim plusie symbolizują pomiięte człoy wyższych rzędów.

Dalsze rachuki przebiegają astępująco: f( ) [ ( )] f ( ) f ( ) f ( ) f ( )... [ f ( ) f ( )...] [ f ( ) f ( )...]( ) f( ) f ( ) f ( )...... f( ) f ( ) ( ) f ( )( )... f ( )... f( ) f ( ) f ( )... ( )... f ( ) f ( ) f ( ) f ( ) f( ) ( )...... f ( ) f ( ) f( )

W te sposób otrzymaliśmy przybliżoą formułę a błąd aproksymacji miejsce zerowego: f( ) K f( ) Korzystiej byłoby wyrazić wielkość odwołując się wyłączie do wielkości błędu z poprzediej iteracji, czyli. W tym celu, załóżmy, że poszukiway związek da się zapisać w postaci K gdzie iezae a razie wielkości α i β są stałe, tj. iezależe od umeru iteracji. Wyika stąd, że przyjmie oa postać astępującą K K. Po podstawieiu do pierwotej formuły / / / / K K ( K ) K

Poieważ oba otrzymae związki pomiędzy astępująca rówość dla liczby α i musi w szczególości zachodzić 0 Poieważ jedyie dodatia wartość ma ses, mamy ostateczie Mamy też przy okazji wartość β (miej istotą) 5.68. Poieważ wykładik α spełia waruek, mówimy, że Metoda Sieczych jest superliiowo zbieża (lepiej iż liiowo, ale gorzej iż kwadratowo). Moża rówież powiedzieć, że ceą za uikięcie koieczości obliczaia pochodej w MST jest utrata kwadratowej zbieżości.

Metoda Sieczych jest wrażliwa a patologie podobe do tych, które opisaliśmy przy okazji Metody Styczych. W praktyce zbieżość MSC ma rówież charakter lokaly, tj. początkowe pukty startowe (są tym razem dwa tj. 0 i ) muszą być dostateczie blisko pierwiastka.

METODA FAŁSZYWEGO PUNKTU (MFP) - REGUŁA FALSI Podstawowa różica pomiędzy stadardową MSC a MFP polega a iym wyborze pary puktów. W sytuacji przedstawioej a rysuku po lewej, pukt + w metodzie sieczych byłby położoy tam, gdzie siecza w kolorze zieloym przecia oś O. W MFP, pukt + jest w tym przypadku miejscem przecięcia osi O przez sieczą w kolorze czerwoym (stąd false positio ). Iymi słowy: liia siecza jest przeprowadzoa przez ajowsze pukty położoe po przeciwej stroie osi O.

Jeśli dwa pierwsze pukty (startowe) obramowują rozwiązaie to zbieżość MFP jest zagwaratowaa. Z drugiej stroy, MFP jest a ogół jedyie liiowo zbieża. Praktykoway jest rówież wariat, w którym rzęda puktu zamrożoego (w tym przykładzie - ) jest sukcesywie dzieloa przez, dopóki ie pojawi się owy pukt po tej samej stroie osi O. Wyrafiowaym wariatem MFP jest rówież metoda Riddersa (licze opisy w iterecie). Zadaie: opracować sposób efektywej implemetacji metod MSC i MFP w języku C/C++ i porówać ich osiągi a kilku przykładach.

METODA ITERACJI PROSTEJ MIP to metoda dla rówań ieliiowych zapisaych w postaci g( ) Naturalym jest zdefiiować astępujący proces iteracyjy g( ) Jeśli proces te jest zbieży do pewego puktu wówczas automatyczie g( ) Iymi słowy: rozwiązaie jest puktem stałym tego procesu iteracyjego. Przypadek taki ilustruje powyższy rysuek.

Kiedy proces iteracji prostej jest zbieży? Jakie jest tempo zbieżości? Okazuje się, że. odpowiedź a oba pytaia odosi się do jedej i tej samej wielkości, a miaowicie g ( ) W celu oszacowaia tempa zbieżości procesu iteracji prostej przeprowadzamy astępujący rachuek: g( ) g( ) g( ) g( )( )... Zatem, dla puktów położoych dostateczie blisko pierwiastka mamy g( ) Skąd wioskujemy, że jest puktem przyciągającym (atraktorem) procesu iteracyjego wtedy i tylko wtedy, gdy g ( )

Ma też miejsce astępujący fakt: jeżeli w pukcie fukcja g spełia waruki g( ) 0, g( ) to proces iteracji prostej jest kwadratowo zbieży. Istotie, możemy apisać g g g g ( ) ( ) ( )( ) ( )( )... 0 g( ) Przykład: Metoda styczych (Newtoa) może być iterpretowaa jako metoda iteracji prostej zapisaa dla astępującej fukcji g f( ) g( ). f ( ) Obliczmy pochodą tej fukcji g( ) [ f ( )] [ f ( )] [ f ( )] f ( ) f ( ) f ( ) f ( )

Jeśli teraz pierwsza pochoda fukcji f w pukcie jest róża od zera, to mamy f( ) g( ) f ( ) 0 [ f( )] czyli metoda styczych jest zbieża kwadratowo (co już skądiąd wiemy). UWAGA: jeżeli g ( ) 0 to metoda iteracji prostej będzie a ogół rozbieża. Jeśli fukcja g ma ie miejsca zerowe to metoda iteracji prostej może doprowadzić czasami zbiec do iego pierwiastka iż,,pożąday. Możliwe są rówież ie zachowaia p. cykle, a awet przebiegi chaotycze. Klasyczym przypadkiem procesu iteracyjego o bardzo bogatej dyamice jest tzw. odwzorowaie logistycze ( ) które ma postać iteracji prostej dla rówaia kwadratowego ( ). Aaliza zachowaia tego procesu iteracyjego (lub jak mówią matematycy układu dyamiczego z dyskretym czasem ) w fukcji parametru μ ależy do żelazego repertuaru iemal każdego kursu tzw. dyamiki chaotyczej (p. trzeci rozdział moografii Chaos determiistyczy. Wprowadzeie H.G. Schustera, PWN 993).