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1、第二章第二章 非线性方程的数值解法非线性方程的数值解法/*Numerical Solutions of Nonlinear Equations*/本章主要内容：本章主要内容：1 1、二分法、二分法2 2、不动点迭代的构造及其收敛性判定、不动点迭代的构造及其收敛性判定（重点）（重点）3 3、Newton和和Steffensen迭代迭代4 4、弦割法与抛物线法、弦割法与抛物线法历史背景历史背景 代数方程的求根问题是一个古老的数学问题。理论上，代数方程的求根问题是一个古老的数学问题。理论上，次代数方程在复数域内一定有次代数方程在复数域内一定有 个根个根(考虑重数考虑重数)。早在。早在1616世纪世纪
2、就找到了三次、四次方程的求根公式，但直到就找到了三次、四次方程的求根公式，但直到1919世纪才证明大世纪才证明大于等于于等于5 5次的一般代数方程式不能用代数公式求解，而对于超次的一般代数方程式不能用代数公式求解，而对于超越方程就复杂的多，如果有解，其解可能是一个或几个，也可越方程就复杂的多，如果有解，其解可能是一个或几个，也可能是无穷多个。一般也不存在根的解析表达式。因此需要研究能是无穷多个。一般也不存在根的解析表达式。因此需要研究数值方法求得满足一定精度要求的根的近似解。数值方法求得满足一定精度要求的根的近似解。nn求方程求方程 几何意义几何意义0()f x 基本定理基本定理2 1.Th
3、如果函数如果函数 在在 上连续，且上连续，且则至少有一个数则至少有一个数 使得使得 ，若同时，若同时 的一阶的一阶导数导数 在在 内存在且保持定号，即内存在且保持定号，即 (或或 )则这样的则这样的 在在 内唯一。内唯一。()f x,a b()()0f a f b ()0f ()fx()0fx ,a b()f x,a b0()fx abx*()yf x oxy1 1 二分法二分法 /*Bisection Method*/原理：原理：若若 f Ca,b，且，且 f(a)f(b)0，则，则 f 在在(a,b)上至上至少有一实根。少有一实根。基本思想：基本思想：逐步将区间分半，通过判别区间端点函数值
4、的符号，逐步将区间分半，通过判别区间端点函数值的符号，进一步搜索有根区间，将有根区间缩小到充分小，从而求进一步搜索有根区间，将有根区间缩小到充分小，从而求 出满足给定精度的根出满足给定精度的根 的近似值。的近似值。x 终止法则？终止法则？abx1x2abWhen to stop?11xxkk 2()kf x 或或不能保证不能保证 x 的精度的精度x*二分法算法二分法算法给定区间给定区间a,b，求，求f(x)=0 在该区间上的根在该区间上的根x.输入输入:a和和b;容许误差容许误差 TOL;最大对分次数最大对分次数 Nmax.输出输出:近似根近似根 x.Step 1 Set k=1;Step 2
5、 Compute x=f(a+b)/2);Step 3 While(k Nmax)do steps 4-6 Step 4 If|x|TOL,STOP;Output the solution x.Step 5 If x*f(a)0,Set b=x;Else Set a=x;Step 6 Set k=k+1;Compute x=f(a+b)/2);Go To Step 3;Step 7 Output the solution of equation:x;STOP.11111 222,kkkkkabxxxbak 且3、12lnlnlnbak 由二分法的过程可知：由二分法的过程可知：4、对分次数的计算
6、公式：对分次数的计算公式：11,kka ba bab 0,kkkkf af bxab 1、111122kkkkkbababa 2、1112kkxxba 令令解解：211 510 ,.;ab，12ln()lnlnban 21 5 11012ln(.)lnln 4.645n例例1 1：用二分法求方程用二分法求方程 在区间在区间 上的上的根，误差限为根，误差限为 ，问至少需对分多少次？，问至少需对分多少次？310 xx 1 1 5,.210 简单简单;对对f(x)要求不高要求不高(只要连续即可只要连续即可).无法求复根及无法求复根及偶重根偶重根收敛慢收敛慢 用二分法求根，最好先给出用二分法求根，最好
7、先给出 f(x)草图以确定根的大草图以确定根的大概位置。或用搜索程序，将概位置。或用搜索程序，将a,b分为若干小区间，对每一分为若干小区间，对每一个满足个满足 f(ak)f(bk)0 的区间调用二分法程序，可找出区的区间调用二分法程序，可找出区间间a,b内的多个根，且不必要求内的多个根，且不必要求 f(a)f(b)0。优点优点缺点缺点2 迭代法的理论迭代法的理论 /*Theory of Iteration Method*/f(x)=0 x=g(x)（迭代函数）（迭代函数）等价变换等价变换思思路路从一个初值从一个初值 x0 出发，计算出发，计算 x1=g(x0),x2=g(x1),xk+1=g(
8、xk),若若 收敛，即存在收敛，即存在 x*使得使得 ，且，且 g 连续，则由连续，则由 可可知知 x*=g(x*)，即，即x*是是 g 的不动点，也就是的不动点，也就是f 的根。的根。0kkx*limxxkk kkkkxgx limlim1f(x)的根的根x g(x)的不动点的不动点x 10 1 2(),(*)kkxg xk 一、不动点迭代一、不动点迭代 /*Fixed-Point Iteration*/xyy=xxyy=xxyy=xxyy=xx*x*x*x*y=g(x)y=g(x)y=g(x)y=g(x)x0p0 x1p1x0p0 x1p1x0p0 x1p1x0p0 x1p1几何意义几何意
9、义例例2：已知方程已知方程 在在 上有一个根（正根）上有一个根（正根）324100 xx1 2,下面选取下面选取5 5种迭代格式：种迭代格式：1 1、32410 xxxx 即即32410()g xxxx 2 2、23410 xx 1321102xx 1321102g xx即即3 3、即即2104xxx12104xxx 12104g xxx 4 4、即即12104xx 12104g xx 5 5、即即xxxxxx83104223()()()f xg xxfx 取取01 5.x 计算结果如下：计算结果如下：123840875673246972010275 10.xxxx 法法1 112344511
10、13484013673813649613652613751713652251365230013.xxxxxxx 法法4 412123081650299691865086.(.)xxx 法法3 3123445112912869514025413454613751713751713751713651378211365230013.xxxxxxxx 法法2 2123413733313652613652300141365230013.xxxx 法法5 5Lipschitz条件成条件成立的充分条件立的充分条件2 3.Th 考虑方程考虑方程 x=g(x),若若(I)当当 x a,b 时，时，g(x)a,b
11、；(II)0 L 1 使得使得 对对 x a,b 成立。成立。则任取则任取 x0 a,b，由，由 xk+1=g(xk)得到的序列得到的序列 收敛收敛于于g(x)在在a,b上的唯一不动点。并且有误差估计式：上的唯一不动点。并且有误差估计式：0kkx|11|*|1kkkxxLxx 101|*|kkLxxxxL (k=1,2,)且存在极限且存在极限 *lim1xgxxxxkkk 1()g xL ()g x 连续时连续时证明：证明：g(x)在在a,b上存在不动点？上存在不动点？令令xxgxf )()(bxga )(,0)()(aagaf0)()(bbgbf)(xf有根有根 不动点唯一？不动点唯一？反证
12、：若不然，设还有反证：若不然，设还有 ，则，则)(xgx ),*()()(*)(xxgxgxg xx*在在和和之间。之间。*xx0)(1)(gxx*而而xxg*1|)(|当当k 时，时，xk 收敛到收敛到 x*？|*|kxx|*|)(|)(*)(|111 kkkxxgxgxg0|*|.|*|01 xxLxxLkkL 越越 收敛越快收敛越快可用可用 来来控制收敛精度控制收敛精度|1kkxx?|11|*|1kkkxxLxx 11111|*|*|*|kkkkkkkkkxxxxxxxxL xxxx?|1|*|01xxLLxxkk|.|)(|)()(|011111xxLxxLxxgxgxgxxkkkkk
13、kkkkk 1lim()?kkkxxg xxx *)(*)*)(lim*lim1xgxxxxgxxxxkkkkkkk 小小条件条件(II)可改为可改为 在在a,b 满足满足Lipschitz条件条件,定理结论仍然成立定理结论仍然成立(定理定理)。算法算法:不动点迭代不动点迭代给定初始近似值给定初始近似值 x0，求，求x=g(x)的解的解.输入输入:初始近似值初始近似值 x0;容许误差容许误差 TOL;最大迭代次数最大迭代次数 Nmax.输出输出:近似解近似解 x 或失败信息或失败信息.Step 1 Set i=1;Step 2 While(i Nmax)do steps 3-6Step 3 S
14、et x=g(x0);/*计算计算 xi*/Step 4 If|x x0|1)(1)阶收敛的方法，阶收敛的方法，改用改用Stefensen迭代方法优点不多。迭代方法优点不多。取取01 5.x 计算结果如下：计算结果如下：12341361886136522813652301365230.xxxx 法法2 2原原迭迭代代次次数数291234513368751363130136522013652301365230.xxxxx 法法3 3原原来来不不收收敛敛12345670934944100503310754631145492121343712757711325977.xxxxxxx 法法1 18910111355744136458213652271365230.xxxx 原原来来不不收收敛敛
数值分析课件第二章非线性方程的数值解法
