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
rozwizanie 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 malejca, albo rosnca w całym przedziale).
a) metoda bisekcji (równego podziału)
Mamy dan funkcj f(x) oraz przedział <xp,xk> , 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 <xp,xk> . 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(xp) < 0 < f(xk) lub f(xp) > 0 > f(xk),
to istnieje taki punkt xo: xp < xo < xk,
e f(xo) = 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 xo 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.
Podstawy Informatyki 2 rok akad. 2003/2004 mgr in . Paweł Myszkowski 1
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
kracach zadanego przedziału poszukiwa pierwiastka <xp,xk> musi mie przeciwny
znak, czyli f(xp) x f(xk) < 0. Punkty wykresu odpowiadaj ce kracom przedziału
ł czymy sieczn , która przetnie o x w punkcie xo. Punkt ten jest kandydatem na
pierwiastek i obliczamy go wg wzoru:
Podstawy Informatyki 2 rok akad. 2003/2004 mgr in . Paweł Myszkowski 2
Obliczamy warto funkcji w punkcie xo i sprawdzamy, czy jej moduł wpada
w zało one otoczenie zera o promieniu ( epsilon):
Je li tak, to xo jest poszukiwanym przybli eniem pierwiastka funkcji i koczymy
obliczenia. W przeciwnym razie punkt xo dzieli przedział <xp,xk> na dwie cz ci:
<xp,xo> oraz <xo,xk> . Sprawdzamy, w której z tych cz ci znak warto ci funkcji na
kracach 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 xo 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 xo.
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 xp. Nast pnie znajdujemy prost styczn do wykresu funkcji w tym
Podstawy Informatyki 2 rok akad. 2003/2004 mgr in . Paweł Myszkowski 3
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 (xp) 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 xo,
upraszczamy odpowiednio i otrzymujemy:
Po znalezieniu punktu xo obliczamy warto funkcji f(xo) i sprawdzamy, czy
Je li tak, to xo jest poszukiwanym pierwiastkiem przybli onym funkcji f(x) i
koczymy wykonywanie algorytmu. W przeciwnym razie za nowy punkt xp
przyjmujemy obliczony punkt xo i powtarzamy obliczenia, a do uzyskania
pozytywnego wyniku.
Podstawy Informatyki 2 rok akad. 2003/2004 mgr in . Paweł Myszkowski 4