METODA PŮLENÍ INTERVALU (METODA BISEKCE) METODA PROSTÉ ITERACE NEWTONOVA METODA

Podobné dokumenty
Numerická matematika 1

Hledání kořenů rovnic jedné reálné proměnné metoda sečen Michal Čihák 23. října 2012

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

metoda Regula Falsi 23. října 2012

Numerické řešení nelineárních rovnic

Důvodů proč se zabývat numerickou matematikou je více. Ze základní školy si odnášíme znalost, že číslo

DRN: Kořeny funkce numericky

Newtonova metoda. 23. října 2012

Numerické řešení nelineárních rovnic

Libovolnou z probraných metod najděte s přesností na 3 desetinná místa kladný kořen rovnice. sin x + x 2 2 = 0.

Numerické metody a programování. Lekce 7

A 9. Počítejte v radiánech, ne ve stupních!

Nelineární rovnice. Numerické metody 6. května FJFI ČVUT v Praze

Numerické řešení rovnice f(x) = 0

Typy příkladů na písemnou část zkoušky 2NU a vzorová řešení (doc. Martišek 2017)

Přednáška 11, 12. prosince Část 5: derivace funkce

Řešení nelineárních rovnic

Semestrální písemka BMA3 - termín varianta A13 vzorové řešení

- funkce, které integrujete aproximujte jejich Taylorovými řadami a ty následně zintegrujte. V obou případech vyzkoušejte Taylorovy řady

Numerické řešení nelineárních rovnic

Numerické řešení diferenciálních rovnic

Dělení. Demonstrační cvičení 8 INP

Hledání kořenů rovnic jedné reálné proměnné metoda půlení intervalů Michal Čihák 23. října 2012

MATLAB a numerické metody

Soustavy nelineárních rovnic pomocí systému Maple. Newtonova metoda.

0 0 a 2,n. JACOBIOVA ITERAČNÍ METODA. Ax = b (D + L + U)x = b Dx = (L + U)x + b x = D 1 (L + U)x + D 1 b. (i) + T J

7.1 Extrémy a monotonie

f(c) = 0. cn pro f(c n ) > 0 b n pro f(c n ) < 0

s velmi malými čísly nevýhodou velký počet operací, proto je mnohdy postačující částečný výběr

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

3. Přednáška: Line search

Algebraické rovnice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Ohraničenost kořenů a jejich. Aproximace kořenů metodou půlení intervalu.

Numerické metody řešení nelineárních rovnic

Diferenciální počet funkcí jedné proměnné

Moderní numerické metody

4. Určete definiční obor elementární funkce g, jestliže g je definována předpisem

Příklad 1 ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 6

Numerické metody I. Jaro Normy vektorů a matic 1. 2 Nelineární rovnice Metoda bisekce (půlení intervalu) Iterační metody...

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Numerické metody jednorozměrné minimalizace

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Numerická matematika Písemky

INTERPOLAČNÍ POLYNOM. F (x)... hledaná funkce (polynom nebo funkce vytvořená z polynomů), pro kterou platí

Funkce jedné reálné proměnné. lineární kvadratická racionální exponenciální logaritmická s absolutní hodnotou

Funkce. Limita a spojitost

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

Numerické metody 6. května FJFI ČVUT v Praze

Matematika pro informatiku 4

1 Množiny, výroky a číselné obory

Matematika I (KX001) Užití derivace v geometrii, ve fyzice 3. října f (x 0 ) (x x 0) Je-li f (x 0 ) = 0, tečna: x = 3, normála: y = 0

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

Matematika 3. Sbírka příkladů z numerických metod. RNDr. Michal Novák, Ph.D. ÚSTAV MATEMATIKY

22. & 23. & 24. Vlastnosti funkcí a jejich limita a derivace

Kapitola 4: Průběh funkce 1/11

INTERPOLAČNÍ POLYNOM.... hledaná funkce (polynom nebo funkce vytvořená z polynomů), pro kterou platí

Funkce. RNDR. Yvetta Bartáková. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou

Diferenciální počet funkcí jedné proměnné

Numerická matematika Banka řešených příkladů

y = 2x2 + 10xy + 5. (a) = 7. y Úloha 2.: Určete rovnici tečné roviny a normály ke grafu funkce f = f(x, y) v bodě (a, f(a)). f(x, y) = x, a = (1, 1).

Derivace úvod. Jak zjistit míru změny?

IX. Vyšetřování průběhu funkce

Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

Numerické metody. Ústav matematiky. 23. ledna 2006

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

Funkce jedn e re aln e promˇ enn e Derivace Pˇredn aˇska ˇr ıjna 2015

Kapitola 4: Průběh funkce 1/11

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Břetislav Fajmon, UMAT FEKT, VUT Brno. Poznámka 1.1. A) první část hodiny (cca 50 minut): představení všech tří metod při řešení jednoho příkladu.

Zimní semestr akademického roku 2015/ ledna 2016

ODR metody Runge-Kutta

MASARYKOVA UNIVERZITA V BRNĚ NELINEÁRNÍCH ROVNIC

Průběh funkce 1. Průběh funkce. Při vyšetření grafu funkce budeme postupovat podle následujícího algoritmu:

Základy matematické analýzy

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Metody pro výpočet kořenů polynomů

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Funkce s absolutní hodnotou, funkce exponenciální a funkce logaritmická

18 Fourierovy řady Úvod, základní pojmy

Numerické metody a statistika

Základy matematiky pro FEK

ŘEŠENÍ NELINEÁRNÍCH ROVNIC

Test M1-ZS12-2 M1-ZS12-2/1. Příklad 1 Najděte tečnu grafu funkce f x 2 x 6 3 x 2, která je kolmá na přímku p :2x y 3 0.

ŘEŠENÍ NELINEÁRNÍCH ROVNIC

Exponenciální a logaritmická funkce

A NUMERICKÉ METODY. Matice derivací: ( ) ( ) Volím x 0 = 0, y 0 = -2.

Použití derivací L HOSPITALOVO PRAVIDLO POČÍTÁNÍ LIMIT. Monotónie. Konvexita. V této části budou uvedena některá použití derivací.

MATEMATIKA. Příklady pro 1. ročník bakalářského studia. II. část Diferenciální počet. II.1. Posloupnosti reálných čísel

K OZA SE PASE NA POLOVINĚ ZAHRADY Zadání úlohy

Lineární funkce, rovnice a nerovnice

Otázky k ústní zkoušce, přehled témat A. Číselné řady

Radiologická fyzika základy diferenciálního počtu derivace a tečny, integrály a plochy diferenciální rovnice

FUNKCE, ZÁKLADNÍ POJMY - CVIČENÍ

Spojitost funkce. Spojitost je nejdůležitější obecná vlastnost funkcí. Umožňuje aproximace různých řešení.

Zlín, 23. října 2011

Hledání extrémů funkcí

Numerické řešení diferenciálních rovnic

Hledání minima funkce jedné proměnné

Derivace funkce Otázky

i=1 Přímka a úsečka. Body, které leží na přímce procházející body a a b můžeme zapsat pomocí parametrické rovnice

PRIMITIVNÍ FUNKCE. Primitivní funkce primitivní funkce. geometrický popis integrály 1 integrály 2 spojité funkce konstrukce prim.

Transkript:

2-3. Metoda bisekce, met. prosté iterace, Newtonova metoda pro řešení f(x) = 0. Kateřina Konečná/ 1 ITERAČNÍ METODY ŘEŠENÍ NELINEÁRNÍCH ROVNIC - řešení nelineární rovnice f(x) = 0, - separace kořenů = hledání intervalu a, b, ve kterém se nachází právě jeden kořen, - předpoklady: f spojitá na intervalu a, b + musí být splněna podmínka f(a) f(b) < 0 METODA PŮLENÍ INTERVALU (METODA BISEKCE) - v každém kroku konstrukce intervalu a 0, b 0 a 1, b 1 a n, b n, - střed intervalu: s i = 1 2 (a i + b i ), i = 0, 1,..., n - odhad chyby: - odhad počtu kroků: d i = 1 2 (b i a i ), i = 0, 1,..., n b 0 a 0 2 i+1 < ε - f(a i ) f(s i ) < 0 a i+1 = a i, b i+1 = s i f(s i ) f(b i ) < 0 a i+1 = s i, b i+1 = b i - STOP podmínky: d i < ε METODA PROSTÉ ITERACE - f(x) = 0 x = g(x) - ekvivalence úlohy: hledání kořene rovnice f(x) = 0 odpovídá hledání pevného bodu funkce g(x) - podmínky: 1. g(x) C(I) 2. zobrazení do sebe: g : I I 3. g (x) < 1 x I - konstrukce: x i+1 = g(x i ), i = 0, 1,... - geometrický význam: řešit rovnici x = g(x) znamená hledat průsečík přímky y = x s křivkou y = g(x) - STOP podmínky: x i+1 x i < ε - f(x) = 0 x = g(x) - konstrukce: NEWTONOVA METODA x i+1 = x i f(x i) f (x i ), f (x i ) 0, i = 0, 1,... - geometrický význam: bod x i+1 je průsečík tečny ke grafu funkce f(x) v bodě [x i, f(x i )] s osou x - Fourierovy podmínky = podmínky konvergence: 1. f(x) C 2 (I) 2. f (x), f (x) nemění znaménko na I 3. volba počáteční aproximace: x 0 tak, aby f(x 0 ) f (x 0 ) > 0 - STOP podmínky: x i+1 x i < ε

2-3. Metoda bisekce, met. prosté iterace, Newtonova metoda pro řešení f(x) = 0. Kateřina Konečná/ 2 Příklad 1. Najděte všechny kořeny rovnice x + e x 2 = 0 s přesností 0.01 a) metodou bisekce, b) metodou prosté iterace, c) Newtonovou metodou. Řešení. hrubý odhad intervalu, určení počátečních aproximací: x + e x 2 = 0 0 2 4 6 8 10 12 ξ 1 ξ 2 f(x) = x + e x 2 interval pro odhad záporného kořene: f( 2) = f( 1) = ξ 1 2, 1 } f( 2) f( 1) < 0 interval pro odhad kladného kořene: f(0) = f(2) = ξ 2 0, 2 } f(0) f(2) < 0 2 1 0 1 2 a) metoda bisekce: s i = 1 2 (a i + b i ) d i = 1 2 (b i a i ) STOP kritérium: d i < ε odhad záporného kořene: odhad počtu kroků: b 0 a 0 2 i+1 < ε odhad záporného kořene: tabulka hodnot: i a i b i s i d i f(a i ) f(b i ) f(s i ) 0 1 2 3 4-1.1875-1.125-1.1563 0.0313 0.0914-0.0448 0.0217 5-1.1563-1.125-1.1406 0.0156 0.0217-0.0448-0.0119 6-1.1563-1.1406-1.1484 0.0078 < 0.01 0.0217-0.0119 0.0048 ˆx 1 = 1.1484 ± 0.0078

2-3. Metoda bisekce, met. prosté iterace, Newtonova metoda pro řešení f(x) = 0. Kateřina Konečná/ 3 odhad kladného kořene: odhad počtu kroků: b 0 a 0 2 i+1 < ε 2 < 0.01 2i+1 2 0.01 < 2i+1 200 < 2 i+1 log 2 200 < i + 1 i > 7.6439 1 i = 7 odhad kladného kořene: tabulka hodnot: i a i b i s i d i f(a i ) f(b i ) f(s i ) 0 0 2 1 1-1 0.1353-0.6321 1 1 2 1.5 0.5-0.6321 0.1353-0.2769 2 1.5 2 1.75 0.25-0.2769 0.1353-0.0762 3 1.75 2 1.875 0.125-0.0762 0.1353 0.0284 4 1.75 1.875 1.8125 0.0625-0.0762 0.0284-0.0243 5 1.8125 1.875 1.8438 0.0313-0.0243 0.0284 0.0020 6 1.8125 1.8438 1.8281 0.0156-0.0243 0.0020-0.0112 7 1.8281 1.8438 1.8359 0.0078 < 0.01-0.0112 0.0020-0.0046 ˆx 2 = 1.8359 ± 0.0078 b) metoda prosté iterace: x i+1 = g(x i ), i = 0, 1,... STOP kritérium: x i+1 x i < ε odhad záporného kořene: volba iterační funkce: 1. x + e x 2 = 0 g(x) = x =, podmínky:

2-3. Metoda bisekce, met. prosté iterace, Newtonova metoda pro řešení f(x) = 0. Kateřina Konečná/ 4 2. x + e x 2 = 0 g(x) = x =, podmínky: 0 1 2 3-1.1693-1.1535 0.0158 4-1.1535-1.1485 0.0050 < 0.01 odhad záporného kořene: ˆx 1 = 1.1485 ± 0.0050 Pozn. Tabulka hodnot pro jinou volbu počáteční aproximace: 0-1 -1.0986 0.0986 1-1.0986-1.1310 0.0323 2-1.1310-1.1413 0.0104 3-1.1413-1.1446 0.0033 < 0.01 odhad záporného kořene: ˆx 1 = 1.1446 ± 0.0033

2-3. Metoda bisekce, met. prosté iterace, Newtonova metoda pro řešení f(x) = 0. Kateřina Konečná/ 5 odhad kladného kořene: volba iterační funkce: x + e x 2 = 0 g(x) = x = 2 e x, podmínky: 1. g(x) C 0, 2 2. g(0) = 1 0, 2 g(2) = 1.8647 0, 2 extrém? g (x) = e x... nemá extrém na 0, 2 3. g (0) = 1 posunout levý krajní bod intervalu do 0.1 nový interval 0.1, 2 + dodatečné ověření podmínek: g(0.1) = 1.0952 0.1, 2, g (0.1) = 0.9048 < 1 g (2) = 0.1353 < 1 extrém? g (x) = e x... nemá extrém na 0.1, 2 odhad kladného kořene: 0 0.1 1.0952 0.9952 1 1.0952 1.6655 0.5704 2 1.6655 1.8109 0.1454 3 1.8109 1.8365 0.0256 4 1.8365 1.8406 0.0041 < 0.01 ˆx 2 = 1.8406 ± 0.0041 Pozn. Tabulka hodnot pro jinou volbu počáteční aproximace: 0 2 1.8647 0.1353 1 1.8647 1.8451 0.0196 2 1.8451 1.8420 0.0031 < 0.01 odhad kladného kořene: ˆx 2 = 1.8420 ± 0.0031

2-3. Metoda bisekce, met. prosté iterace, Newtonova metoda pro řešení f(x) = 0. Kateřina Konečná/ 6 c) Newtonova metoda x i+1 = x i f(x i) f, i = 0, 1,... (x i ) STOP kritérium: x i+1 x i < ε odhad záporného kořene: Fourierovy podmínky:

2-3. Metoda bisekce, met. prosté iterace, Newtonova metoda pro řešení f(x) = 0. Kateřina Konečná/ 7 iterační proces: i x i x i+1 x i+1 x i 0 1 0.2622 2-1.2073-1.1488 0.0585 3-1.1488-1.1462 0.0026 < 0.01 odhad záporného kořene: ˆx 1 = 1.1462 ± 0.0026 odhad kladného kořene Fourierovy podmínky: 1. f(x) = x + e x 2 C ( 0, 2 ) f (x) = x C ( 0, 2 ) f (x) = e x C ( 0, 2 ) 2. f (0) = 0 f (2) = 0.8647 extrém? f (x) = e x nemá extrém na 0, 2 f (0) = 1 f (2) = 0.1353 extrém? f (x) = e x nemá extrém na 0, 2 3. volba počáteční aproximace x 0 : f(0) = 1 f(2) = 0.1353 f(2) f (2) > 0 x 0 = 2 iterační proces: 0 2 1.8435 0.1565 1 1.8435 1.8414 0.0021 < 0.01 odhad kladného kořene: ˆx 2 = 1.8414 ± 0.0021

2-3. Metoda bisekce, met. prosté iterace, Newtonova metoda pro řešení f(x) = 0. Kateřina Konečná/ 8 Řešený příklad z praxe. Parašutista padá z klidového stavu. Jeho rychlost v je dána v závislosti na čase rovnicí v(t) = c ( c m t), kde g = 9.8 m s 2 a c = 13 kg s 1. Předpokládejme, že parašutista váží m = 95 kg. Odhadněte dobu, po které parašutista dosáhne rychlosti 35 m s 1 a) analyticky, b) metodou bisekce (s přesností ε < 10 3 ), c) metodou prosté iterace (s přesností ε < 10 3 ), d) Newtonovou metodou (s přesností ε < 10 3 ). Zdroj: [1] Řešení. a) analytické řešení: Řešíme nelineární rovnici f(t) = 0, kde f(t) = c ( c m t) v: v = ( c t) m c cv = c m t e c m t = 1 cv c ( m t = ln 1 cv ) t = m ( c ln 1 cv ) t. = 4.9023 s f(t) 30 20 10 0 10 20 30 ^f(t) + ξ 0 10 20 30 40 50 t > t b) metoda bisekce: např. I = 3, 6 i a i b i s i d i f(a i ) f(b i ) f(s i ) 0 3.0000 6.0000 4.5000 1.5000-10.8872 5.1069-2.0723 1 4.5000 6.0000 5.2500 0.7500-2.0723 5.1069 1.7014 2 4.5000 5.2500 4.8750 0.3750-2.0723 1.7014-0.1371 3 4.8750 5.2500 5.0625 0.1875-0.1371 1.7014 0.7939 4 4.8750 5.0625 4.9688 0.0938-0.1371 0.7939 0.3314 5 4.8750 4.9688 4.9219 0.0469-0.1371 0.3314 0.0979 6 4.8750 4.9219 4.8984 0.0234-0.1371 0.0979-0.0194 7 4.8984 4.9219 4.9102 0.0117-0.0194 0.0979 0.0393 8 4.8984 4.9102 4.9043 0.0059-0.0194 0.0393 0.0100 9 4.8984 4.9043 4.9014 0.0029-0.0194 0.0100-0.0047 10 4.9014 4.9043 4.9028 0.0015-0.0047 0.0100 0.0027 11 4.9014 4.9028 4.9021 0.0007 < ε -0.0047 0.0027-0.0010 odhad kořene: ˆt = 4.9021 ± 0.0007

2-3. Metoda bisekce, met. prosté iterace, Newtonova metoda pro řešení f(x) = 0. Kateřina Konečná/ 9 c) metoda prosté iterace: Volba iterační funkce: g(t) = Ověření podmínek: 1. g(t) C ( 3, 6 ) cv te c m t, I = 3, 6 2. g(3). = 3.8920 3, 6 g(6). = 5.1632 3, 6 Má funkce g(t) na intervalu 3, 6 extrém? jedná se o zobrazení do sebe 3. g (3). = 0.7647 < 1 g (6). = 0.1540 < 1 Má funkce g (t) na intervalu 3, 6 extrém? Výpočet: platí g (t) < 1 t 3, 6 g (t) = může nastat pouze 2. situace: 1 c m t = 0 t = m c g (t) = cv ( e c m t c m ( cv e c m t 1 c ) m t = 0 e c m t = 0 1 c m t = 0. = 7.3077 / 3, 6 (1 c ) m t + e c m t c m cv c m může nastat pouze 1. situace: 2 c m t = 0 t = 2m c i t i t i+1 = g(t i ) t i+1 t i 0 3.0000 3.8920 0.8920 1 3.8920 4.4691 0.5770 2 4.4691 4.7420 0.2730 3 4.7420 4.8472 0.1052 4 4.8472 4.8839 0.0367 5 4.8839 4.8962 0.0123 6 4.8962 4.9003 0.0041 7 4.9003 4.9016 0.0013 8 4.9016 4.9021 0.0004 < 0.01 ) = 0 (2 c m t ) e c m t = 0 2 c m t = 0 e c m t = 0. = 14.6154 / 3, 6 odhad kořene: ˆt = 4.9021 ± 0.0004

2-3. Metoda bisekce, met. prosté iterace, Newtonova metoda pro řešení f(x) = 0. Kateřina Konečná/ 10 d) Newtonova metoda: Vycházíme z rovnice a řešíme f(t) = 0, kde Volíme interval I = 3, 6. Ověření Fourierových podmínek: v = c f(t) = c ( c m t) ( c m t) v. 1. f(t) = ( c t) m v C ( 3, 6 ) c f (t) = ( e c t) m c c m =... = ge c m t C ( 3, 6 ) f (t) = cg m e c m t C ( 3, 6 ) 2. f (3) = 6.5004 f (6) = 4.3117 extrém? exponenciála monotonní funkce nemá extrém na I f (3) = 0.8895 f (6) = 0.5900 extrém? exponenciála monotonní funkce nemá extrém na I 3. volba počáteční aproximace x 0 : f(3) = 10.8872 f(6) = 5.1069 f(3) f (3) > 0 x 0 = 3 iterační proces: 0 3.0000 4.6749 1.6749 1 4.6749 4.8988 0.2239 2 4.8988 4.9023 0.0035 3 4.9023 4.9023 0.00000084 < 0.001 odhad kořene: ˆt = 4.9023 ± 0.0000 [1] http://www.shapesticker.eu/samolepka-parasutista-d49.htm?tab=description [verze: 4. X. 2017]