Краткое описание сущности метода касательных

Ковылкино – 1999 г.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

 

 

Студент Ляпин Р.Н. группа 22п

 

 

1. Тема: "Метод касательных решения нелинейных уравнений".

2. Изучить теоретический материал по заданной теме.

3. Составить блок схему алгоритма решения задачи .

4. Написать программу на языке Турбо-Паскаль для решения задачи в общем виде.

5. Выполнить программу с конкретными значениями исходных данных. 

6. Определить корни уравнения х³ + 0,1 * х² + 0,4 * х – 1,2 = 0 аналитически и уточнить один из них с точностью до 0,000001 методом касательных

7. Срок представления работы к защите: 10 мая 1999 г.

8. Исходные данные для исследования: научная и техническая литература.

 

 

Руководитель курсовой работы: Кривозубова С.А.

 

Задание принял к исполнению: Ляпин Р.Н.

 

 

РЕФЕРАТ

 

Курсовая работа содержит: страниц, 1 график, 5 источников.

Перечень ключевых понятий: производная, метод касательных, программирование, нелинейное уравнение.

Объект исследования: Корни нелинейного уравнения.

Цель работы: Определение корней нелинейного уравнения.

Методы исследования: изучение работ отечественных и зарубежных авторов по данной теме.

Полученные результаты: изучен метод касательных решения нелинейных уравнений; рассмотрена возможность составления программы на языке программирования Турбо-Паскаль 7.0

Область применения: в работе инженера.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................ 5

 

1. Краткое описание сущности метода касательных

( метода секущих Ньютона).................... 7

 

2. Решение нелинейного уравнения аналитически ..     9

 

3. Блок схема программы ........................  11

 

4. Программа на языке PASCAL 7.0 ...............    12

 

5. Результаты выполнения программы .............  13

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННИХ ИСТОЧНИКОВ ...............   14

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

       Процедура подготовки и решения задачи на ЭВМ достаточно сложный и трудоемкий процесс, состоящий из следующих этапов:

1. Постановка задачи (задача, которую предстоит решать на ЭВМ, формулируется пользователем или получается им в виде задания).

2. Математическая формулировка задачи.

3. Разработка алгоритма решения задачи.

4. Написание программы на языке программирования.

5. Подготовка исходных данных .

6. Ввод программы и исходных данных в ЭВМ.

7. Отладка программы.

8. Тестирование программы.

9. Решение задачи на ЭВМ и обработка результатов.

В настоящей курсовой работе условие задачи дано в математической формулировке, поэтому необходимость в выполнении этапов 1 и 2 отпадает и сразу можно приступить к разработке алгоритма решения задачи на ЭВМ. Под алгоритмом понимается последовательность арифметических и логических действий над числовыми значениями переменных, приводящих к вычислению результата решения задачи при изменении исходных данных в достаточно широких пределах. Таким образом, при разработке алгоритма решения задачи математическая формулировка преобразуется в процедуру решения, представляющую собой последовательность арифметических действий и логических связей между ними. При этом алгоритм обладает следующими свойствами: детерминированностью, означающей, что применение алгоритма к одним и тем же исходным данным должно приводить к одному и том уже результату; массовость, позволяющей получать результат при различных исходных данных; результативностью, обеспечивающей получение результата через конечное число шагов.

Наиболее наглядным способом описания алгоритмов является описание его в виде схем. При этом алгоритм представляется последовательность блоков, выполняющих определенные функции, и связей между ними. Внутри блоков указывается информация, характеризующая выполняемые ими функции. Блоки схемы имеют сквозную нумерацию.

Конфигурация и размеры блоков, а также порядок построения схем определяются ГОСТ 19.002-80 и ГОСТ 19.003-80.

На этапе 4 составляется программа на языке Турбо-Паскаль. При описании программы необходимо использовать характерные приемы программирования и учитывать специфику языка. В качестве языка программирования выбран язык ПАСКАЛЬ ввиду его наглядности и облегченного понимания для начинающих программистов, а также возможности в дальнейшем использовать для решения более трудных задач.

Этапы алгоритмизации и программирования являются наиболее трудоемкими, поэтому им уделяется большое внимание.

В процессе выполнения курсовой работы студент готовит исходные данные, вводит программу и исходные данные. При работе ввод программы и исходных данных осуществляется с клавиатуры дисплея.

Отладка программы состоит в обнаружении и исправлении ошибок, допущенных на всех этапах подготовки задач к решению на ПЭВМ. Синтаксис ошибки обнаруживается компилятором, который выдает сообщение, указывающее место и тип ошибки. Обнаружение семантических ошибок осуществляется на этапе тестирования программы, в котором проверяется правильность выполнения программы на упрощенном варианте исходных данных или с помощью контрольных точек или в режиме пошагового исполнения.

Задание при обработке на ЭВМ проходит ряд шагов: компиляцию, редактирование (компоновку) и выполнение.

Обработка результатов решения задачи осуществляется с помощью ЭВМ. Выводимые результаты оформлены в виде, удобном для восприятия.                       

 

 

Краткое описание сущности метода касательных

( метода секущих Ньютона)

 

Пусть на отрезке [a; b] отделен корень с уравнения f (x) = 0 и f -функция непрерывна на отрезке [a; b], а на интервале ]a; b[ существуют отличные от нуля производные f ’ и f ”.

Так как f ’(x)  0 , то запишем уравнение f (x) = 0 в виде :

           x = x – ( f (x) / f ’(x))                                           (1)

Решая его методом итераций можем записать :

           x_n+1 = x _n– ( f (x _n) / f ’(x _n))                                  (2)

Если на отрезке [a;b] f ’(x) * f “(x) > 0, то нул – евое приближение выбираем x0=a. Рассмотрим геометрический смысл метода . Рассмотрим график функции y=f(x). Пусть для определенности f ‘(x) > 0 и f “(x) > 0 (рис. 1). Проведем касательную к графику функции в точке B (b, f (b)). Ее уравнение будет иметь вид :

y = f (b) + f ’(b) * (x – b)

Полагая в уравнении y = 0 и учитывая что f ’(x)  0, решаем его относительно x. Получим :

x = b – (f (b) /f ‘(b))

Нашли абсциссу x₁ точки c₁ пересечения касательной с осью ox :

x₁ = b – (f (b) – f ’ (b))

 

Проведем касательную к графику функции в точке b₁ (x₁; f (x₁)).Найдем абсциссу x₂ точки с₂ пересечения касательной с осью Ox :

x₂ = x₁ – (f (x₁) / ( f ’(x₁))

Вообще :

x_k+1 = x _k – ( f (x _k) / f ’(x _k))                                                (3)

Таким образом, формула (3) дает последовательные приближения (x_k) корня, получаемые из уравнения касательной , проведенной к графику функции в точке    b _k (x _k; f (x _k0) метод уточнения корня c [a;b] уравнения f (x) = 0 с помощью формулы (3) называется методом касательной или методом Ньютона.

Геометрический смысл метода касательных состоит в замене дуги y = f (x) касательной, одной к одной из крайних точек . Начальное приближение x ₀ = a или x₀ = b брать таким, чтобы вся последовательность приближения х _k принадлежала интервалу ]a;b[ . В случае существования производных f ’, f ”, сохраняющих свои знаки в интервале, за х₀ берется тот конец отрезка [a;b], для которого выполняется условие f ’(х₀) * f (х₀) > 0. Для оценки приближения используется общая формула :

|c-x _k-1 |  | f (x _k+1)/m| , где m = _min f ’(x) на отрезке [a;b] .

На практике проще пользоваться другим правилом :

Если на отрезке [a;b] выполняется условие 0 < m <  | f (x)| и заданная точность решения, то неравенство | x _k+1-x _k|   влечет выполнение неравенства  |c-x _k-1|  

В этом случае процесс последовательного приближения продолжают до тех пор, пока не выполнится неравенство :

|c-x _k-1|  