ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 9
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Практическая работа 3
«Методы хорд и касательных»
Метод хорд.Теория
Для реализации данного метода, нужно построить исходную функцию y=F(x) и найти значения функции на концах отрезка F(a) и F(b). Затем провести хорду М1M2c концами в точках М1(a, F(a)) и M2(b, F(b)). Абсцисса точки пересечения хорды М1M2с осью OX это и есть приближенный корень x1. Далее найти точку M3(X1 ,F(x1 )), построить следующую хорду и найти второй приближенный корень x2. И так далее. В зависимости от поведения функции возможны два случая:
Рис. 1 | Рис. 2 |
Для первого случая (Рис. 1) справедлива следующая формула (8):
и справедливо неравенство: F(a)*F''(a)>0, где x0=b.
Для второго случая (Рис. 2) справедлива следующая формула (9):
и справедливо неравенство: F(b)*F''(b)>0, где x0=a.
Условия сходимости метода секущих аналогичны условиям сходимости метода Ньютона, т. е."[1]
.
Практическая часть:
Пусть дана задача следующего характера: Уточнить корни уравнения cos(2x)+x-5=0 методом хорд с точностью до 0,00001.
Для того чтобы уточнить корни уравнения cos(2x)+x-5=0 методом хорд, используя Excel, необходимо выполнить следующие действия:
-
Выбрать одну из двух предложенных формул для решения задачи, для этого:
Найти производную первого порядка от функции f(x)=cos(2x)+x-5. Она будет выглядеть следующим образом: f1(x)=-2sin(2x)+1.
Найти производную второго порядка от функции f(x)=cos(2x)+x-5. Она будет выглядеть следующим образом: f2(x)=-4cos(2x).
Заполнить ячейки следующим образом:
-
- В ячейку A1 ввести a. -
- В ячейку A2 ввести цифру 5. -
- В ячейку B1 ввести b. -
- В ячейку B2 ввести цифру 6. -
- В ячейку C1 ввести f(x)=cos(2x)+x-5. -
- В ячейку C2 ввести формулу =COS(2*A2)+A2-5. -
- В ячейку D1 ввести f1(x)=-2sin(2x)+1. -
- В ячейку E1 ввести f2(x)=-4cos(2x). -
- В ячейку E2 ввести формулу =-4*COS(2*A2). -
- В ячейку F1 ввести Выбор формулы. -
- В ячейку F2 ввести формулу =ЕСЛИ(C2*E2>0;"Воспользоваться формулой 8";"Воспользоваться формулой 9"). -
- В ячейку G1 ввести e. -
- В ячейку G2 ввести цифру 0,00001.
-
В итоге получается следующее:
-
Исходя из того, что выбрана формула 9, в Excel необходимо выполнить следующие действия:
-
В ячейку A4 ввести xn. -
В ячейку B4 ввести f(xn). -
В ячейку C4 ввести b-xn. -
В ячейку D4 ввести f(xn)*(b-xn). -
В ячейку E4 ввести f(b). -
В ячейку F4 ввести f(b)-f(xn). -
В ячейку G4 ввести xn-f(xn)*(b-xn)/f(b)-f(xn). -
В ячейку H4 ввести |f(xn)|<=e. -
В ячейку A5 ввести цифру 5. -
В ячейку B5 ввести формулу =COS(2*A5)+A5-5. -
В ячейку C5 ввести формулу =$B$2-A5. -
В ячейку D5 ввести формулу =B5*C5. -
В ячейку E5 ввести формулу =COS(2*$B$2)+$B$2-5. -
В ячейку F5 ввести формулу =$E$5-B5. -
В ячейку G5 ввести формулу =A5-(B5*C5/F5). -
В ячейку H5 ввести формулу =ЕСЛИ(ABS(B5)<=$G$2;A5;"-"). -
В ячейку A6 ввести формулу =G5. -
Выделить диапазон ячеек B5:D5 и скопировать его методом протягивания в диапазон ячеек B6:D6. -
Выделить диапазон ячеек F5:H5 и скопировать его методом протягивания в диапазон ячеек F6:H6. -
Выделить диапазон ячеек A6:H6 и скопировать его методом протягивания в диапазон ячеек ниже до получения результата в одной из ячеек столбца H (A6:H9).
В итоге получаем следующее:
Ответ: Корень уравнения cos(2x)+x-5=0 равен 5,32976.
Метод касательных (Ньютона).Теория
В отличие от метода хорд, в методе касательных вместо хорды на каждом шаге проводится касательная к кривой y=F(x) при x=xnи ищется точка пересечения касательной с осью абсцисс:
Формула для (n+1) приближения имеет вид:
Если F(a)*F"(a)>0, x0=a, в противном случае x0=b.
Итерационный процесс продолжается до тех пор, пока не будет обнаружено, что:
.
Практическая часть
Пусть дана задача следующего характера: Уточнить корни уравнения cos(2x)+x-5=0 методом касательных с точностью до 0,00001.
Для решения такой задачи, используя Excel, необходимо выполнить следующие действия:
Изначально необходимо определиться с тем, чему равно x0: либо a, либо b. Для этого необходимо выполнить следующие действия:
Найти производную первого порядка от функции f(x)=cos(2x)+x-5. Она будет выглядеть следующим образом: f1(x)=-2sin(2x)+1.
Найти производную второго порядка от функции f(x)=cos(2x)+x-5. Она будет выглядеть следующим образом: f2(x)=-4cos(2x).
Заполнить ячейки следующим образом (обратить внимание на названия и номера столбцов при заполнении - они должны быть такими же, как на рисунке):
В итоге получается следующее:
Так как x0=b, то необходимо выполнить следующие действия:
Заполнить ячейки следующим образом (обратить внимание на названия и номера столбцов при заполнении - они должны быть такими же, как на рисунке):
В ячейку A6 ввести формулу =D5.
Выделить диапазон ячеек B5:E5 и методом протягивания заполнить диапазон ячеек B6:E6.
Выделить диапазон ячеек A6:E5 и методом протягивания заполнить диапазон нижерасположенных ячеек до получения в одной из ячеек столбца E результата (диапазон ячеек A6:E9).
В итоге получаем следующее:
Ответ: Корень уравнения cos(2x)+x-5=0 равен 5,32976.
Комбинированный метод хорд и касательных.Теория
Для того чтобы достичь наиболее точной погрешности, нужно одновременно использовать методы хорд и касательных. "По формуле хорд находят xn+1 , а по формуле касательных - zn+1 . Процесс нахождения приближенного корня прекращается, как только:
В качестве приближенного корня берут значение, равное (11):"[2]
Практическая часть:
Пусть требуется уточнить корни уравнения cos(2x)+x-5=0 комбинированным методом с точностью до 0,00001.
Для решения такой задачи, используя Excel, необходимо выполнить следующие действия:
-
Так как в комбинированном методе необходимо использовать одну из формул хорд и формулу касательных, то для упрощения следует ввести следующие обозначения:
-
Для формул хорд обозначить:
- xn как mn.
- Переменная c будет играть роль a или b в зависимости от ситуации.
- Остальные обозначения аналогичны приведенным в формулах хорд, только учитывая выше введенные переменные.
-
Для формулы касательных обозначить:
- xn как nn.
- Остальные обозначения аналогичны приведенным в формуле касательных, только учитывая выше введенные переменные.
-
Найти производную первого порядка от функции f(x)=cos(2x)+x-5. Она будет выглядеть следующим образом: f1(x)=-2sin(2x)+1. -
Найти производную второго порядка от функции f(x)=cos(2x)+x-5. Она будет выглядеть следующим образом: f2(x)=-4cos(2x). -
Заполнить ячейки следующим образом (обратить внимание на названия и номера столбцов при заполнении - они должны быть такими же, как на рисунке):
-
В итоге получается следующее:
-
В ячейку G1 ввести e, а в G2 ввести число 0,00001. -
В ячейку H1 ввести c, а в H2 ввести число 6, так как c=b (см. ячейку F2). -
В ячейку I1 ввести f(c), а в I2 ввести формулу =COS(2*H2)+H2-5. -
Заполнить ячейки последовательно следующим образом (обратить внимание на названия и номера столбцов при заполнении - они должны быть такими же, как на рисунке):
-
В ячейку A6 ввести формулу =E5. -
В ячейку F6 ввести формулу =I5. -
Выделить диапазон ячеек B5:E5 и маркером автозаполнения заполнить диапазон ячеек B6:E6. -
Выделить диапазон ячеек G5:K5 и маркером автозаполнения заполнить диапазон ячеек G6:K6. -
Выделить диапазон ячеек A6:K6 и методом протягивания заполнить все нижестоящие ячейки до получения ответа в одной из ячеек столбца K (диапазон ячеек A6:K9).
В итоге получаем следующее:
Ответ: Корень уравнения cos(2x)+x-5=0 равен 5,32976.