Метод Ньютона

Вопросы для самопроверки

Замечания

· Комбинированный метод наиболее трудоемок.

· Метод, как и метод Ньютона не всегда сходится (почему?).

· Комбинированный метод сходится быстрее всех ранее рассмотренных, (если он сходится).

 

 

· Какие точные методы решения нелинейных уравнений вы знаете?

· Для чего нужен первый этап - отделение корней?

· Сформулируйте условия существования решения уравнения. Являются ли эти требования необходимыми и достаточными?

· Что можно сказать о точности методов половинного деления, хорд, касательных и комбинированного? По каким параметрам их еще можно сравнить?

· В соответствии с известной теоремой на отрезке [a, b]существует решение. Всегда ли его можно найти методом половинного деления, методом хорд, и т.п.?

 

 

12. ПРИБЛИЖЕННОЕ РЕШЕНИЕ
СИСТЕМ НЕЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ

Рассмотрим нелинейную систему уравнений

 

(12.1)

 

с действительными левыми частями. Систему (5.1) можно представить в матричном виде

(12.2)

 

Здесь приняты следующие обозначения:

 

- вектор аргументов, а - вектор – функция.

 

Для решения системы (5.2) воспользуемся методом последовательных приближений. Предположим, что найдено р-ое приближение xp = (x1(p), x2(p) , ..., xn(p))одного из изолированных корней x = (x1, x2, x3, ..., xn) векторного уравнения (5.2). Тогда точный корень уравнения (5.2) можно представить в виде

(12.3)

где - поправка (погрешность) корня на n – ом шаге.

Подставив выражение (5.3) в (5.2), получим

 

(12.4)

 

Предположим, что функция f(x) - непрерывно дифференцируема в некоторой выпуклой области, содержащей x и x(p). Тогда левую часть уравнения (5.4) разложим в ряд Тейлора по степеням малого вектора ε(p), ограничиваясь линейными членами:

 

, (12.5)

 

или в развернутом виде:

 

(12.6)

Из анализа формул (5.5) и (5.6) следует, что под производной (x) следует понимать матрицу Якоби системы функций f1 , f2, ..., fn, относительно переменных x1, x2, x3, ..., xn, то есть:

 

. (12.7)

 

Выражение (5.7) в краткой записи можно представить:

 

(12.8)

 

Выражение (5.6) представляет собой линейную систему относительно поправок (i = 1, 2, ..., n) с матрицей W(x), поэтому формула (5.5) может быть записана в следующем виде:

 

(12.9)

 

Отсюда, предполагая, что матрица W(x(p)) - неособенная, получим:

 

(12.10)

 

Теперь, подставив выражение (12.10) в формулу (12.3), окончательно получим:

(12.11)

 

Таким образом, получили вычислительную формулу (метод Ньютона), где в качестве нулевого приближения x(0) можно взять приближенное (грубое) значение искомого корня.

 

Пример 12.1.Рассмотрим применение метода Ньютона на примере системы двух нелинейных уравнений

 

(12.12)

 

Прежде чем разбирать конкретные шаги по решению системы (12.12), распишем в общем виде якобиан для системы из двух уравнений

 

 

Здесь A, B, C, D – функционалы от переменных x1, x2. Нас фактически интересует W-1. Пусть матрица W- неособенная, тогда обратная матрица вычисляется

 

Теперь вернемся к системе (12.12). Графическое решение этой системы дает две точки пересечения: М1 (1.4; -1.5) и М2 (3.4; 2.2). Зададим начальное приближение:

 

 

 

Используя формулу (12.11), получим:

 

 

Аналогично получим: