Bài giảng Phương pháp tính - Chương 2: Giải gần đúng phương trình đại số và siêu việt
CHƯƠNG 2: GIẢI GẦN ĐÚNG PHƯƠNG TRÌNH
ĐẠI SỐ VÀ SIÊU VIỆT
§1. KHÁI NIỆM CHUNG
Nếu phương trình đại số hay siêu việt khá phức tạp thì ít khi tìm được nghiệm đúng. Bởi vậy việc
tìm nghiệm gần đúng và ước lượng sai số là rất cần thiết.
Ta xét phương trình :
f(x) = 0
(1)
với f(x) là hàm cho trước của biến x. Chúng ta cần tìm giá trị gần đúng của nghiệm của phương trình này.
Quá trình giải thường chia làm hai bước: bước sơ bộ và bước kiện toàn nghiệm.
Bước giải sơ bộ có 3 nhiệm vụ: vây nghiệm, tách nghiệm và thu hẹp khoảng chứa nghiệm.
Vây nghiệm là tìm xem các nghiệm của phương trình có thể nằm trên những đoạn nào của trục x.
Tách nghiệm là tìm các khoảng chứa nghiệm soa cho trong mỗi khoảng chỉ có đúng một nghiệm. Thu hẹp
khoảng chứa nghiệm là làm cho khoảng chứa nghiệm càng nhỏ càng tốt. Sau bước sơ bộ ta có khoảng chứa
nghiệm đủ nhỏ.
Bước kiện toàn nghiệm tìm các nghiệm gần đúng theo yêu cầu đặt ra.
Có rất nhiều phương pháp xác định nghiệm của (1). Sau đây chúng ta xét từng phương pháp.
§2.PHƯƠNG PHÁP LẶP ĐƠN
Giả sử phương trình (1) được đưa về dạng tương đương :
x = g(x)
2)
từ giá trị xo nào đó gọi là giá trị lặp đầu tiên ta lập dãy xấp xỉ bằng công thức:
xn = g(x+-1)
với n = 1,2,....
Hàm g(x) được gọi là hàm lặp. Nếu dãy xn khi n thì ta nói phép lặp (3) hội tụ.
(3)
x1
xo
xo x1
Ta có định lí: Xét phương pháp lặp (3), giả sử :
- [a,b] là khoảng phân li nghiệm của phương trình (1) tức là của (2)
- mọi xn tính theo (3) đều thuộc [a, b]
- g(x) có đạo hàm thoả mãn :
g (x) q 1 ,a x b
(4)
trong đó q là một hằng số thì phương pháp lặp (3) hội tụ
Ta có thể minh hoạ phép lặp trên bằng hình vẽ trên.
Cách đưa phương trình f(x) = 0 về dạng x = g(x) được thực hiện như sau: ta thấy f(x) = 0 có thể biến
đổi thành x = x + f(x) với 0. Sau đó đặt x+f(x) = g(x) sao cho điều kiện (4) được thoả mãn.
Ví dụ: xét phương trình
x3 + x - 1000 = 0
Sau bước giải sơ bộ ta có nghiệm x1 ( 9,10 )
Nếu đưa phương trình về dạng:
x = 1000 - x3 = g(x)
thì dễ thấy | g'(x) | > 1 trong khoảng ( 9, 10 ) nên không thoả mãn điều kiện (4)
Chúng ta đưa phương trình về dạng
x 3 1000 x
13
thì ta thấy điều kiện (4) được thoả mãn.Xây dựng dãy xấp xỉ
3
n1 1000x
x
n
với xo chọn bất kì trong ( 9, 10 )
Trên cơ sở phương pháp này chúng ta có các chương trình tính toán sau:
Chương trình giải phương trình exp((1/3)*ln(1000-x)) với số lần lặp cho trước
Chương trình 2-1
//lap don
#include <conio.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
void main()
{
int i,n;
float x,x0;
float f(float);
clrscr();
printf("Cho so lan lap n = ");
scanf("%d",&n);
printf("Cho gia tri ban dau cua nghiem x0 = ");
scanf("%f",&x0);
x=x0;
for (i=1;i<=n;i++)
x=f(x);
printf("Nghiem cua phuong trinh la :%.4f",x);
getch();
}
float f(float x)
{
float a=exp((1./3.)*log(1000-x));
return(a);
}
và chương trình giải bài toán bằng phương pháp lặp với sai số cho trước
Chương trình 2-2
//lap don
#include <conio.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
void main()
{
int i;
float epsi,x,x0,y;
float f(float);
clrscr();
printf("Cho sai so epsilon = ");
scanf("%f",&epsi);
printf("Cho gia tri ban dau cua nghiem x0 = ");
scanf("%f",&x0);
14
x=x0;
y=f(x);
if (abs(y-x)>epsi)
{
x=y;
y=f(x);
}
printf("Nghiem cua phuong trinh la %.6f",y);
getch();
}
float f(float x)
{
float a=exp((1./3.)*log(1000-x));
return(a);
}
Cho giá trị đầu xo = 1.Kết quả tính toán x = 9.966555
§3.PHƯƠNG PHÁP CHIA ĐÔI CUNG
Giả sử cho phương trình f(x) = 0 với f(x) liên tục
trên đoạn [a, b] và f(a).f(b) < 0. Chia đoạn [a, b] thành 2
phần bởi chính điểm chia (a + b)/2.
y
1. Nếu f((a+b)/2) = 0 thì = (a+b)/2
2. Nếu f((a + b)/2) 0 thì chọn [a,(a+b)/2] hay [(a +
b)/2, b] mà giá trị hàm hai đầu trái dấu và kí hiệu là
[a1,b1].Đối với [a1, b1] ta lại tiến hành như [a, b]
Cách làm trên được mô tả trong chương trình sau
dùng để tìm nghiệm của phương trình:
x4 + 2x3 - x - 1 = 0
b
a
b1
x
trên đoạn [0, 1]
Chương trình 2-3
//chia doi cung
#include <conio.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#define epsi 0.00001
void main()
{
float x0,x1,x2;
float y0,y1,y2;
float f(float);
int maxlap,demlap;
clrscr();
printf("Tim nghiem cua phuong trinh phi tuyen");
printf("\nbang cach chia doi cung\n");
printf("Cho cac gia tri x0,x1,maxlap\n");
printf("Cho gia tri x0 = ");
scanf("%f",&x0);
printf("Cho gia tri x1 = ");
scanf("%f",&x1);
printf("Cho so lan lap maxlap = ");
15
scanf("%d",&maxlap);
y0=f(x0);
y1=f(x1);
if ((y0*y1)>0)
{
printf("Nghiem khong nam trong doan x0 - x1\n");
printf(" x0 = %.2f\n",x0);
printf(" x1 = %.2f\n",x1);
printf(" f(x0) = %.2f\n",y0);
printf(" f(x1) = %.2f\n",y1);
}
demlap=0;
do
{
x2=(x0+x1)/2;
y2=f(x2);
y0=f(x0);
if (y0*y2>0)
x0=x2;
else
x1=x2;
demlap=demlap+1;
}
while(((abs((y2-y0))>epsi)||(demlap<maxlap)));
if (demlap>maxlap)
{
printf("Phep lap khong hoi tu sau %d lan lap ",maxlap);
printf(" x0 = %.2f\n",x0);
printf(" x1 = %.2f\n",x1);
printf(" f(x2) = %.2f\n",y2);
}
else
{
printf("Phep lap hoi tu sau %d lan lap\n",demlap);
printf("Nghiem x = %.2f",x2);
}
getch();
}
float f(float x)
{
float a=x*x*x*x+2*x*x*x-x-1 ;
return(a);
}
Kết quả tính cho nghiệm: x = 0.87
§4. PHƯƠNG PHÁP DÂY CUNG
Giả sử f(x) liên tục trên trên đoạn [a, b] và f(a).f(b) < 0. Cần tìm nghiệm của f(x) = 0. Để xác định ta
xem f(a) < 0 và f(b) > 0. Khi đó thay vì chia đôi đoạn [a, b] ta chia [a, b] theo tỉ lệ -f(a)/f(b). Điều đó cho ta
nghiệm gần đúng :
x1 = a + h1
Trong đó
f(a)
f(a)f(b)
1
h
(ba)
16
Tiếp theo dùng cách đó với đoạn [ a, x1] hay [x1, b] mà hai đầu hàm nhận giá trị trái dấu ta được
nghiệm gần đúng x2 v.v.
Về mặt hình học, phương pháp này có nghĩa là kẻ dây cung của đường cong f(x) qua hai điểm A[a, f(a)] và
B[b, f(b)]. Thật vậy phương trình dây cung AB có dạng:
y f(a)
b a f(b) f(a)
Cho x = x1 y = 0 ta có
x a
f(a)
f(b) f(a)
x1 a
(b a)
a
x1 b
Trên cơ sở của phương pháp ta có chương trình tính
nghiệm của phương trình
x4 + 2x3 - x - 1 = 0
trên đoạn [0,1]
Chương trình 2-4
//phuong phap day cung
#include <conio.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#define epsi 0.00001
void main()
{
float a,b,fa,fb,dx,x;
float f(float);
clrscr();
printf("Tim nghiem cua phuong trinh phi tuyen\n");
printf("bang phuong phap day cung\n");
printf("Cho cac gia tri a,b\n");
printf("Cho gia tri cua a = ");
scanf("%f",&a);
printf("Cho gia tri cua b = ");
scanf("%f",&b);
fa=f(a);
fb=f(b);
dx=fa*(b-a)/(fa-fb);
while (fabs(dx)>epsi)
{
x=a+dx;
fa=f(x);
if((fa*fb)<=0)
a=x;
else
b=x;
fa=f(a);
fb=f(b);
dx=fa*(b-a)/(fa-fb);
}
printf("Nghiem x = %.3f",x);
getch();
}
17
float f(float x)
{
float e=x*x*x*x+2*x*x*x-x-1;
return(e);
}
Kết quả tính cho nghiệm: x = 0.876
§5. PHƯƠNG PHÁP LẶP NEWTON
Phương pháp lặp Newton (còn gọi là phương pháp tiếp tuyến) được dùng nhiều vì nó hội tụ
nhanh. Giả sử f(x) có nghiệm là đã được tách trên đoạn [a,
b] đồng thời f'(x) và f"(x) liên tục và giữ nguyên dấu trên
đoạn [a, b]. Khi đã tìm được xấp xỉ nào đó xn [a, b] ta có
thể kiện toàn nó theo phương pháp Newton. Từ mút B ta vẽ
tiếp tuyến với đường cong. Phương trình đường tiếp tuyến
là
y f(x0 ) f (b)(x x0 )
Tiếp tuyến này cắt trục hoành tại điểm có y = 0, nghĩa là:
a
f(x0 ) f (b)(x1 x0 )
b = xo
hay :
f(x0 )
x1 x0
f (x0 )
Từ x1 ta lại tiếp tục vẽ tiếp tuyến với đường cong thì giao điểm xi sẽ tiến tới nghiệm của phương trình.
Việc chọn điểm ban đầu xo rất quan trọng. Trên hình vẽ trên ta thấy nếu chọn điểm ban đầu xo = a
thì tiếp tuyến sẽ cắt trục tại một điểm nằm ngoài đoạn [a, b]. Chọn xo = b sẽ thuận lợi cho việc tính toán.
Chúng ta có định lí:
Nếu f(a).f(b) < 0 ; f(x) và f"(x) khác không và giữ nguyên dấu xác định khi x [a, b] thì xuất phát từ xo
[a, b] thoả mãn điều kiện f(xo).f(xo) > 0 có thể tính theo phương pháp Newton nghiệm duy nhất với độ chính xác
tuỳ ý.
Khi dùng phương pháp Newton cần lấy xo là đầu mút của đoạn [a,b] để tại đó f(xo).f"(xo) > 0. Áp
dụng lí thuyết trên chúng ta xây dựng chương trình tính sau:
Chương trình 2-5
//phuong phap Newton
#include <conio.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <stdlib.h>
#define n 50
#define epsi 1e-5
void main()
{
float t,x0;
float x[n];
int i;
float f(float);
float daoham(float);
clrscr();
printf("Tim nghiem cua phuong trinh phi tuyen\n");
printf("bang phuong phap lap Newton\n");
18
printf("Cho gia tri cua x0 = ");
scanf("%f",&x0);
i=1;
x[i]=x0;
do
{
x[i+1] = x[i]-f(x[i])/daoham(x[i]);
t = fabs(x[i+1]-x[i]);
x[i]=x[i+1];
i=i+1;
if (i>100)
{
printf("Bai toan khong hoi tu\n");
getch();
exit(1);
}
else
;
}
while (t>=epsi);
printf("Nghiem x = %.5f",x[i]);
getch();
}
float f(float x)
{
float a=x*x-x-2;
return(a);
}
float daoham(float x)
{
float d=2*x-1;
return(d);
}
Chương trình này được dùng xác định nghiệm của hàm đã được định nghĩa trong function. Trong
trường hợp này phương trình đó là:
x2 - x - 1 = 0
Kết quả tính với giá trị đầu xo = 0 cho nghiệm x = 2.
§6. PHƯƠNG PHÁP MULLER
Trong phương pháp dây cung khi tìm nghiệm trong đoạn [a, b] ta xấp xỉ hàm bằng một đường
thẳng. Tuy nhiên để giảm lượng tính toán và để nghiệm hội tụ nhanh hơn ta có thể dùng phương pháp
Muller. Nội dung của phương pháp này là thay hàm trong đoạn [a, b] bằng một đường cong bậc 2 mà ta
hoàn toàn có thể tìm nghiêm chính xác của nó. Gọi các điểm đó có hoành độ lần lượt là a = x2, b = x1 và ta
chọn thêm một điểm x0 nằm trong đoạn [x2, x1]. Gọi
h1 = x1 - x0
h2 = x0 - x2
v = x - x0
f(x0) = f0
f(x1) = f1
f(x2) = f2
19
h2
h1
Qua 3 điểm này ta có một đường parabol:
y = av2 + bv + c
Ta tìm các hệ số a,b,c từ các giá trị đã biết v:
v 0(x x0 ) a(0)2 b(0) c f0
v h1(x x1) ah12 bh1 c f1
v h2(x x2 ) ah22 bh2 c f2
Từ đó ta có :
f1 f0 (1 ) f2
a
h12 (1 )
f1 f0 ah12
b
h1
c f0
Sau đó ta tìm nghiệm của phương trình av2 + bv + c = 0 và có :
2c
n1,2 x0
b b2 4ac
Tiếp đó ta chọn nghiệm gần x0 nhất làm một trong 3 điểm để tính xấp xỉ mới. Các điểm này được chọn gần
nhau nhất. Tiếp tục quá trình tính đến khi đạt độ chính xác yêu cầu thì dừng lại.
Ví dụ: Tìm nghiệm của hàm f(x) = sin(x) - x/2 trong đoạn [1.8, 2.2]. Ta chọn x0 = 2
Ta có : x0 = 2 f(x0) = -0.0907
h1 = 0.2
f(x1) = -0.2915
f(x2) = 0.07385
x1 = 2.2
x2 = 1.8
h2 = 0.2
= 1
Vậy thì :
1(0.2915) (0.0907)(1 1) 0.07385
1 0.22 (1 1)
a
b
0.45312
0.2915 (0.097) (0.45312) 0.22
0.91338
0.2
c 0.0907
Ta có nghiệm gần x0 nhất là :
2(0.0907)
n1 2.0
1.89526
0.91338 (0.91338)2 4(0.45312)(0.0907)
Với lần lặp thứ hai ta có :
x0 = 1.89526
x1 = 2.0
x2 = 1.8
f(x0) = 1.918410-4
f(x1) = -0.0907
f(x2) = 0.07385
h1 = 0.10474
h2 = 0.09526
= 0.9095
Vậy thì :
0.9095(0.0907) (1.9184104 )1.9095 0.07385
0.90950.104742 1.9095
a
0.4728
0.0907 1.9184104 (0.4728)0.104742
b
0.81826
0.10474
c 1.9184104
Ta có nghiệm gần x0 nhất là :
20
21.9184104
n1 1.89526
1.89594
0.81826 (0.81826)2 4(0.4728)1.9184104
Ta có thể lấy n1 = 1.895494 làm nghiệm của bài toán.
Chương trình giải bài toán bằng phương pháp Muller như sau:
Chương trình 2-6
//phuong phap Muller
#include <conio.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <stdlib.h>
void main()
{
float x0,x1,x2,h1,h2,eps;
float a,b,c,gamma,n1,n2,xr;
int dem;
float f(float);
clrscr();
printf("PHUONG PHAP MULLER\n");
printf("\n");
printf("Cho khoang can tim nghiem [a,b]\n");
printf("Cho gia tri duoi a = ");
scanf("%f",&x2);
printf("Cho gia tri tren b = ");
scanf("%f",&x1);
if (f(x1)*f(x2)>0)
{
printf("\n");
printf("Nghiem khong nam trong doan nay\n");
getch();
exit(1);
}
eps=1e-5;
x0=(x1+x2)/2;
dem=0;
do
{
dem=dem+1;
h1=x1-x0;
h2=x0-x2;
gamma=h2/h1;
a=(gamma*f(x1)- f(x0)*(1+gamma)+f(x2))/(gamma*(h1*h1)*(1+gamma));
b=(f(x1)-f(x0)-a*(h1*h1))/h1;
c=f(x0);
if ((a==0)&&(b!=0))
{
n1=-c/b;
n2=n1;
}
if ((a!=0)&&(b==0))
{
21
n1=(-sqrt(-c/a));
n2=(sqrt(-c/a));
}
if ((a!=0)&&(b!=0))
{
n1=x0-2*c/(b+(sqrt(b*b-4*a*c)));
n2=x0-2*c/(b-(sqrt(b*b-4*a*c)));
}
if (fabs(n1-x0)>fabs(n2-x0))
xr=n2;
else
xr=n1;
if (xr>x0)
{
x2=x0;
x0=xr;
}
else
{
x1=x0;
x0=xr;
}
}
while (fabs(f(xr))>=eps);
printf("\n");
printf("Phuong trinh co nghiem x = %.5f sau %d lan lap",xr,dem);
getch();
}
float f(float x)
{
float a=sin(x)-x/2;
return(a);
}
§7. PHƯƠNG PHÁP LẶP BERNOULLI
Có nhiều phương pháp để tìm nghiệm của một đa thức. Ta xét phương trình:
aoxn + a1xn-1 + + an = 0
Nghiệm của phương trình trên thoả mãn định lí: Nếu max{| a1 |, | a2 |,..., |an |} = A thì các nghiệm của phương
trình thoả mãn điều kiện | x | < 1 + A/ | a0|
Phương pháp Bernoulli cho phép tính toán nghiệm lớn nhất của một đa thức Pn(x) có n nghiệm
thực phân biệt. Sau khi tìm được nghiệm lớn nhất ta chia đa thức Pn(x) cho (x-) và nhận được đa thức
mới Qn-1(x). Tiếp tục dùng phương pháp Bernoulli để tìm nghiệm lớn nhất của Qn-1(x).
Sau đó lại tiếp tục các bước trên cho đến khi tìm hết các nghiệm của Pn(x).
Chúng ta khảo sát phương trình sai phân có dạng như sau :
= aoyk+n + a1yk+n-1 +.....+ anyk = 0
(1)
Đây là một phương trình sai phân tuyến tính hệ số hằng. Khi cho trước các giá trị đầu yo, y1,..yn-1 ta tìm
được các giá trị yn, yn+1,.. Chúng được gọi là nghiệm của phương trình sai phân tuyến tính (1).
Đa thức
Pn(x) = a0xn + a1xn-1 +..+an-1x + an
(2)
với cùng một hệ số ai như (1) được gọi là đa thức đặc tính của phương trình sai phân tuyến tính (1). Nếu (2)
có n nghiệm phân biệt x1, x2,.., xn thì (1) có các nghiệm riêng là
yi xik
Nếu yi là các nghiệm của phương trình sai phân là tuyến tính (1),thì
22
yk c1x1k c2xk2 cnxnk
với các hệ số ci bất kì cũng là nghiệm của phương trình sai phân tuyến tính hệ số hằng (1).
Nếu các nghiệm cần sao cho :
(3)
| x1| | x2 | ...| xn|
k
c x
c2 x1
1 2
Vậy
y c xk 1
1
k
1
k1
c x
và
yk1 c1x1k1 1
1 2
c2 x1
k1
c x
c2 x1
1 2
1
do đó : yk1
x1
k
yk
c x
1 2
1
c2 x1
do
x1 > x2 >...> xn
k k1
x
x1
x
x1
2 2
nên:
,
0 khi k
yk1
vậy:
0 khi k
yk
Nghĩa là :
yk1
x1
yk
lim
k
Nếu phương trình vi phân gồm n+1 hệ số, một nghiệm riêng yk có thể được xác định từ n giá trị yk-
1, yk-2,...,yn-1. Điều cho phép tính toán bằng cách
truy hồi các nghiệm riêng của phương trình vi phân.
Để tính nghiệm lớn nhất của đa thức, ta xuất phát từ các nghiệm riêng y1 = 0, y1 = 0,.., yn =1 để tính
yn+1. Cách tính này được tiếp tục để tính yn+2 xuất phát từ y1 = 0, y2 = 0,..,yn+1 và tiếp tục cho đến khi yk+1/yk
không biến đổi nữa. Trị số của yk+n được tính theo công thức truy hồi :
1
a0
ykn
a1ykn1 an yk
(4)
Ví dụ: Tính nghiệm của đa thức Pn(x) = P3(x) = x3 - 10x2 + 31x - 30.
Như vậy ao = 1, a1 = -10,a2 = 31 và a3 = -30.
Phương trình sai phân tương ứng là :
yk+3 -10yk+2 + 31yk+1 - 30yk = 0
Ta cho trước các giá trị y1 = 0; y2 = 0 và y3 = 1. Theo (4) ta tính được :
y4 = - (-10y3 + 31y2 - 30y1) = 10
y5 = - (-10y4 + 31y3 - 30y2) = 69
y6 = - (-10y5 + 31y5 - 30y3) = 410
y7 = - (-10y6 + 31y5 - 30y4) = 2261
y8 = - (-10y7 + 31y6 - 30y5) = 11970
y9 = - (-10y8 + 31y7 - 30y6) = 61909
y10 = - (-10y9 + 31y8 - 30y8) = 315850
y11 = - (-10y10 + 31y9 - 30y8) = 1598421
y12 = - (-10y11 + 31y10 - 30y9) = 8050130
y13 = - (-10y12 + 31y11 - 30y10) = 40425749
y14 = - (-10y13 + 31y12 - 30y11) = 202656090
23
y15 = - (-10y14 + 31y13 - 30y12) = 1014866581
y16 = - (-10y15 + 31y14 - 30y13) = 5079099490
y17 = - (-10y16 + 31y15 - 30y14) = 24409813589
y18 = - (-10y17 + 31y16 - 30y15) = 127092049130
y19 = - (-10y18 + 31y17 - 30y16) = 635589254740
Tỉ số các số yk+1/yk lập thành dãy :
10 ; 6.9 ; 5.942 ; 5.5146 ; 5.2941 ; 5.172 ; 5.1018 ; 5.0607 ; 5.0363 ; 5.0218 ; 5.013 ; 5.0078 ; 5.0047 ; 5.0028
; 5.0017 ; 5.001
nghĩa là chúng sẽ hội tụ tới nghiệm lớn nhất là 5 của đa thức.
Chương trình 2-7
//phuong phap Bernoulli
#include <conio.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <stdlib.h>
#define max 50
void main()
{
float a[max],y[max];
int k,j,i,n,l;
float s,e1,e2,x0,x1,x;
clrscr();
printf("Cho bac cua da thuc can tim nghiem n = ");
scanf("%d",&n);
e1=1e-5;
printf("Cho cac he so cua da thuc can tim nghiem\n");
for (i=0;i<=n;i++)
{
printf("a[%d] = ",i);
scanf("%f",&a[i]);
}
for (k=0;k<=n;k++)
a[k]=a[k]/a[0];
tt: x1=0;
for (k=2;k<=n;k++)
y[k]=0;
y[1]=1;
l=0;
do
{
l=l+1;
s=0;
for (k=1;k<=n;k++)
s=s+y[k]*a[k];
y[0]=-s;
x=y[0]/y[1];
e2=fabs(x1 - x);
x1=x;
for (k=n;k>=1;k--)
y[k]=y[k-1];
}
24
while((l<=50)||(e2>=e1));
if(e2>=e1)
{
printf("Khong hoi tu");
getch();
exit(1);
}
else
printf("Nghiem x = %.4f\n",x);
n=n-1;
if (n!=0)
{
a[1]=a[1]+x;
for (k=2;k<=n;k++)
a[k]=a[k]+x*a[k-1];
goto tt;
}
getch();
}
Kết quả nghiệm của đa thức x3 - 10x2 + 31x - 30 là:5 ; 3 và 2
§8. PHƯƠNG PHÁP LẶP BIRGE - VIETTE
Các nghiệm thực, đơn giản của một đa thức Pn(x) được tính toán khi sử dụng phương pháp Newton
Pn (xi )
xi1 xi
(1)
Pn (xi )
Để bắt đầu tính toán cần chọn một giá trị ban đầu xo. Chúng ta có thể chọn một giá trị xo nào đó, ví
dụ :
an
x0
an1
và tính tiếp các giá trị sau :
Pn (x0 )
x1 x0
x2 x1
Pn (x0 )
Pn (x1 )
Pn (x1 )
Tiếp theo có thể đánh giá Pn(xi) theo thuật toán Horner :
P0 = a0
P1 = P0xi + a1
(2)
P2 = P1xi + a2
P3 = P2xi + a3
..................
P(xi) = Pn = Pn-1xi + an
Mặt khác khi chia đa thức Pn(x) cho một nhị thức (x - xi) ta được :
Pn(x) = (x - xi)Pn-1(x) + bn
(3)
(4)
với bn = Pn(xi). Đa thức Pn-1(x) có dạng:
Pn-1(x) = boxn-1 + b1xn-2 + p3xn-3 +..+ bn-2x + bn-1
Để xác định các hệ số của đa thức (4) ta thay (4) vào (3) và cân bằng các hệ số với đa thức cần tìm
nghiệm Pn(x) mà các hệ số ai đã cho:
(x - xi)( boxn-1 + b1xn-2+b3xn-3 +..+ bn-2x + bn-1 ) + bn
= aoxn + a1xn-1 + a2xn-2 +...+ an x + a=
(5)
-1
Từ (5) rút ra :
25
bo = ao
b1 = a1 + boxi
b2 = a2 + b1xi
......
(6)
bk = ak + bk-1xi
.......
bn = an + bn-1xi = Pn(xi)
Đạo hàm (3) ta được :
Pn(x) (x xi )Pn1(x) Pn1(x)
và:
Pn(xi ) Pn1(xi )
(7)
Như vậy với một giá trị xi nào đó theo (2) ta tính được Pn(xi) và kết hợp (6) với (7) tính được Pn(xi).
Thay các kết quả này vào (1) ta tính được giá trị xi+1. Quá trình được tiếp tục cho đến khi | xi+1 - xi | < hay
Pn(xi+1) 0 nên 1 xi+1 là một nghiệm của đa thức.
Phép chia Pn(x) cho (x - 1) cho ta Pn-1(x) và một nghiệm mới khác được tìm theo cách trên khi
chọn một giá trị xo mới hay chọn chính xo=1. Khi bậc của đa thức giảm xuống còn bằng 2 ta dùng các công
thức tìm nghiệm của tam thức để tìm các nghiệm còn lại.
Ví dụ: Tìm nghiệm của đa thức P3(x) = x3 - x2 -16x + 24
ao = 1
a1 = -1
a2= -16
a3 = 24
Chọn xo = 3.5 ta có :
Po = ao = 1
P1 = a1 + pox0 = -1 + 3.5*1 = 2.5
P2 = a2 + p1x0 = -16 + 3.5*2.5 = -7.25
P3 = a3 + p2x0 = 24 + 3.5*(-7.25) = - 1.375
b0 = a0 = 1;
b1 = a1 + box0 = -1 + 3.5*1 = 2.5
b2 = a2 + b1x0 = -16 + 3.5*2.5 = -7.25
P2(3.5) = b0x2 + b1x + b2 = 13.75
Pn(x0 )
1.375
13.75
x1 x0
3.5
3.6
Pn(x0 )
Lặp lại bước tính trên cho x1 ta có:
Po = ao = 1
P1 = a1 + pox1 = -1 + 3.6*1 = 2.6
P2 = a2 + p1x1 = -16 + 3.6*2.6 = -6.64
P3 = a3 + p2x1 = 24 + 3.6*(-6.64) = - 0.096
bo = ao = 1
b1 = a1 + box1 = -1 + 3.6*1 = 2.6
b2 = a2 + p1x1 = -16 + 3.6*2.6 = -6.64
P2(3.6) = b0x2 + b1x + b2 = 15.68
Pn(x1)
0.096
15.68
x2 x1
3.6
3.606
Pn(x1)
Quá trình cứ thế tiếp tục cho đến khi sai số chấp nhận được. Chương trình dưới đây mô tả thuật tính trên.
Chương trình 2-8
//phuong phap Birge-Viette
#include <conio.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#define max 20
void main()
{
float a[max],p[max],d[max],x[max];
26
int k,j,i,n;
float e1,e2,x0,x1;
clrscr();
printf("Cho bac cua da thuc n = ");
scanf("%d",&n);
e1=0.0001;
printf("Cho cac he so cua da thuc can tim nghiem\n");
for (i=0;i<=n;i++)
{
printf("a[%d] = ",i);
scanf("%f",&a[i]);
}
x0=a[0];
for (i=0;i<=n;i++)
a[i]=a[i]/x0;
printf("Nghiem cua phuong trinh : \n");
tt:x0=-a[n]/a[n-1];
j=0;
do
{
j=j+1;
p[1]=x0+a[1];
d[1]=1.0;
for (k=2;k<=n;k++)
{
p[k]=p[k-1]*x0+a[k];
d[k]=d[k-1]*x0+p[k-1];
}
x1=x0-p[n]/d[n];
e2=fabs(x1-x0);
if (e2>e1)
x0=x1;
}
while((j<=50)||(e2>=e1));
if (e2>=e1)
printf("Khong hoi tu");
else
printf(" x = %.4f\n",x1);
n=n-1;
if (n!=0)
{
for (k=1;k<=n;k++)
a[k]=p[k];
goto tt;
}
getch();
}
Dùng chương trình trên để tìm nghiệm của đa thức x4 + 2x3 - 13x2 - 14x + 24 ta được các nghiệm là:-4
; 3 ; -2 và 1.
§9. PHƯƠNG PHÁP NGOẠI SUY AITKEN
Xét phương pháp lặp :
x = f(x)
với f(x) thoả mãn điều kiện hội tụ của phép lặp, nghĩa là với mọi x [a, b] ta có:
(1)
27
| f’(x) | q < 1
Như vậy :
(2)
(6)
xn+1 = f(xn)
xn = f(xn-1)
(3)
(4)
Trừ (3) cho (4) và áp dụng định lí Lagrange cho vế phải với c [a, b] ta có :
xn+1- xn = f(xn) - f(xn-1) = (xn - xn-1)f’(c)
Vì phép lặp (1) nên :
(5)
| xn+1- xn | q | xn - xn-1
= an - pb-2
|
Chúng ta nhận thấy rằng được tính toán xuất phát từ cùng một công thức truy hồi như các hệ số
bk và tương ứng với hệ số bn-1
bn-1 = an-1 + sbn-2 - pbn-3 =
Hệ số bn là :
bn = an + sbn-1 - pbn-2 = sbn-1 +
và cuối cùng :
R1(x) = x + = b+-1(x - s) + bn
Ngoài ra các hệ số bi phụ thuộc vào s và p và bây giờ chúng ta cần phải tìm các giá trị đặc biệt s*
và p* để cho bn-1 và bn triệt tiêu. Khi đó r1(x)= 0 và nghiệm của tam thức x2 - s*x + p*x sẽ là nghiệm của đa
thức Pn(x). Ta biết rằng bn-1 và bn là hàm của s và p :
bn-1 = f(s, p)
bn = g(s, p)
Việc tìm s* và p* đưa đến việc giải hệ phương trình phi tuyến:
f(s,p)0
g(s,p)0
Phương trình này có thể giải dễ dàng nhờ phương pháp Newton. Thật vậy với một phương trình phi tuyến
ta có công thức lặp:
xi+1 = xi - f(xi)/f'(xi)
f'(xi)(xi+1 - xi) = -f(xi)
hay
Với một hệ có hai phương trình,công thức lặp trở thành:
J(Xi)(Xi+1 - Xi) = -F(Xi)
với
Xi = { si, pi}T và Xi+1 = { si+1, pi+1}T
f(s ,p )
g(si ,pi )
f f
s p
g g
s p
i
i
F(Xi )
J(Xi )
Quan hệ : J(Xi)X = -F(Xi) với X = {si+1 - si,pi+1 - pi}T tương ứng với một hệ phương trình tuyến tính hai ẩn số
s = si+1 - si và p = pi+1 - pi :
f
f
s
s
p f(si ,pi )
p g(si ,pi )
s
g
s
p
g
p
Theo công thức Cramer ta có :
g
p p
f
f g
s
28
g
s s
f
g f
p
g
g
f
f
s p p s
g g
f f
Để dùng được công thức này ta cần tính được các đạo hàm
s , p , s , p . Các đạo hàm này được tính
theo công thức truy hồi.
Do bo = ao nên
b0
s
b0
p
0
0
0
b1 = a1 + sbo nên
b1
s
b1
p
b0
b2 = a2 + sb1- pbo nên
(pb0 )
s
b2 a2 (sb1 )
s
s
s
Mặt khác :
(pb0 )
0
a2
(sb1 )
s
(b1 )
s
0
s
b1
s
s
b2
nên:
b1 sb0
s
b3 = a3 + sb2- pb1 nên:
b3
b2
s
b1
s
b2 s
p
s
Nếu chúng ta đặt :
bk
s
ck1
thì :
co = bo
(2)
c1 = b1 + sbo = b1 + sco
c2 = b2 + sc1 - pco
....................
ck = bk + sck-1 - pck-2
cn-1 = bn-1 + scn-2 - pcn-3
Như vậy các hệ số cũng được tính theo cách như các hệ số bk. Cuối cùng với f = bn-1 và g = bn ta được:
f
s
f
s
f
s
f
s
cn2
cn3
cn1
cn2
bn1cn2 bncn3
cn1cn3 c2n2
s
p
(3)
(4)
bn1cn1 bncn2
cn1cn3 c2n2
29
Sau khi phân tích xong Pn(x) ta tiếp tục phân tích Pn-2(x) theo phương pháp trên. Các bước tính
toán gồm:
- Chọn các giá trị ban đầu bất kì s0 và p0
- Tính các giá trị bo,..,bn theo (1)
- Tính các giá trị co,...,cn theo (2)
- Tính so và po theo (3) và (4)
- Tính s1 = s0 + so và p1 = po+ po
- Lặp lại bước 1 cho đến khi pi+1 = pi = p và si+1 = si = s
- Giải phương trình x2 - sx + p để tìm 2 nghiệm của đa thức
- Bắt đầu quá trình trên cho đa thức Pn-2(x)
Ví dụ: Tìm nghiệm của đa thức P4(x) = x4 - 1.1x3 + 2.3x2 + 0.5x2 + 3.3.
Với lần lặp ban đầu ta chọn s = -1 và p =1, nghĩa là tam thức có dạng: x2+x+1
a0
1
a1
-1.1
-1
a2
a3
a4
2.3
2.1
-1
0.5
-3.4
2.1
3.3
0.8
-3.4
sbi
-pbi-1
bi 1
sbi
-2.1
3.4
-0.8 = bn-1
0.7=bn
-1.0
-3.1
3.1
-5.5
-pbi-1
ci
-1.0
5.5
3.1
-3.2
1
0.8 3.1
0.7 5.5
5.5 3.1
3.2 5.5
5.5 0.8
s
0.11
0.06
3.2 0.7
5.5 3.1
3.2 5.5
p
s* = -1 + 0.11 = -0.89
p* = 1 + 0.06 = 1.06
Tiếp tục lặp lần 2 với s1 = s* và p1 = p* ta có :
a0
1
a1
-1.1
-0.89
a2
2.3
1.77
-1.06
a3
0.5
-2.68
2.11
a4
3.3
0.06
-3.17
sbi
-pbi-1
bi 1
sbi
-pbi-1
ci
-1.99
3.01
-1.0
-0.07 = bn-1
0.17=bn
-0.89
-2.88
2.56
4.51
-4.01
-1.03
3.1
1
0.07 2.88
0.7 5.5
4.51 2.88
s
0.01
1.03 4.51
30
4.51
0.07
1.03 0.17
4.51 2.88
1.03 4.51
p
0.04
s* = -0.89 - 0.01 = -0.9
p* = 1.06 + 0.04 = 1.1
Như vậy:
P4(x) = (x2 + 0.9x + 1.1)(x2 + 2x + 3)
Chương trình sau áp dụng lí thuyết vừa nêu để tìm nghiệm của đa thức.
Chương trình 2-10
//phuong phap Bairstow
#include <conio.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <stdlib.h>
#define m 10
void main()
{
float a[m],b[m],c[m];
int i,n,v;
float s,e1,t,p,q,r,p1,q1;
clrscr();
printf("Cho bac cua da thuc n = ");
scanf("%d",&n);
printf("Cho cac he so cua da thuc can tim nghiem\n");
for (i=n;i>=0;i--)
{
printf("a[%d] = ",n-i);
scanf("%f",&a[i]);
}
printf("\n");
e1=0.0001;
if (n<=2)
if (n==1)
{
printf("Nghiem cua he\n");
printf("%.8f",(a[0]/(-a[1])));
getch();
exit(1);
}
do
{
v=0;
p=1;
q=-1;
b[n]=a[n];
c[n]=a[n];
do
{
31
b[n-1]=b[n]*p+a[n-1];
c[n-1]=b[n-1]+b[n]*p;
for (i=n-2;i>=0;i--)
{
b[i]=b[i+2]*q+b[i+1]*p+a[i];
c[i]=c[i+2]*q+c[i+1]*p+b[i];
}
r=c[2]*c[2]-c[1]*c[3];
p1=p-(b[1]*c[2]-b[0]*c[3])/r;
q1=q-(b[0]*c[2]-b[1]*c[1])/r;
if ((fabs(b[0])<e1)&&(fabs(b[1])<e1))
goto tt;
v=v+1;
p=p1;
q=q1;
}
while (v<=40);
if(v>40)
{
printf("Khong hoi tu sau 40 lan lap");
getch();
exit(1);
}
tt:s=p1/2;
t=p1*p1+4*q1;
if(t<0)
{
printf("Nghiem phuc\n");
printf("%.8f+%.8fj\n",s,(sqrt(-t)/2));
printf("%.8f-%.8fj\n",s,(sqrt(-t)/2));
printf("\n");
}
else
{
printf("Nghiem thuc\n");
printf("%.8f\n",(s+sqrt(t)/2));
printf("%.8f\n",(s-sqrt(t)/2));
printf("\n");
}
for (i=2;i<=n;i++)
a[i-2]=b[i];
n=n-2;
}
while ((n>2)&(r!=0.0));
s=-a[1]/(2*a[2]);
t=a[1]*a[1]-4*a[2]*a[0];
if (t<0)
{
printf("Nghiem phuc\n");
printf("%.8f+%.8fj\n",s,(sqrt(-t)/(2*a[2])));
printf("%.8f-%.8fj\n",s,(sqrt(-t)/(2*a[2])));
printf("\n");
}
else
{
32
Tải về để xem bản đầy đủ
24 trang
13/04/2022
6320
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Phương pháp tính - Chương 2: Giải gần đúng phương trình đại số và siêu việt", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_phuong_phap_tinh_chuong_2_giai_gan_dung_phuong_tri.doc
