background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 1

U

Właściwości metod iteracyjnych  

iteratio=powtarzanie (procesu numerycznego w celu ulepszenia 
wcześniejszych wyników)=kolejne przybliżanie 
metoda iteracji prostej: 
x=F(x) 
równanie iteracji 

)

x

(

F

x

i

i

=

+1

 

dostateczny warunek zbieżności: 

1

<

)

x

(

'

F

 

szybkość zbieżności tym większa im mniejszy 

)

x

(

'

F

 

Def.: 
Niech x

B

i

B

 będzie ciągiem kolejnych przybliżeń zbieżnej metody iteracyjnej: 

a

x

lim

i

i

=

. Jeżeli istnieje liczba 

1

p

taka, że  

1

1

0

1

=

<

=

+

p

gdy

C

,

C

a

x

a

x

lim

p

i

i

i

 

to mówimy, że metoda jest rzędu p w punkcie a. Liczba C jest nazywana 
stałą asymptotyczną błędu. 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 2

Jeżeli z jedną iteracją związany jest koszt K to 

K

p

E

1

=

 nazywamy 

wskaźnikiem efektywności metody. 

 

Tw. 
Jeżeli równaniem iteracji jest 

)

x

(

x

i

i

Φ

=

+

1

 i dla k=1,..,p-1 

0

=

Φ

)

a

(

)

k

(

to metoda jest rzędu p. 
dow. 

1

2

1

2

+

+

+

Φ

+

+

+

Φ

+

Φ

+

Φ

=

Φ

=

p

i

)

p

(

p

i

i

i

i

i

)

a

x

(

(

O

!

p

)

a

(

)

a

x

(

!

)

a

(

'

'

)

a

x

(

)

a

(

'

)

a

x

(

)

a

(

)

x

(

x

L

 

!

p

)

a

(

)

a

x

(

a

x

lim

)

p

(

p

i

i

i

Φ

=

+

1

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 3

U

Metody iteracyjne rozwiązywania równań nieliniowych 

 

Szukamy rzeczywistego pierwiastka równania 

0

=

)

x

(

f

.  

Metoda bisekcji.  
Weźmy przedział 

[a, b], na krańcach którego f(x) jest różnego znaku. Jeśli f(x

jest ciągła, to osiąga wartość zero wewnątrz [a, b]. Połowiąc przedział [a, b] i 
badając znak funkcji na krańcach przedziałów zawężamy przedział zawierający 
pierwiastek równania f
(x)=0. Ponieważ prowadzimy obliczenia w arytmetyce 
zmiennopozycyjnej nie znajdziemy pewnie punktu,  w którym f
(x)=0. Naszym 
celem będzie wić znalezienie przedziału o długości nie przekraczajacej zadanej 
dokładności obliczeń (mogą to być dwie sąsiednie liczby zmiennoprzecinkowe), w 
którym f
(x) zmienia znak.

 

 
 
Złoty podział 

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 4

 
Szukamy rzeczywistego pierwiastka równania 

0

=

)

x

(

f

. Jeżeli jest nim 

ξ

,  a 

i

x

 jest przybliżeniem 

ξ

 (

i

x

 leży w otoczeniu 

ξ

), to 

L

+

+

+

+

=

=

=

)

x

(

f

!

)

x

(

)

x

(

'

'

f

!

)

x

(

)

x

(

'

f

)

x

(

)

x

(

f

)

(

f

i

)

(

i

i

i

i

i

i

3

3

2

3

2

0

ξ

ξ

ξ

ξ

 

zaniedbując wyrazy rzędy większego niż 

ν

 otrzymujemy równanie do 

wyznaczenia kolejnego przybliżenia 

1

+

i

x

  

 
Dla 

1

=

ν

 (metoda 

U

Newtona-Raphsona stopnia I

U

): 

)

x

(

'

f

)

x

x

(

)

x

(

f

i

i

i

i

+

=

+1

0

 

)

x

(

'

f

)

x

(

f

x

x

i

i

i

i

=

+1

 

 

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 5

 

Dla 

2

=

ν

 (metoda Newtona-Raphsona stopnia II): 

)

x

(

'

'

f

!

)

x

x

(

)

x

(

'

f

)

x

x

(

)

x

(

f

i

i

i

i

i

i

i

2

0

2

1

1

+

+

=

+

+

 

 

)

x

(

'

'

f

)

x

(

'

'

f

)

x

(

'

f

)

x

(

'

f

)

x

(

'

f

x

x

i

i

i

i

i

i

i

2

2

1

±

=

+

 

Zbieżność lokalna! 
Rząd zbieżności metody N-R I dla jednokrotnego zera (

0

)

(

'

f

ξ

): 

)

x

(

'

f

)

x

(

f

x

)

x

(

),

x

(

x

i

i

=

Φ

Φ

=

+1

 

0

1

2

=

+

=

Φ

=

ξ

ξ

x

)

x

(

'

f

)

x

(

'

'

f

)

x

(

f

)

x

(

'

f

)

x

(

'

f

)

(

'

, czyli p=2 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 6

 

Rząd zbieżności metody N-R I dla m-krotnego zera 
(

0

=

)

(

g

),

x

(

g

)

x

(

)

x

(

f

m

ξ

ξ

): 

 

),

(

'

)

(

)

(

)

(

)

(

'

1

x

g

x

x

g

x

m

x

f

m

m

ξ

ξ

+

=

 

,

)

(

'

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

1

x

g

x

x

g

x

m

x

g

x

x

x

m

m

m

ξ

ξ

ξ

+

=

Φ

 

m

)

(

'

1

1

=

Φ

ξ

, czyli p=1  

m

C

1

1

=

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 7

PRZYKŁAD 1: 

m

a

   

a>0 

a

x

m

=

 ,         

0

=

− a

x

m

 

1

1

+

=

m

n

m

n

n

n

mx

a

x

x

x

                               

1

1

)

1

(

+

+

=

m

n

m

n

n

mx

x

m

a

x

. ,                      

m=3, a=7

 

n x(n) 

x(13)-x(n) err(n-1)^2 

0 4

-2,087068817  

 

1 2,8125

-0,899568817  

 

2 2,169979424

-0,257048241

0,809224057

3 1,94217793

-0,029246748

0,066073798

4 1,913369391

-0,000438208

0,000855372

5 1,912931283

-1,00353E-07

1,92027E-07

6 1,912931183

-5,55112E-15

1,00707E-14

7 1,912931183

0

3,08149E-29

8 1,912931183

0

0

9 1,912931183

0

0

10 1,912931183

0

0

11 1,912931183

0

0

12 1,912931183

0

0

13 1,912931183

0

0

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 8

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 9

PRZYKŁAD 2: 

?

=

2

π

 :           

0

1

)

sin(

=

x

.                                            

 

 

 

 

0

=

)

x

cos(

.  

)

cos(

1

)

sin(

1

n

n

n

n

x

x

x

x

=

+

 

 

 

 

 

 

)

sin(

)

cos(

1

n

n

n

n

x

x

x

x

=

+

 

n x(n) 

x(23)-x(n) 

0 1,0000000000 

0,5707962609

1 1,2934079930 

0,2773882679

2 1,4329983667 

0,1377978942

3 1,5020065769 

0,0687896840

4 1,5364150214 

0,0343812395

5 1,5536073677 

0,0171888932

6 1,5622020589 

0,0085942021

7 1,5664992193 

0,0042970416

8 1,5686477763 

0,0021484846

9 1,5697220520 

0,0010742089

10 1,5702591894 

0,0005370715

11 1,5705277581 

0,0002685028

12 1,5706620425 

0,0001342185

13 1,5707291846 

0,0000670763

14 1,5707627557 

0,0000335052

15 1,5707795413 

0,0000167197

16 1,5707879340 

0,0000083269

17 1,5707921304 

0,0000041305

18 1,5707942286 

0,0000020323

19 1,5707952777 

0,0000009832

20 1,5707958023 

0,0000004587

21 1,5707960645 

0,0000001964

22 1,5707961957 

0,0000000652

23 1,5707962609 

 

 

 

n x(n) 

2

π

-x(n) 

0 1,0000000000

0,5707963268 

1 1,6420926159

-0,0712962891 

2 1,5706752772

0,0001210496 

3 1,5707963268

0,0000000000 

4 1,5707963268

0,0000000000 

5 1,5707963268

0,0000000000 

6 1,5707963268

0,0000000000 

7 1,5707963268

0,0000000000 

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 10

U

Metoda siecznych 

 

)

x

(

f

)

x

(

f

x

)

x

(

f

x

)

x

(

f

)

x

(

f

)

x

(

f

)

x

x

)(

x

(

f

x

)

x

(

'

f

)

x

(

f

x

x

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

1

1

1

1

1

1

+

=

=

 

p=1.618.. 

U

Regula falsi 
dane 

0

<

)

a

(

f

)

x

(

f

,

a

,

x

i

i

i

i

 

obliczamy  

,

)

a

(

f

)

x

(

f

)

a

(

f

x

)

x

(

f

a

i

i

i

i

i

i

i

=

μ

 

wybieramy  

0

1

1

>

=

=

+

+

)

(

f

)

x

(

f

a

a

x

i

i

i

i

i

i

μ

μ

 

 

 

 

 

0

1

1

<

=

=

+

+

)

(

f

)

x

(

f

x

a

x

i

i

i

i

i

i

μ

μ

 

p=1 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 11

U

Układy równań nieliniowych 

[

]

=

=

=

=

=

)

(

f

)

(

f

)

(

f

)

(

F

,

x

,

,

x

,

x

X

,

)

X

(

F

n

,...,

i

,

)

x

,

,

x

,

x

(

f

n

T

n

n

i

M

L

L

2

1

2

1

2

1

0

1

0

 

Dla 

1

=

ν

 (metoda 

U

Newtona-Raphsona stopnia I

U

): 

 

)

X

X

)(

X

(

'

F

)

X

(

F

i

i

i

i

+

=

+1

0

 

=

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

x

)

x

,

x

(

f

x

)

x

,

x

(

f

x

)

x

,

x

(

f

x

)

x

,

x

(

f

x

)

x

,

x

(

f

x

)

x

,

x

(

f

x

)

x

,

x

(

f

x

)

x

,

x

(

f

x

)

x

,

x

(

f

)

X

(

'

F

L

L

L

L

M

M

M

M

L

L

L

L

L

L

L

L

1

1

1

1

1

2

1

2

1

1

2

1

1

1

1

1

1

1

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 12

Wyznaczanie zer wielomianów 

1 Metoda Maehly’ego 

0

)

(

=

x

P

   

)

(

'

)

(

1

i

i

i

i

x

P

x

P

x

x

=

+

  

wyznaczamy zero z

1

  

Powinniśmy wyznaczyć współczynniki wielomianu 

1

1

)

(

)

(

z

x

x

P

x

P

=

 i prowadzić iteracje 

wg 

)

(

'

)

(

1

1

1

i

i

i

i

x

P

x

P

x

x

=

+

. Zamiast tego: 

2

1

1

1

)

(

)

(

)

(

'

)

(

'

z

x

x

P

z

x

x

P

x

P

=

 

1

1

1

1

)

(

)

(

'

)

(

)

(

'

)

(

z

x

x

P

x

P

x

P

x

x

P

x

P

x

x

i

i

i

i

i

i

i

i

i

=

=

+

 

Po wyznaczeniu zer z

1

, z

2

, ...z

j

 

=

+

=

j

k

k

i

i

i

i

i

i

z

x

x

P

x

P

x

P

x

x

1

1

)

(

)

(

'

)

(

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 13

2 Metoda Lehmera-Shura 
Kryterium sprawdzające istnienie zera w kole jednostkowym: 

0

1

1

1

a

z

a

z

a

z

a

)

z

(

f

n

n

n

n

+

+

+

+

=

L

 

n

n

n

n

*

a

z

a

z

a

z

a

)

z

(

f

+

+

+

+

=

1

1

1

0

L

)

a

Im(

j

)

a

Re(

a

=

 

)

z

(

f

a

)

z

(

f

a

)]

z

(

f

[

T

:

]

[

T

*

n

=

0

 

2

2

0

0

0

0

0

0

0

0

n

n

*

n

a

a

a

a

a

a

)

(

f

a

)

(

f

a

)]

(

f

[

T

=

=

=

 

)]

z

(

f

[

T

[

T

)]

z

(

f

[

T

,

)],

z

(

f

[

T

[

T

)]

z

(

f

[

T

j

j

1

2

=

=

L

 

A)  Czy 

0

0

=

)

(

f

 ? TAK, to perwiastek=0, NIE to B) 

B) Czy 

0

0

<

)]

(

f

[

T

 TAK, pierwiastek w kole jednostkowym, NIE to C) 

C) Obliczyć 

k

,

,

,

j

)],

z

(

f

[

T

j

L

2

1

=

 aż do uzyskania  

0

0

<

)]

(

f

[

T

k

 (wtedy istnieje pierwiastek w kole jednostkowym)  

lub 

0

0

=

)]

(

f

[

T

k

 (wtedy żaden pierwiastek nie leży wewnątrz koła 

jednostkowego, jeśli 

)]

z

(

f

[

T

k

1

 jest stałą) 

Jeżeli wielomian 

)

z

(

f

 ma zero wewnątrz koła 

r

c

z

=

, to wielomian 

)

c

rz

(

f

)

z

(

g

+

=

 ma zero wewnątrz koła jednostkowego (

)

z

(

g

 może 

mieć współczynniki zespolone). 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 14

-2

-1

0

1

2

3

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

 

            R    

   .....   2R     

oooooooo

7

0

8

2

3

4

,...,

k

,

e

)

/

cos(

R

/

k

j

=

π

π

 

.........

5

4R

 

........ 

10

4R

 

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 15

Dzielenie wielomianów 
Czynnik liniowy: 

)

z

(

R

)

b

z

b

z

b

z

b

)(

z

z

(

a

z

a

z

a

z

a

)

z

(

f

n

n

n

n

n

n

n

n

0

0

1

2

2

1

1

0

0

1

1

1

+

+

+

+

+

=

=

+

+

+

+

=

L

L

 

0

0

0

0

1

0

1

0

2

1

0

b

z

a

)

z

(

R

,...,

n

,

n

k

,

b

z

a

b

,

b

k

k

k

n

+

=

=

+

=

=

+

+

 

Czynnik kwadratowy: 

)

q

,

r

(

B

z

)

q

,

r

(

A

)

b

z

b

z

b

z

b

)(

q

rz

z

(

a

z

a

z

a

z

a

)

z

(

f

n

n

n

n

n

n

n

n

+

+

+

+

+

+

+

+

=

=

+

+

+

+

=

0

1

3

3

2

2

2

0

1

1

1

L

L

 

 

0

1

0

1

2

1

2

1

0

3

2

0

qb

a

)

q

,

r

(

B

,

qb

rb

a

)

q

,

r

(

A

,...,

n

,

n

k

,

qb

rb

a

b

,

b

b

o

k

k

k

k

n

n

=

=

=

=

=

=

+

+

+

 

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 16

SCHEMAT i-tej ITERACJI METODY BAIRSTOW’A 
 

i

i

q

q

,

r

r

=

=

 

Obliczyć 

0

1

0

1

2

1

2

1

0

3

2

0

qb

a

)

q

,

r

(

B

,

qb

rb

a

)

q

,

r

(

A

,...,

n

,

n

k

,

qb

rb

a

b

,

b

b

o

k

k

k

k

n

n

=

=

=

=

=

=

+

+

+

 

Obliczyć 

1

0

4

3

0

2

1

1

2

1

=

=

=

=

+

+

+

,

,...,

n

,

n

k

,

qd

rd

b

d

,

d

d

k

k

k

k

n

n

 

Wartości kolejnego przybliżenia: 

+

=

+

+

)

q

,

r

(

B

)

q

,

r

(

A

d

r

d

d

q

d

d

q

r

q

r

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

1

0

1

0

0

1

1

1

 

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 17

Przykład Wilkinsona 

!

x

a

x

)

x

(

)

x

)(

x

(

)

x

(

f

20

20

2

1

19

19

20

+

+

+

=

=

L

L

   

210

19

=

a

 

0

5

10

15

20

25

30

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

 
 

210

19

=

a

 

***

 

9

19

10

210

+

=

a

** 

6

19

10

210

+

=

a

**

 

3

19

10

210

+

=

a

 

**

  

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne ET3 wykład 4

 

 

W4 - 18

 

Niech a będzie pojedynczym pierwiastkiem r-nia f(x)=0 i niech x

n

<a zbiega 

do  a.  
Na mocy tw. o wartości średniej istnieje 

]

,

[

a

x

c

n

 takie, że  

)

(

'

)

(

c

f

x

f

a

x

n

n

=

.  

Stąd 

ε

δ

:

)

(

'

)

(

'

min

)

(

,

=

a

f

c

f

x

f

a

x

a

x

n

n

n

  

gdzie δ jest dokładnością z jaką obliczamy f(x).  
Dla pierwiastków o krotności p
 mamy: 

p

p

a

f

p

1

)

(

)

(

!



=

δ

ε