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 |
Таким 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 |