background image

Podstawy Informatyki 2                rok akad. 2003/2004             mgr in . Paweł Myszkowski 
 

1

Numeryczne metody poszukiwania miejsc zerowych funkcji 

Nie  zawsze  w  prosty  sposób  da  si



  znale

 

  miejsce  zerowe  funkcji  w  danym 

przedziale.  Korzystamy  wówczas  z  metod  numerycznych,  które  przybli



aj



 

rozwi



zanie  z  zadan



  dokładno



ci



.  Ka



da  z  trzech  prezentowanych  ni



ej  meto 

wymaga,  aby  funkcja  na  kra



cach  przedziału  miała  ró



ne  warto



ci  oraz 



eby  była 



ci



le monotoniczna (albo malej



ca, albo rosn



ca w całym przedziale). 

a) metoda bisekcji (równego podziału) 

Mamy dan



  funkcj

  f(x) oraz przedział 

<x

p

,x

k

>

,  w którym  chcemy  znale

 

  miejsce 

zerowe tej funkcji z zadan



 dokładno

ci



 

 

Opisana  w  tym  podpunkcie  metoda  jest  najwolniej  zbie n



  metod



 

znajdowania  przybli onych  pierwiastków  funkcji  w  zadanym  przedziale 
argumentów  <x

p

,x

k

>.  Metod



  bisekcji  mo na  zastosowa

,  je

li  funkcja  jest 

ci



gła  i  na  kra



cach  przedziału  posiada  ró ne  znaki.  W  takim  przypadku 

twierdzenie o warto

ciach po

rednich mówi nam, i : 

je

li f(x

p

) < 0 < f(x

k

lub f(x

p

) > 0 > f(x

k

)

to istnieje taki punkt x

o

x

p

 < x

o

 < x

k

f(x

o

) = 0 

Innymi  słowy  twierdzenie  to  gwarantuje  nam  istnienie  przynajmniej  jednego 
pierwiastka  w  danym  przedziale.  Metoda  bisekcji  (połowienia,  krojenia  na  pół
polega  na  dzieleniu  zadanego  przedziału  argumentów  na  dwie  równe  połówki. 
Dokonujemy  tego  znajduj



c  punkt 

rodkowy  przedziału  jako 

redni



  arytmetyczn



 

jego kra



ców.  

 

 
Je

li warto

 funkcji w punkcie podziału jest równa zero (lub dostatecznie bliska), to 

punkt  ten  traktujemy  jako  pierwiastek  funkcji  i  ko



czymy  dalsze  wykonywanie 

algorytmu.  W  przeciwnym  razie  warto

  funkcji  w  punkcie  podziału  nie  jest  równa 

zero,  wi

c  musi  by

  od  niego  wi

ksza  lub  mniejsza.  Sprawdzamy,  w  której  z 

otrzymanych przez podział połówek funkcja zmienia znak na przeciwny na kra



cach -

jest  tylko  jedna  taka  połówka.  Wybran



  połówk

  traktujemy  jako  nowy  przedział 

zawieraj



cy  pierwiastek  i  znów  dzielimy  j



  na  dwie  cz

ci  sprawdzaj



c  warto

 

funkcji w 

rodku przedziału. Operacje te kontynuujemy, a  do znalezienia pierwiastka. 

Punkt  x

o

  w  granicy  niesko



czonych  podziałów  jest  zbie ny  do  punktu  b

d



cego 

poszukiwanym  pierwiastkiem  zadanej  funkcji.  Poniewa   nie  mo emy  wykonywa

 

tych  oblicze



  w  niesko



czono

,  to  zadawalamy  si

  przybli on



  warto

ci



 

pierwiastka, któr



 otrzymamy po kilkunastu obiegach. 

 

 

 

 

background image

Podstawy Informatyki 2                rok akad. 2003/2004             mgr in . Paweł Myszkowski 
 

2

 

b) metoda siecznych (regula falsi) 

 

Metoda  bisekcji  zaprezentowana  w  poprzednim  rozdziale  zupełnie  nie  korzystała  z 
własno

ci  funkcji  i  jej  przebiegu  wewn



trz  badanego  przedziału  -  wystarczała  jej 

informacja  o  znaku  funkcji  na  jego  kra



cach.  Punkt  przewidywanego  pierwiastka 

wyznacza  si

  zawsze  w 

rodku  przedziału.  Tymczasem  mo na  przypuszcza

,  i  

pierwiastek  b

dzie  zwykle  bli ej  tego  punktu  ko



cowego,  w  którym  warto

 

bezwzgl

dna  funkcji  jest  mniejsza,  szczególnie  gdy  przedział  poszukiwa



  staje  si

 

coraz  mniejszy  i  wykres  funkcji  w  tym  przedziale  coraz  bardziej  zbli ony  jest  do 
odcinka  linii  prostej.  Spostrze enie  to  umo liwia  szybsze  zbli enie  si

  do  punktu 

b

d



cego  pierwiastkiem  funkcji  i  zostało  wykorzystane  w  metodzie  siecznych

zwanej  równie   metod



  regula  falsi  (fałszywej  pozycji  -  poniewa   wyznacza  si



 

pierwiastek w punkcie na osi x, gdzie go nie ma)  

Algorytm  metody  siecznych  jest  nast



puj



cy.  Badana  funkcja  musi  by



  ci



gła  i  na 

kra



cach  zadanego przedziału poszukiwa



 pierwiastka  <x

p

,x

k

>  musi  mie



 przeciwny 

znak,  czyli  f(x

p

)  x  f(x

k

)  <  0.  Punkty  wykresu  odpowiadaj



ce  kra



com  przedziału 

ł



czymy  sieczn



,  która  przetnie  o



  x  w  punkcie  x

o

.  Punkt  ten  jest  kandydatem  na 

pierwiastek i obliczamy go wg wzoru: 

 

background image

Podstawy Informatyki 2                rok akad. 2003/2004             mgr in . Paweł Myszkowski 
 

3

Obliczamy warto





 funkcji  w punkcie  x

o

  i  sprawdzamy, czy  jej  moduł wpada 

w  zało one otoczenie zera o promieniu 



 (epsilon): 

 

Je



li  tak,  to  x

o

  jest  poszukiwanym  przybli eniem  pierwiastka  funkcji  i  ko



czymy 

obliczenia.  W  przeciwnym  razie  punkt  x

o

  dzieli  przedział  <x

p

,x

k

>  na  dwie  cz





ci: 

<x

p

,x

o

> oraz  <x

o

,x

k

>.  Sprawdzamy,  w  której  z  tych  cz

 

ci  znak  warto



ci  funkcji  na 

kra



cach  jest  przeciwny  i  t



  cz

 



  przyjmujemy  za  nowy  przedział  poszukiwa



 

pierwiastka.  Obliczamy  nast



pny  punkt  przeci



cia  siecznej,  sprawdzamy,  czy  jest 

pierwiastkiem  itd.  Je



li  warunki  pocz



tkowe  b



d



  spełnione,  to  metoda  siecznych 

gwarantuje  zbie no





  kolejno  otrzymywanych  punktów  x

o

  do  warto



ci  pierwiastka 

funkcji (sprawd



 jednak 1 i 2). 

Zwró



cie uwag



, i  metoda regula falsi opiera si



 na identycznym schemacie 

jak metoda bisekcji. Ró ni



 si



 one jedynie sposobem wyznaczania punktu x

o

Tutaj  jest  to  przeci



cie  siecznej  wykresu  funkcji  z  osi



  x,  tam 



rodek 

przedziału poszukiwa



 pierwiastka. 

 

 

c)  metoda stycznych (Newtona) 

 

Metoda  stycznych  (zwana  równie   metod



  Newtona)  ró ni  si



  nieco  od  opisanych 

dotychczas  metod  wyznaczania  pierwiastka  funkcji.  W metodzie  tej  nie  okre



lamy 

przedziału  poszukiwa



,  lecz  punkt  na  osi  x  dostatecznie  blisko  pierwiastka  funkcji, 

który oznaczymy x

p

. Nast



pnie znajdujemy prost



 styczn



 do wykresu funkcji w tym 

background image

Podstawy Informatyki 2                rok akad. 2003/2004             mgr in . Paweł Myszkowski 
 

4

punkcie. Prosta ta przecina o



  x  i wyznacza  nam  kolejny punkt,  który obliczamy wg 

wzoru: 

 

We  wzorze  mamy  funkcj



  pochodn



  od  f(x).  Znaj



c  wzór  algebraiczny  funkcji  f(x)

mo emy  analitycznie  znale



  wzór  jej  pochodnej,  jednak  na  potrzeby  oblicze



 

numerycznych,  gdzie  niezb



dna  jest  warto





  pochodnej  a  nie  jej  wzór,  korzysta  si



 

najcz

 

ciej  z  przybli onego  wyznaczania  pochodnej  na  podstawie  definicji  ilorazu 

ró nicowego funkcji: 

, gdzie 



 jest otoczeniem zera. 

Poniewa   pochodna  w  punkcie  jest  granic



  ilorazu  ró nicowego  przy 



 

d





cym  do  0,  to  o  ile  otoczenie 



  jest  dostatecznie  małe,  otrzymana 

przybli ona  warto





  pochodnej  funkcji  f

 

(x

p

)  le y  blisko  warto



ci  dokładnej. 

Oczywi



cie otoczenie to nie  mo e  by



  mniejsze  od  dokładno



ci wyznaczania 

funkcji,  gdy   w  takim  przypadku  nie  otrzymamy  poprawnej  warto



ci 

pochodnej. 

Wzór  na  przybli on



  warto





  pochodnej  wstawiamy  do  wzoru  na  punkt  x

o

upraszczamy odpowiednio i otrzymujemy: 

 

Po znalezieniu punktu x

o

 obliczamy warto





 funkcji f(x

o

) i sprawdzamy, czy 

 

Je



li  tak,  to  x

o

  jest  poszukiwanym  pierwiastkiem  przybli onym  funkcji  f(x)  i 

ko



czymy  wykonywanie  algorytmu.  W  przeciwnym  razie  za  nowy  punkt  x

p

przyjmujemy  obliczony  punkt  x

o

  i  powtarzamy  obliczenia,  a   do  uzyskania 

pozytywnego wyniku.