Аналит. геометрия | Диф. уравнения | Элемен. математика | ТФКП | Билеты | Mathematica | MATLAB | Maple 7

1 семестр | 2 семестр | 3 семестр | 4 семестр | Мат. анализ ч1 | Мат. анализ ч2 | Мат. анализ ч3 | Мат. анализ ч4 | Строение атомных ядер | Модели атомных ядер | Ядерные реакции | Термодинамика | Магнитое поле | Оптика | Механика |

Курс лекций по высшей математике начало


Метод секущих

В качестве функции $ {\lambda}(x)$ берут любую постоянную $ {\lambda}_0$, знак которой совпадает со знаком производной $ f'(x)$ в окрестности $ E$ (и, в частности, на отрезке, соединяющем $ x_0$ и $ x^*$). Постоянная $ {\lambda}_0$ не зависит также и от номера шага $ i$. Тогда формула итераций оказывается очень проста:

$\displaystyle x_{i+1}=x_i-{\lambda}_0f(x_i),$

и на каждой итерации нужно один раз вычислить значение функции $ f(x)$.

Выясним смысл этой формулы, а также смысл условия о совпадении знаков $ f'$ и $ {\lambda}_0$. Рассмотрим прямую, проходящую через точку $ (x_i;f(x_0))$ на графике $ y=f(x)$ с угловым коэффициентом $ \mathop{\rm tg}\nolimits {\alpha}=\dfrac{1}{{\lambda}_0}$. Тогда уравнением этой прямой будет

$\displaystyle y=f(x_i)+\dfrac{1}{{\lambda}_0}(x-x_i).$

Дифференциальные уравнения Задача . Найти общее решение дифференциального уравнения .

Найдём точку пересечения этой прямой с осью $ Ox$ из уравнения

$\displaystyle f(x_i)+\dfrac{1}{{\lambda}_0}(x-x_i)=0,$

откуда $ x=x_i-{\lambda}_0f(x_i)=x_{i+1}$. Следовательно, эта прямая пересекает ось $ Ox$ как раз в точке следующего приближения. Тем самым получаем следующую геометрическую интерпретацию последовательных приближений. Начиная с точки $ x_0$, через соответствующие точки графика $ y=f(x)$ проводятся секущие с угловым коэффициентом $ k=\dfrac{1}{{\lambda}_0}$ того же знака, что производная $ f'(x_0)$. (Заметим, что, во-первых, значение производной вычислять не обязательно, достаточно лишь знать, убывает функция $ f(x)$ или возрастает; во-вторых, что прямые, проводимые при разных $ x_i$, имеют один и тот же угловой коэффициент $ k$ и, следовательно, параллельны друг другу.) В качестве следующего приближения к корню берётся точка пересечения построенной прямой с осью $ Ox$.

Рис.9.11.Последовательные итерации метода секущих


На чертеже слева изображены итерации при $ f'(x)>0$, в случае $ k=\dfrac{1}{{\lambda}_0}<f'(x_0)$ и в случае $ k=\dfrac{1}{{\lambda}_0}>f'(x_0)$. Мы видим, что в первом случае меняющаяся точка $ x_i$ уже на первом шаге "перепрыгивает" по другую сторону от корня $ x^*$, и итерации начинают приближаться к корню с другой стороны. Во втором случае последовательные точки $ x_i$ приближаются к корню, оставаясь всё время с одной стороны от него. (Исследуйте сами, как выглядит процесс в случае $ f'(x)<0$, то есть когда функция $ f(x)$ убывает.)

Достаточное условие сходимости, которое нам даёт теорема 9.3, таково:

$\displaystyle \vert{\varphi}'(x)\vert=\vert 1-{\lambda}_0f'(x)\vert\leqslant {\gamma}<1.$

Это неравенство можно записать в виде

$\displaystyle -{\gamma}+1\leqslant {\lambda}_0f'(x)\leqslant {\gamma}+1,$

откуда получаем, что сходимость гарантируется, когда, во-первых,

$\displaystyle {\lambda}_0f'(x)>0,$

так как $ -{\gamma}+1>0$ (тем самым проясняется смысл выбора знака числа $ {\lambda}_0$), а во-вторых, когда $ {\lambda}_0f'(x)<2$ при всех $ x$ на всём рассматриваемом отрезке, окружающем корень. Это второе неравенство заведомо выполнено, если

$\displaystyle \vert k\vert=\dfrac{1}{\vert{\lambda}_0\vert}>\dfrac{M_1}{2},$

где $ M_1=\max\limits_{x}\vert f'(x)\vert$. Таким образом, угловой коэффициент $ k$ не должен быть слишком мал по абсолютной величине: при малом угловом коэффициенте уже на первом шаге точка $ x_1$ может выскочить из рассматриваемой окрестности корня $ x^*$, и сходимость итераций к корню может быть нарушена.
Назад Метод простых итераций
Наверх: Приближённое нахождение корней уравнений
Вперед: Метод одной касательной