background image

1. Metoda połowienia i jej własności 
 
Załóżmy, że poszukujemy rozwiązania równania f(x)=0 na przedziale *a, b+. Załóżmy ponadto, 
że  funkcja  jest  ciągła  na  tym  przedziale  oraz  istnieje  w  nim  dokładnie  jeden  pierwiastek. 
Punkty a oraz b (a<b),  wybieramy  tak,  aby  był  spełniony  warunek  f(a)f(b)<0.  Spełnienie  
tej  nierówności  przy założeniu  ciągłości  funkcji  gwarantuje  nam,  że  w  przedziale  (a,  b)  
znajduje    się    co    najmniej    jeden  pierwiastek  równania  f(x)=0.  W  kolejnych  krokach 
połowimy  nasz  przedział  i  sprawdzamy,  w  której  części  przedziału  znajduje  się  nasz 
pierwiastek. 
Algorytm metody połowienia  
1.    Wyznaczamy  punkt  c=(a+b)/2    i  obliczmy  wartośd  f(c)  Jeśli  f(c)=0,  to  znaleźliśmy 
rozwiązanie. W przeciwnym przypadku przechodzimy do punktu 2.  
2.  Jeśli  f(a)f(c)<0,  to  podstawiamy  b=c i  przechodzimy  do  punktu  3.  W  przeciwnym  
razie podstawiamy a=c i przechodzimy do punktu 3.  
3.  Sprawdzamy,  czy  b-a<ε, gdzie ε jest zadaną dokładnością obliczeo. Jeśli ten warunek jest  
spełniony, to kooczymy obliczenia. Jeśli nie, to wracamy do punktu 1. 
 
2. Metoda siecznych i jej własności 
 
W tej metodzie wyznaczamy kolejne przybliżenie wykorzystując dwa wcześniejsze. 

 

Metoda  ta  nie  zawsze  jest  zbieżna.  Punkty,  od  których  zaczynamy  iteracje  musza  byd 

odpowiednio blisko rozwiązania. Zauważmy, że wyrażenie: 

 

jest przybliżeniem odwrotności pochodnej w punkcie x

n-1

. Wzór  na  kolejne  przybliżenia  dla  

tej  metody  można  łatwo  wyprowadzid  samemu.  W  tym  celu przybliżamy wartośd funkcji 
w rozwiązaniu:  

 

Następnie przybliżamy pochodną ilorazem różnicowym: 

 

Łącząc powyższe wzory uzyskujemy: 

 

Wyznaczając z powyższego równania x

n

  otrzymujemy poszukiwany wzór.  

Jako  kryterium  zakooczenia  iteracji  można  tutaj  przyjmowad  różnice  dwóch  kolejnych  
przybliżeo    |x

n

  -  x

n-1

|  lub  |f(x

n

)|.  Jednakże    oba    kryteria    zatrzymania    iteracji    mogą  

prowadzid    do  fałszywych  wyników.  Można  zmodyfikowad  kryterium  z  modułem  różnicy 

background image

kolejnych przybliżeo dodając warunek  |x

n

 - x

n-1

| >= |x

n-1

 - x

n-2

|  . Wtedy będziemy przerywad 

iteracje jeśli |x

n

 - x

n-1

| < ε (ten składnik zapobiega  zbyt  szybkiemu  przerwaniu  iteracji)  i  

|x

n

  -  x

n-1

|    >=  |x

n-1

  -  x

n-2

|        (spełnienie    tej    nierówności  oznacza  dominowanie  błędów 

zaokrągleo). 
 
3. Metoda Newtona dla pojedynczego równania i układu równao (w tym jej własności) 
 
a) dla pojedynczego równania 
 
Rozważmy rozwinięcie funkcji f(x) w szereg Taylora w punkcie x

+ ε, gdzie f(x

0

)=0.   

 

Jeśli pominiemy czynniki rzędu drugiego i wyższe to: 

 

Korzystając z f(x

0

 +ε)=0 możemy wyznaczyd poprawkę: 

 

Stąd otrzymamy wzór iteracyjny postaci: 

 

Jest to metoda Newtona nazywana także metodą stycznych.  
Warunkiem koniecznym zbieżności jest, aby f’(x) ≠0, a warunkiem wystarczającym, aby 

 

W tej metodzie ważny jest dobór punktu startowego. 
W  przypadku  złego  doboru  punktu  startowego  metoda będzie rozbieżna (jest to metoda 
zbieżna lokalnie!) 
Konstrukcja warunku przerwania iteracji jest analogiczna jak w metodzie siecznych.  
Metoda  ta  jest  szybciej  zbieżna  niż  opisywane  dotąd  metody  (rząd  2  dla  pierwiastków  
pojedynczych i 1 dla pierwiastków wielokrotnych). 
 
b) dla układu równao 
 
Rozważamy  jak  poprzednio  układ  równao  (nieliniowych)  F(x)=0.  Możemy  ją  w  analogiczny 
sposób  jak  w    przypadku    pojedynczego    równania    korzystając    z    rozwinięcia    w    szereg  
Taylora    funkcji    wielu  zmiennych  F(x)  i  obcięciu  go  na  składniku  liniowym.  Zakładając,    że  
pochodna  F’(x)  jest  ciągła  w  x*   (gdzie  F(x*)=0)  a  pochodna  F’(x*)  jest nieosobliwa) 
otrzymujemy metodę 

 

która  jest  lokalnie  zbieżna.  Wadą  tej  metody  jest  koniecznośd  odwracania  macierzy  w 
każdym kroku. 
 

background image

4. Metoda iteracji prostych dla pojedynczego równania i układu równao (w tym jej 
własności) 
 
a) dla pojedynczego równania 
 
Zapiszmy równanie f(x)=0 w następującej postaci: f(x)+x=0+x. 
Stąd otrzymujemy równanie f(x) + x = ϕ(x) = x 
z nową funkcją ϕ(x). Oczywiście funkcję ϕ(x) można wyznaczyd przekształcając odpowiednio 
funkcję f(x) np. równanie  

f(x) = 2x

+3x

2

 +x -5 = 0 

przekształcamy do postaci 

 

 

W ten sposób otrzymujemy metodę iteracyjną x

n+1

= ϕ(x

n

).  

Jeśli funkcja ϕ(x) jest różniczkowalna to metoda ta jest zbieżna, gdy spełniony jest warunek: 
|ϕ'(x)|<1. 
Jeśli funkcja ϕ(x) nie jest różniczkowalna to metoda ta jest zbieżna, gdy: 

 

 

gdzie  x*  jest  rozwiązaniem  równania  f(x)=0.  Im  wypisany  wyżej  ułamek  (pochodna  dla  
funkcji różniczkowalnej) jest mniejsza, tym metoda jest szybciej zbieżna. 
Jako  kryterium  zakooczenia  iteracji  można  tutaj  przyjmowad  różnice  dwóch  kolejnych 
przybliżeo |x

n

 - x

n-1

| lub |f(x

n

)|, podobnie jak w przypadku metody siecznych. 

 
b) dla układu równao 
 
Przekształcamy układ równao F(x)=0 analogicznie jak dla pojedynczego równania do postaci  

 

Warunkiem wystarczającym zbieżności jest   

 

gdzie elementy macierzy D wyznaczamy ze wzoru 

 

dla i, j=1,…,n.  

Metoda jest zbieżna, jeżeli promieo spektralny macierzy D(x*) jest mniejszy od 1, gdzie  

 

 
 
 
 
 

background image

5. Podobieostwa i różnice pomiędzy metodami omawianymi na wykładzie 
 
a) kryterium stopu 
 

* bisekcja: b-a< ε 

 

* inne metody - różnica  dwóch  kolejnych przybliżeo |x

n

 - x

n-1

| lub |f(x

n

)| 

b) zbieżnośd 
 

*metoda siecznych -  nie zawsze zbieżna 

 

*Newtona - Warunkiem koniecznym zbieżności jest, aby f’(x) ≠0, a warunkiem 

wystarczającym, aby 

 

Metoda  ta  jest  szybciej  zbieżna  niż inne. 
 

*iteracji - Jeśli funkcja ϕ(x) jest różniczkowalna to metoda ta jest zbieżna, gdy 

spełniony jest warunek: |ϕ'(x)|<1. 
Jeśli funkcja ϕ(x) nie jest różniczkowalna to metoda ta jest zbieżna, gdy: 

 

 

c) inne 
 

*metoda Newtona i siecznych - ważny dobór punktu startowego 

 

*bisekcja wymaga przedziału 

 

*metoda Newtona i iteracji używana do rozwiązywania układów równao 

nieliniowych 
 
 

 

6. Kryteria stopu w poznanych metodach - ich wady i zalety 
 
a) bisekcji   
- Sprawdzamy b-a< ε jeśli warunek zachodzi to mamy rozwiązanie  
- błędne jest sprawdzanie warunek |f(c)|< ε bo może generowad błędy   
b) metoda siecznych, Newtona i iteracji prostych :  
- różnica dwóch  kolejnych przybliżeo |x

n

 - x

n-1

| lub |f(x

n

)| 

 

-> może generowad błędy dlatego wprowadza się modyfikacje.  

- |x

n

 - x

n-1

| ε - zapobiega zbyt szybkiemu przerwaniu iteracji  

- |x

n

 - x

n-1

| ≥ |x

n-1

 - x

n-2

| - spełnione -> dominowanie błędów zaokrągleo  

- Metoda Newtona szybciej zbieżna od innych 
 
 
7. Kwadratura Newtona-Cotesa i jej własności 
 
Założenia: 

i

= a+ h

i

h>0, i=0, 1,…, n, gdzie wyznaczone jest z zależności b-a=nh

 Funkcję f(x) przybliżamy wielomianem interpolacyjnym Lagrange’a opartym na węzłach x

i

. 

 

background image

 (x)dx= 

L(x)dx +r],                   gdzie r[f+ oznacza błąd metody  

 
Uzyskujemy :  

 (x)dx= 

 r

 
Jeśli p(x)=1  

 

 
*metoda trapezów - wielomian pierwszego stopnia 
 

A 0=

      A1=

 

 

 (x)dx= 

 

 
* metoda Simsona - wielomian drugiego stopnia 
 

A 0=

      A1=

    A 2 = 

 

 
 

 (x)dx= 

 

 
- Kwadratur wyższych rzędów nie muszą dawad dokładniejszych wyników.  
W oparciu o pochodną wysokiego rzędu możemy szacowad błędy. 
W praktyce stosuje się kwadratury złożone niższych rzędów, bo pozwalają zredukowad błąd 
kwadratury, który jest zależny od odległości pomiędzy kolejnymi węzłami.  
 
Cechy: 
- przedział *ab+ podzielony na podprzedziały 
-kwadratury niskich rzędów lepsze 
-przybliżenie całki to suma przybliżeo na podprzedziałach. 
 
- W przypadku kwadratur Newtona-Cotesa punkty, w których dana jest wartośd funkcji są 
zadane (na nich budowany jest wielomian interpolacyjny). 
- Kwadratura jest rzędu n, jeśli jest dokładna dla wszystkich wielomianów stopnia 
mniejszego od oraz istnieje wielomian stopnia n, dla którego nie jest dokładna. 
-Kwadratury Newtona-Cotesa oparte na n+1 są rzędu n+2 dla parzystych i rzędu n+1 dla 
nieparzystych. 
 
8. Metoda Romberga i jej własności 
 
Wykorzystuje ekstrapolacje Richardsona do eliminacji w błędzie kwadratury składników przy 
najwyższych potęgach w oparciu o wyniki dla niższych potęg  
Idea metody 
Dzielimy przedział *ab] na 

 

równych części. Niech 

background image

 

 

Wzór złożony trapezów : 

 

Błąd :  

 

 

Kwadratura 

 

 
-Ze zbieżności T

0,

wynika ze zbieżnośd T

m,0 

, który na większości przypadków zbiega szybciej. 

- Trudno wskazad, która kwadratura jest najlepsza. To będzie zależało od tego, co nas 
najbardziej interesuje(minimalizacja błędu, nakład obliczeo) 
 
 
9. Kwadratury Gaussa i ich własności 
 
 
 
10. Podobieostwa i różnice pomiędzy kwadraturami Newtona-Cotesa i Gaussa 
 
Podobieostwa  
 
- Mamy przedziały *a,b+ 
- Całki przybliżany z tego samego wzoru 

 f (x)dx= 

 

 
Różnice 
- W Newtonie-Cotesie są metody trapezów i Simsona w Gaussie np. kwadratura Gaussa-
Jacobiego/Czybyszewa 
- W Newtonie-Cotesie funkcje przybliżamy wielomianem interpolacyjnym Lagrange'a, a w 
Gaussie wielomianem ortogonalnym.  
- W N-C błąd zależny od odległości między kolejnymi węzłami w Gaussie błąd ze wzrostem 
liczby węzłów 
-  Różnica w stosunku do kwadratur Newtona-Cotesa polega na tym, że w Gaussie dobieramy  
współczynniki Ai, i węzły xi
- Różne rzędy kwadratur n+1 węzłów daje rząd n+2, a w Gaussie n+1 daje rząd 2n+1 
 
 
11. Kryteria wyboru kwadratury 
 
- Trudno wskazad, która kwadratura jest najlepsza. To będzie zależało od tego, co nas 
najbardziej interesuje (minimalizacja błędu, nakład obliczeo, itp.). 

background image

- Różnica w stosunku do kwadratur Newtona-Cotesa polega na tym, że w Gaussie dobieramy  
współczynniki A

i

, i węzły x

i

-  Funkcja p(x) - w zależności czy chcemy zminimalizowad błąd czy go zupełnie wyeliminowad / czy 
chcemy międ dużo do liczenia czy nie/  jak bardzo chcemy mied dokładny wynik. W zależności czy 
granice całkowania należą do przedziału czy nie.