МЕТОД ПОЛОВИННОГО ДЕЛЕНИЯ

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ. 4

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. 5

2. МЕТОД ПОЛОВИННОГО ДЕЛЕНИЯ. 6

3 .СООТВЕТСТВИЕ МЕЖДУ ПЕРЕМЕННЫМИ, ПРИНЯТЫМИ ПРИ ОПИСАНИИ ЗАДАЧИ И В ПРОГРАМЕ. 9

4. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРОГРАММ И ЕЕ ОПИСАНИЕ. 12

5. ЛИСТИНГ ПРОГРАМЫ.. 20

6. КОНТРОЛЬНЫЙ ПРИМЕР И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТА. 21

7. ИНСТРУКЦИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ. 26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 27

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 28

ПРИЛОЖЕНИЯ. 29

ПРИЛОЖЕНИЕ А. 30

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. 32

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. 33

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Паскаль − один из наиболее распространенных процедурно-ориентированных языков программирования 80 - 90-х годов, имеет свою достаточно интересную историю, начало которой положило объявление в 1965 г. конкурса по созданию нового языка программирования - преемника Алгола - 60. Участие в конкурсе принял швейцарский ученый Николаус Вирт, который работал на факультете информатики Стэндфордского университета. Проект, предложенный им, был отвергнут комиссией в 1967 г. Но Вирт не прекратил работу. Вернувшись в Швейцарию, совместно с сотрудниками Швейцарского федерального института технологии в Цюрихе, он уже в 1968 г. разработал новую версию языка Паскаль, названного так в честь великого французского математика и механика Блеза Паскаля, создавшего в 1642 г. первую счетную машину. В 1971 г. Н. Вирт выпустил описание своего языка, а в 1975 г. было разработано руководство для пользователей версии Паскаля, которая практически легла в основу стандарта языка. Но стандарт языка появился только в 1982 г.

Предназначенный для обучения, язык оказался очень простым и одновременно строгим. Однако вскоре выяснилось, что он также является достаточно эффективным в самых различных приложениях. Pascal поддерживает самые современные методологии проектирования программ (нисходящее, модульное проектирование, структурное программирование). В связи с этим появились многочисленные реализации языка для разных машинных архитектур и наиболее удачной и популярной оказалась разработка фирмы Borland International для персональных IBM - совместимых ЭВМ. Эта реализация языка получила название Turbo Pascal (Турбо Паскаль) и имеет уже несколько версий.

Turbo Pascal представляет собой систему программирования, включающую в себя текстовый редактор, компилятор, компоновщик, загрузчик, отладчик, файловую систему, системную библиотеку, справочную систему. Все эти компоненты объединены в интегрированную среду с многооконным интерфейсом и развитой системой меню, что обеспечивает высокую производительность труда программиста при создании программ производственного, научного и коммерческого назначения.

 

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Написать программу на языке программирования Pascal, выполняющую решение нелинейного уравнения. Результат работы программы должен выводиться на экран и в файл.

 В программе реализовать следующее меню:

1-Ввести данные из файла

2-Ввести данные с клавиатуры

3-Отобразить результат

4-Сохранить результат в файл

0-Выход

Отладить программу на уравнении f(x)=x²-x-6 с точностью 0,001

 

 

ВЫБОР И ОПИСАНИЕ МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ

Процесс нахождения приближенного значения корней уравнения можно подразделить на два этапа 1) отделение корней; 2) уточнение корней до заданной степени точности. Корень ξ считается отделённым на отрезке [a,b], если на этом отрезке уравнение

 

: метод половинного деления, Ньютона

МЕТОД ПОЛОВИННОГО ДЕЛЕНИЯ

Пусть дано уравнение f(x) = 0, где f (х) – непрерывная функция. Требуется найти корень этого уравнения ξ с точностью до ε, где е – некоторое положительное достаточно малое число.

Будем считать, что корень ξ отделен и находится на отрезке [а, b], т. е. имеет место неравенство а ≤ ξ ≤ b. Числа а и b – приближенные значения корня ξ соответственно с недостатком и с избытком. Погрешность этих приближений не превышает длины отрезка b – а. Если b – а ≤ε, то необходимая точность вычислений достигнута, и за приближенное значение корня ξ можно принять либо а, либо b. Но если b – а > ε, то требуемая точность вычислений не достигнута и необходимо сузить интервалов котором находится корень ξ, т. е. подобрать такие числа а и b, чтобы выполнялись неравенства a < ξ < b и . При  вычисления следует прекратить и за приближенное значение корня с точностью до ε принять либо а, либо b. Следует отметить, что значение корня будет более точным, когда за приближенное значение корня приняты не концы отрезка а и b, а середина этого отрезка, т.е. . Погрешность в этом случае не превышает величины .

Метод проб. Пусть дано уравнение f(x) = 0 [f(x) – непрерывная функция] и корень ε отделен на отрезке [а, b], т. е. f(а) ∙ f(b) < 0, причем b – а > ε. Требуется найти значение корня ξ с точностью до ε (рис. 2.1)

 

Рис. 2.1

Принцип решения уравнения типа y=f(x) методом проб

Рис. 2.2

Принцип решения уравнения типа y=f(x) методом половинного деления

 

На отрезке [a, b] выберем произвольным образом точку a₁, которая разделит его на два отрезка [a, a₁] и [a₁,b]. Из этих двух отрезков следует выбрать тот, на концах которого функция принимает значения, противоположные по знаку. В нашем примере f(а) ∙ f(a₁) > 0, f(a₁) ∙ f(b) < 0; поэтому следует выбрать отрезок [a₁,b]. Затем на этом суженом отрезке опять произвольным образом возьмем точку а₂ и найдем знаки произведений f(a₁) ∙ f(a₂) и f(a₂) ∙ f(b). Так как f(a₂)× f(b) < 0, то выбираем отрезок [a₂, b]. Этот процесс продолжаем до тех пор, пока длина отрезка, на котором находится корень, не станет меньше ε. Корень ξ получим как среднее арифметическое концов найденного отрезка, причем погрешность корня не превышает ε/2.

Метод проб в таком виде на ЭВМ не применяется. Для составления программ и расчетов на ЭВM метод проб применяется в виде так называемого метода половинного деления.

Пусть корень ξ уравнения f(х) = 0 отделен и находится на отрезке [a, b], т.е. f(a) ∙ f(b) < 0, причем b – а > ε [здесь f(х) – непрерывная функция]. Как и ранее, возьмем на отрезке [a, b] промежуточную точку, однако не произвольным образом, а так, чтобы она являлась серединой отрезка [a, b], т. е. с = (а + b)/2. Тогда отрезок [a, b] точкой с разделится на два равных отрезка [а, с] и [с, b], длина которых равна (b – а)/2 (рис. 2.2). Если f(с) = 0, то с – точный корень уравнения f(х) = 0. Если же f(с) ≠ 0, то из двух образовавшихся отрезков [a, с] и [с, b] выберем тот, на концах которого функция f(х) принимает значения противоположных знаков; обозначим его [a_l, b₁]. Затем отрезок [a_l, b₁] также делим пополам и проводим те же рассуждения. Получим отрезок [а₂, b₂], длина которого равна (b – а)/2². Процесс деления отрезка пополам производим до тех пор, когда на каком-то n-м этапе либо середина отрезка будет корнем уравнения (случай, весьма редко встречающийся на практике), либо будет получен отрезок [a_n, b_n] такой, что b_n – а_n = (b – а)/2ⁿ ≤ ε и а_n ≤ ξ ≤ b_n (число n указывает на количество проведенных делений). Числа а_n и b_n – корни уравнения f(х) = 0 с точностью до ε. За приближенное значение корня, как указывалось, выше, следует взять ξ = (a_n + b_n)/2, причем погрешность не превышает (b – а)/2ⁿ⁺¹.

МЕТОД ХОРД

Метод хорд является одним из распространенных методов решения алгебраических и трансцендентных уравнений. В литературе он также встречается под названиями «метода ложного положения» (regula falsi), «метода линейного интерполирования» и «метода пропорциональных частей».

Пусть дано уравнение f(х) = 0, где f (х) – непрерывная функция, имеющая в интервале [а, b] производные первого и второго порядков. Корень считается отделенным и находится на отрезке [а, b], т.е. f(a)-f (b) < 0.

Идея метода хорд состоит в том, что на достаточно малом промежутке [а, b] дуга кривой у = f (x) заменяется стягивающей ее хордой. В качестве приближенного значения корня принимается точка пересечения хорды с осью Ох.

Ранее мы рассмотрели четыре случая расположения дуги кривой, учитывая значения первой и второй производных.

Рассмотрим случаи, когда первая и вторая производные имеют одинаковые знаки, т. е, f'(х) ∙ f'' (х) > 0.

Пусть, например, f(a) < 0, f(b) > 0, f'(х) > 0, f''(х) > 0 (рис. 3.18, а). График функции проходит через точки А₀ (a; f(a)), В(b; f(b))- Искомый корень уравнения f(х) = 0 есть абсцисса точки пересечения графика функции у = f(х) с осью Ох. Эта точка нам неизвестна, но вместо нее мы возьмем точку x₁ пересечения хорды А и В с осью Ох. Это и будет приближенное значение корня.

Уравнение хорды, проходящей через точки А₀ и В, имеет вид

Найдем значение х = х₁, для которого у = 0:

Эта формула носит название формулы метода хорд. Теперь корень ξ находится внутри отрезка [x₁, b]. Если значение корня х₁ нас не устраивает, то его можно уточнить, применяя метод хорд к отрезку [х₁, b].

Рис

Соединим точку А₁ (x₁; f (x₁) с точкой В (b; f (b)) и найдем х₂ – точку пересечения хорды А₁В с осью Ох:

Продолжая этот процесс, находим

и вообще

Процесс продолжается до тех пор, пока мы не получим приближенный корень с заданной степенью точности.

По приведенным выше формулам вычисляются корни и для случая, когда f(а) > 0, f(b) < 0, f'(x) < 0, f''(x) < 0 (рис. 3.18, б).

Теперь рассмотрим случаи, когда первая и вторая производные имею разные знаки, т.е. f'(x) ∙ f'(x) < 0.

Пусть, например, f(a) > 0, f(b) < 0, f'(х) < 0, f''(х) > 0 (рис. 3.19, а). Соединим точки A (a; f (а)) и В₀ (b; f (b)) и запишем уравнение хорды, проходящей через А и B₀:

Найдем х₁, как точку пересечения хорды с осью Ох, полагая у = 0:

Корень ξ теперь заключен внутри отрезка [a, x₁]. Применяя меч од хорд к отрезку [а, x₁], получим

и вообще

По этим же формулам находится приближенное значение корня и для случая, когда f(а) < 0, f(b)>0, f'(х) > 0, f''(х) < 0 (рис. 3.19, б).

Итак, если f'(х) ∙ f"(х) > 0, то приближенный корень вычисляется по формулам (1) и (2); если же f(х) ∙ f"(x) < 0, то – по формулам (3) и (4).

Однако выбор тех или иных формул можно осуществить, пользуясь простым правилом: неподвижным концом отрезка является тот, для которого знак функции совпадает со знаком второй производной.

Если f(b) ∙ f'' (х) > 0, то неподвижен конец b, а все приближения к корню ξ лежат со стороны конца а [формулы (1) и (2)]. Если f(а)×f''(x) > 0. то неподвижен конец а, а все приближения к корню ξ лежат со стороны конца b [формулы (3) и (4).