background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne wykład 6

 

 

W6 - 1 

U

Właściwości metod iteracyjnych  

iteratio=powtarzanie 

(procesu 

numerycznego 

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 wykład 6

 

 

W6 - 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

Φ

Φ

Φ

====

++++

1

  i  dla  k=1,..,p-1 

0

====

Φ

Φ

Φ

Φ

)

a

(

)

k

(

to metoda jest rzędu p. 
dow. 

1

2

1

2

++++

++++

−−−−

++++

Φ

Φ

Φ

Φ

−−−−

++++

++++

++++

Φ

Φ

Φ

Φ

−−−−

++++

Φ

Φ

Φ

Φ

−−−−

++++

Φ

Φ

Φ

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

Φ

Φ

Φ

====

−−−−

−−−−

++++

1

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne wykład 6

 

 

W6 - 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 wykład 6

 

 

W6 - 4 

Metoda 

U

Newtona-Raphsona  

 
Jeżeli pierwiastkiem jest 

ξξξξ

, a 

i

x

 jest przybliżeniem 

ξξξξ

 (

i

x

 leży w otoczeniu 

ξξξξ

), 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

ξξξξ

ξξξξ

ξξξξ

ξξξξ

 

zaniedbując wyrazy rzędy większego niż 

νννν

 otrzymujemy równanie do 

wyznaczenia kolejnego przybliżenia 

1

++++

i

x

  

 
Dla 

1

====

νννν

 (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 wykład 6

 

 

W6 - 5 

 

Dla 

2

====

νννν

 (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

ξξξξ

): 

)

x

(

'

f

)

x

(

f

x

)

x

(

),

x

(

x

i

i

−−−−

====

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

====

++++

1

 

0

1

2

====













++++

−−−−

====

Φ

Φ

Φ

Φ

====

ξξξξ

ξξξξ

x

)

x

(

'

f

)

x

(

'

'

f

)

x

(

f

)

x

(

'

f

)

x

(

'

f

)

(

'

, czyli p=2 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne wykład 6

 

 

W6 - 6 

 

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

0

≠≠≠≠

−−−−

====

)

(

g

),

x

(

g

)

x

(

)

x

(

f

m

ξξξξ

ξξξξ

): 

 

),

(

'

)

(

)

(

)

(

)

(

'

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

Φ

Φ

Φ

ξξξξ

, czyli p=1  

m

C

1

1

−−−−

====

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne wykład 6

 

 

W6 - 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

 

x(n) 

x(13)-x(n) 

err(n-1)^2 

-2,087068817   

2,8125 

-0,899568817   

2,169979424 

-0,257048241 

0,809224057 

1,94217793 

-0,029246748 

0,066073798 

1,913369391 

-0,000438208 

0,000855372 

1,912931283 

-1,00353E-07 

1,92027E-07 

1,912931183 

-5,55112E-15 

1,00707E-14 

1,912931183 

3,08149E-29 

1,912931183 

1,912931183 

10 

1,912931183 

11 

1,912931183 

12 

1,912931183 

13 

1,912931183 

 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne wykład 6

 

 

W6 - 8 

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

=

+

 

x(n) 

x(23)-x(n) 

1,0000000000 

0,5707962609 

1,2934079930 

0,2773882679 

1,4329983667 

0,1377978942 

1,5020065769 

0,0687896840 

1,5364150214 

0,0343812395 

1,5536073677 

0,0171888932 

1,5622020589 

0,0085942021 

1,5664992193 

0,0042970416 

1,5686477763 

0,0021484846 

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   

 

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 wykład 6

 

 

W6 - 9 

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

−−−−

−−−−

====

µµµµ

 

wybieramy  

0

1

1

>>>>







====

====

++++

++++

)

(

f

)

x

(

f

a

a

x

i

i

i

i

i

i

µµµµ

µµµµ

 

 

 

 

 

0

1

1

<<<<







====

====

++++

++++

)

(

f

)

x

(

f

x

a

x

i

i

i

i

i

i

µµµµ

µµµµ

 

p=1 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne wykład 6

 

 

W6 - 10

Odwrotna interpolacja kwadratowa (OIK, IQI) 

Przypuśćmy, że mamy 3 wartosci argumentu x : ab, i c, i odpowiadające im 
wartości funkcji y
 : f(a), f(b), i f(c). Możemy interpolować te wartości 
wielomianem stopnia 2 i przyjąć za kolejne przybliżenie punkt, w którym 
parabola przecina oś x . Ale może darzyć się, że parabola nie przecina osi x  - 
wielomian nie ma pierwiastków rzeczywistych. Zamiast budować wielomian 
interpolacyjny stopnia 2 względem x
 możemy zbudować taki wielomian względem 
y
 (oznaczmy go P(y))– jego wykresem będzie „odwrócona” parabola. Taka 
parabola zawsze przetnie oś x
 i punkt przecięcia (x=P(0), y=0) będzie następnym 
przybliżeniem w metodzie iteracyjnej .  

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne wykład 6

 

 

W6 - 11

Algorytm uniwersalny: 
 
Startujemy od takich że  f(a) i f(b) są różnych znaków. 
Budujemy sieczną, która daje punkt między b

Powtarzamy dopóki 

b

eps

a

b

<

 lub  f(b) = 0. 

Porządkujemy ab, i tak by: 

 

f(a) i f(b) były różnych znaków, 

 

)

a

(

f

)

b

(

f

 

 

było poprzednia wartością  b

Jeśli

a

c

, wykonujemy  krok IQI. 

Jeśli a, wykonujemy krok metody siecznych. 
Jeśli wynik kroku  IQI lub kroku metody siecznych jest wewnątrz 

[a; b], akceptujemy go. 

Jeśli wynik kroku  IQI lub kroku metody siecznych jest poza [a; b

stosujemy bisekcję. 


 
 
 

 
 
 

background image

Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej - Metody Numeryczne wykład 6

 

 

W6 - 12

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

====

νννν

 (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