3.2.2.     МЕТОД ХОРД

Метод простых итераций во всех рассмотренных вариантах использует для построения очередного приближения  только информацию о функции в одной лишь точке ; при этом никак не используются предыдущие значения  Однако эту предыдущую информацию также можно использовать при нахождении . В качестве примера рассмотрим нахождение  по двум предыдущим приближениям  и  с помощью линейной интерполяции. Этот метод называется методом хорд.

Идея метода состоит в том, что по двум точкам  и  построить прямую  (то есть хорду, соединяющую две точки графика  ) и взять в качестве следующего приближения  абсциссу точки пересечения этой прямой с осью Ox. Иными словами, необходимо приближённо заменить на этом шаге функцию f(x) её линейной интерполяцией, найденной по двум значениям x:  и .

Линейной интерполяцией функции f(x) назовём такую линейную функцию l(x), значения которой совпадают со значениями f(x)в двух фиксированных точках, в данном случае в точках  и .

В зависимости от того, лежат ли точки   и  по разные стороны от корня  или же по одну и ту же сторону, рассматриваем два случая (рис. 3.5).

Итак, очередное последовательное приближение будет зависеть от двух предыдущих:

 .

Найдём выражение для функции .

Интерполяционную линейную функцию  будем искать как функцию с угловым коэффициентом, равным разностному отношению:

,

построенному для отрезка между  и , график которой проходит через точку :

Решая уравнение , находим:

то есть

.                                                      (3.3)

Заметим, что величина может рассматриваться как разностное приближение для производной  в точке . Таким образом, полученная формула (3.3) – это разностный аналог итерационной формулы метода Ньютона.

Вычисление по формуле (3.3) гораздо предпочтительнее вычисления по другой полученной нами формуле:

хотя эти две формулы математически тождественны, поскольку при использовании формулы (3.3) в случае вычислений с округлениями (например на компьютере) достигается меньшая потеря значащих цифр.

Вычисления ведутся непосредственно по формуле (3.3) при , начиная с двух приближений  и , взятых, по возможности, поближе к корню . При этом не предполагается, что  лежит между  и  (и что значения функции f( в точках  и  имеют разные знаки). При этом не гарантируется, что корень попадёт на отрезок между   и  на каком-либо следующем шаге (хотя это и не исключено). В таком случае затруднительно дать оценку погрешности, с которой   приближает истинное значение корня  Поэтому довольствуются таким эмпирическим правилом: вычисления прекращают, когда будет выполнено неравенство:

 ,

где  –  желаемая точность нахождения корня. При этом полагают приближённое значение корня равным:

.

Пример 1

Решить методом хорд нелинейное уравнение ,

Решение

Определим корень графически. Построим графики функций (рис. 3.6):

 и ,

составив таблицы значений этих функций (табл. 3.1, 3.2):

Таблица 3.1

x

y2 = x2

0,55x

y1

0

0

0

0,

0,2

0,04

0,1

0,21

0,4

0,16

0,22

0,33

0,6

0,36

0,33

0,46

0,8

0,64

0,44

0,60

1

1

0,55

0,76

Рис. 6 Графическое отделение корняТаким образом, положительный корень уравнения заключён в промежутке

Чтобы уточнить корень методом хорд, определим знак функции

на концах промежутка [0.6; 0.8] и знак её второй производной в этом промежутке:

;

Для вычислений применяем формулу (3.3):

,

Вычисления удобно располагать в таблицах (табл. 3.2, 3.3).

Таблица 3.2

n

0

0,6

0,2

0,43

0,4586

1

0,748

0,058

0,5081

0,5570

2

0,750

0,50

0,5125

0,5627

3

0,7502

0,0498

0,5126

0,5628

Таблица 3.3

n

0

0,36

0,0986

-0,1392

-0,142

1

0,5506

0,0064

-0,0470

-0,008

2

0,5625

0,0002

-0,0408

-0,0002

3

0,5628

0

Ответ:          x = 0,750.

Пример 2

Решить методом хорд нелинейное уравнение 

Решение

Отделим корни уравнения аналитически. Находим:

Составим таблицу знаков функции f(x):

Таблица 3.4

Signf(x)

-

-

+

+

Уравнение имеет один действительный корень, лежащий в промежутке [-1,0]. Чтобы уточнить корень, находим вторую производную:

;

в промежутке    [-1;0] выполняется неравенство

Для вычисления  применим формулу:

где

Вычисления располагаем в таблицах (табл. 3.5, 3.6).

Таблица 3.5

0

0

0

0

0

0

1

-0,882

-0,6861

0,7779

0,1556

-0,441

2

-0,943

-0,8386

0,8892

0,1778

-0,4715

3

-0,946

-0,8466

0,8949

0,1790

-0,473

4

-0,946

Таблица 3.6

0

1,5

1,7

1

-0,118

1

0,2173

0,4173

0,118

-0,057

2

0,0121

0,2121

0,057

-0,054

3

0,0014

0,2014

0,054

-0,054