Bài giảng Chuyên đề Phương pháp tính - Chương 4: Giải gần đúng phương trình và hệ phương trình phi tuyến
Khoa Xây Dựng Thủy Lợi Thủy Điện
Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật
Chương 4
GIẢI GẦN ĐÚNG PHƯƠNG TRÌNH
VÀ HỆ PHƯƠNG TRÌNH PHI TUYẾN
4.1 Giải gần đúng phương trình
Để tìm nghiệm gần đúng của phương trình f(x) = 0, ta phải tách nghiệm.
Giả sử trong khoảng [a,b] hàm f(x) liên tục cùng với các đạo hàm f’(x), f”(x),
của nó. Các giá trị f(a), f(b) là giá trị của hàm tại các điểm mút của đoạn này f(a).f(b)
< 0 và f’(x) giữ nguyên dấu trên đoạn [a , b].
Đôi khi để cho thuận lợi, viết lại: f(x) = 0 ⇔ ϕ (x) = ψ(x).
Nghiệm thực của phương trình f(x) = 0 là giao điểm của đồ thị các hàm y = ϕ (x)
và y = ψ(x).
4.1.1 Phương pháp dây cung
Thay cung AB của y = f(x) bởi dây cung AB, lấy x1 tại giao điểm P của dây
cung với trục hoành làm giá trị gần đúng của nghiệm chính xác α. Phương trình dây
cung AB:
Y − f(a)
X − a
=
f(b) − f (a) b − a
Tại P ta có: Y = 0, X = x1,
B
x1 − a
f (a)
−
=
nên:
f (b) − f (a) b − a
P
a
X1
α
O
(b − a)f (a) af(b) − bf (a)
f (b) − f (a)
b
x
=
Suy ra: x1 = a -
f (b) − f (a)
A
Sau khi tính được x1 ta xét được khoảng phân li nghiệm mới là [a,x1] hay [x1,b]
rồi tiếp tục áp dụng phương pháp dây cung vào khoảng phân li mới, tiếp tục ta được x2,
x3, x4 → ngày càng gần đến nghiệm chính xác α.
f(a).f(b)
f"(x)
α − x1 < −
max
Sai số ước lượng:
2
[f'(x)]3
4.1.2 Phương pháp Newton-Raphson
Còn gọi là phương pháp Newton hay phương pháp tiếp tuyến.
Xét phương trình f(x) = 0
Khai triển Taylor hàm f(x) tại lân cận x0:
f(x) = f(x0) + (x - x0) f’(x0) +
(x − x0 )2
(x − x0 )n
(x − x0 )n+1
(n +1)!
f"(x0 ) +....+
f n (x0 ) +
f n+1(C)
2!
n!
Với: C = x0 + θ(x - x0), với: 0 < θ < 1, có nghĩa: x0 < C < x
Bây giờ ta chỉ lấy số hạng bậc 1 của chuỗi Taylor:
Bài Giảng Chuyên Đề Phương Pháp Tính
Trang 20
Khoa Xây Dựng Thủy Lợi Thủy Điện
f(x0) + ( x - x0).f’(x0) = 0
Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật
(4.1)
f(x0 )
f'(x0 )
f (xn )
Gọi x1 là nghiệm của (4.1), ta có: x1 = x0 -
f(x1)
f'(x1)
Tương tự: x2 = x1 -
,…, xn + 1 = xn -
, với x0 ∈ [a,b]
f '(xn )
Vì (4.1) dùng thay cho phương trình f(x) = 0, nó tuyến tính đối với x nên
phương pháp Newton cũng gọi là phương pháp tuyến tính hóa, f’(x0) chính là hệ số góc
của y = f(x) tại x0 .
Tại B(x0,f(x0)).
Y - f(x0) = f’(x0).(X - x0) ,
tại P : x = x1 ; Y = 0 đó chính là phương trình (4.1)
Hội tụ và sai số
Người ta sẽ áp dụng phương pháp lặp
Newton nếu nghiệm xn → α khi n → ∞
Định lý:
Giả sử [a,b] là khoảng phân ly nghiệm
α của phương trình: f(x) = 0, f có đạo hàm f’,
f” với f’ liên tục trên [a,b], f’ và f” không đổi
dấu trên (a, b). Xấp xỉ đầu x0 chọn là a hay b
sao cho f(x0) cùng dấu với f”. Khi đó xn → α
khi n→ ∞ . Cụ thể hơn xn đơn điệu tăng tới α
nếu f’.f” < 0, và xn đơn điệu giảm tới α nếu
f’.f” > 0 .
f (xn )
α − xn
f , (xn )
Sai số:
<
, với: 0 < m <
và α ≤ x ≤ b
m
Trường Hợp Lặp Newton - Raphson Không Có Hiệu Quả (hàm 1 biến)
f(x)
f(x)
x2
xo
x1
x
x1
x
x0
x2
Bài Giảng Chuyên Đề Phương Pháp Tính
Trang 21
Khoa Xây Dựng Thủy Lợi Thủy Điện
Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật
f(x)
f(x)
`
x4
x0
x2
x1
x3
O
x
1
0
X
X
X
`
4.2 Giải hệ phương trình phi tuyến
Ở đây ta đi giải hệ phương trình phi tuyến theo phương pháp lặp Newton-Raphson
Từ khai triển Taylor cho bài toán một biến:
f"(ℑ)
(xi+1 − xi )2
f(xi + 1) = f(xi) + f’(xi)(xi + 1- xi) +
2!
f (xi )
f '(xi )
xi+1 = xi −
vì f(xi + 1) = 0
Tổng quát hoá cho bài toán 2 biến (hàm 2 biến):
(4.2a)
(4.2b)
∂ui
∂xi
∂vi
∂xi
∂ui
∂yi
∂vi
∂yi
ui+1 = ui + (xi+1 − xi ).
+ (yi+1 − yi ).
vi+1 = vi + (xi+1 − xi ).
+ (yi+1 − yi ).
∂vi
∂y
∂ui
∂y
ui
− vi
xi+1 = xi −
(4.3a)
(4.3b)
∂ui ∂vi ∂ui ∂vi
.
−
.
∂x ∂y ∂y ∂x
Từ (4.2a) và (4.2b) ta có:
∂ui
∂x
∂vi
∂x
vi
− ui
yi+1 = yi −
∂ui ∂vi ∂ui ∂vi
.
−
.
∂x ∂y ∂y ∂x
Mẫu số của (4.3a) và (4.3b) gọi là định thức Jacobien (detJ), của hệ thống:
Bài Giảng Chuyên Đề Phương Pháp Tính
Trang 22
Khoa Xây Dựng Thủy Lợi Thủy Điện
Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật
∂ui ∂ui
∂x ∂y
∂vi ∂vi
∂x ∂y
det J = det
Một cách tổng quát cho phương trình: f(x)=0
Với x = [x1,x2,....,xn]T và f = [f1,f2,....,f n]T
Phương pháp lặp Newton-Raphson cho hệ phương trình n ẩn này là:
-1
x(k+1) = x(k) -Fx (x(k)).f(x(k))
Với ma trận Jacobi Fx như sau:
∂f1
∂f1
∂f1
∂xn
∂f2
........
∂x1 ∂x2
∂f
∂f2
∂x2
∂fn
2
.........
Fx=
∂x1
∂x
∂fn
n
∂f
n
.........
∂x1 ∂x2
∂xn
Bài tập: Hãy tính lặp theo phương pháp Newton- Raphson
1. Cho f(x) = e-x - x , với x0 = 0 (điểm ban đầu)
e−xi − xi
Giải : Ta có f’(x) = - e-X - 1 , αx + 1 = xi -
− e−xi −1
Ta lập được bảng tính:
i
xi
ε(%)
0
1
2
3
4
0
100
0, 5 0 0 0 0 0 0 0 0
0, 5 6 6 3 1 1 0 0 3
0, 5 6 7 1 4 2 1 6 3
0, 5 6 7 1 4 3 2 7 0
11,8
0,147
0,0000220
< 10-8
2
u(x,y) = x + xy −10 = 0
2. Cho
cho biết nghiệm (x = 2, y = 3)
2
v(x,y) = y + 3xy −57 = 0
Nghiệm ban đầu cho ( x = 1,5 , y = 3,5 )
Giải:
Bài Giảng Chuyên Đề Phương Pháp Tính
Trang 23
Khoa Xây Dựng Thủy Lợi Thủy Điện
Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật
∂v0
∂y0
∂v0
∂x0
∂u0
∂x0
= 2y2 = 3(3,5)2 = 36,75
= 2x + y = 2(1,5) + 3,5 = 6,5
=1+ 6xy =1+ 6(1,5)(3,5) = 3,25
∂u0
= x =1,5
∂y0
Vậy định thức Jacobien: det J = 6,5(32,5) - 1,5(36,75) = 156,125
và u0 = (1,5)2 + 1,5(3,5) - 10 = - 2,5
v0 = 3,5 + 3(1,5)(3,5)2 - 57 = 1,625
− 2,5(32,5) −1,625(3,5)
156,125
1,625(6,5) − (−3,5)(36,75)
x = 1,5−
= 2,03603
Từ đó có:
y = 3,5−
= 2,84387
156,125
Tiếp tục các phần xấp xỉ bị dư → (x = 2 , y = 3)
3. Cho hàm: f(x) = - 0,9x2 + 1,7x + 2,5, điểm ban đầu x0 = 5, chọn ε0 = 0,01%
Bài Giảng Chuyên Đề Phương Pháp Tính
Trang 24
5 trang
20420
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Chuyên đề Phương pháp tính - Chương 4: Giải gần đúng phương trình và hệ phương trình phi tuyến", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_chuyen_de_phuong_phap_tinh_chuong_4_giai_gan_dung.pdf
