Глава 2. Решение алгебраических и трансцендентных уравнений.

2.1. Постановка задачи

Нелинейные уравнения с одной переменной подразделяются на алгебраические и трансцендентные.

В общем случае алгебраические и трансцендентные уравнения можно записать в виде:

f(x)=0 ,

где функция f(x) определена и непрерывна на конечном или бесконечном интервале [a,b].

• Уравнение f(x)-го называется алгебраическим, если функция f(x) является алгебраической функцией. Т.е. путем алгебраических преобразований из всякого алгебраического уравнения можно получить уравнения в канонической форме:

• Если в уравнение помимо алгебраических операций входят тригонометрические, логарифмические, показательные и степенные функции, то такое уравнение называется трансцендентным.

Решением уравнения называют всякое число х, обращающее данное уравнение в верное равенство. Графически корень уравнения – точка пересечения графика функции f(x), входящей в уравнение, с осью Ox.

Известно, что всякое алгебраическое уравнение имеет, по крайней мере, один корень вещественный или комплексный. При приведении алгебраического уравнения к канонической форме будем иметь те же корни, что и для исходного уравнения. Однако при этом могут появиться некоторые лишние корни.

Два уравнения f(x) и g(x) называются равносильными (эквивалентными), если всякое решения каждого из них является решением и для другого, т.е. множество решений этих уравнений совпадают.

Поскольку подавляющее большинство нелинейных уравнений с одной переменной не решаются путем аналитических преобразований (точными методами), то на практике их решают только численными методами. Решить такие уравнения – это значить установить имеет ли оно корни, сколько корней и найти значение корней с заданной точностью.

Задача численного нахождения действительных и комплексных корней уравнения обычно состоит из двух этапов:

• отделение корней, т.е. нахождения достаточно малых окрестностей рассматриваемой области, в которых содержится одно значения корня.

• Уточнения корней, т.е. вычисление корней с заданной степенью точности в некоторой окрестности.

Наиболее распространенными на практике методами решения уравнения являются: метод половинного деления (дихотомии), метод хорд, метод касательных (Ньютона), комбинированный метод, метод простых итераций, метод золотого сечения, метод Фибоначчи.

Применение того или иного численного метода для решения уравнения зависит от числа корней задания исходного приближения и поведения функций f(x).

2.2. Отделение корней

Первый этап решения уравнения состоит в отделении корней, т.е. в установлении точных, достаточно малых промежутков, содержащих только один корень.

Отделение корней во многих случаях можно произвести графически, т.к. действительные корни уравнения f(x)=0 это точки пересечения графика функции f(x) с осью абсцисс. В сомнительных случаях графическое отражение корней необходимо подкрепить вычислениями.

При этом полезно использовать следующие положения:

1. Если непрерывная на отрезке [a,b] функция f(x) принимает на его концах значения разных знаков, т.е. f(a)*f(b)<0, то уравнение имеет на этом отрезке, по меньшей мере, один корень.

2. Если функция f(x) к тому же еще и монотонна, то корень на отрезке [a,b]единственный.

Для определения корней можно эффективно использовать ЭВМ.

П ример:

Пусть имеется уравнения f(x)=0, причем будем считать, что все интересующие нас корни находятся на отрезке [A,B], на котором функция f(x) определена и непрерывна. Требуется отделить корни уравнения, т.е. указать все отрезки , содержащие по одному корню.

Будем вычислять значение f(x) начиная с точки x=A, двигать вправо с некоторым шагом h. Как только обнаружится пара соседних значений f(x), имеющих разные знаки, и функция f(x) монотонна на этом отрезке, то соответствующее значение аргумента х (предыдущее и последующее) можно считать концами отрезка, содержащего корень.

Надежность рассмотренного подхода зависит от характера функции f(x) и от выбранной величины шага h. Шаг должен быть достаточно малым, чтобы не потерять корни, так как при большой величине корня может оказаться, что , а на отрезке [x, x+h] имеется два корня. Либо, произведение , а на отрезке [x, x+h] не один а три корня!