Главная » Просмотр файлов » Heath - Scientific Computing

Heath - Scientific Computing (523150), страница 44

Файл №523150 Heath - Scientific Computing (Heath - Scientific Computing) 44 страницаHeath - Scientific Computing (523150) страница 442013-09-15СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 44)

.........................................................2.............................. ........ ... ........ . .... ... ......................................... ....... ...... . ..... ... .......... ... ........... ........ ........... .........................................................................................................................y =x −23y=xy=x21003122103........................................................................................................................................................... ..... ....... ........

....... .......................................................................................................................................................................... ........................................ ....................................................... ...................................................................................................................................

......................... ......... ...................... ....... ............................................................3001231√x+223........................................................................................................................................................ ..... ....... ...x2 +2... .......

................ ...2x−1.......... ............. ..................................................................................................... ............................................. .......... ............................................ .......................................................... ......... ...................... ....... ............................................................y=2y=xy=x1y=0y = 1 + 2/x2.............................................................................................................................................................................................................................................................................

.................................. ......... ..... .................. ........ .........................................................10012Figure 5.4: Fixed-point iterations for some nonlinear functions.3158CHAPTER 5. NONLINEAR EQUATIONSthen the iterative scheme is locally convergent, i.e., there is an interval containing x∗ suchthat the corresponding iterative scheme is convergent if started within that interval.

If, onthe other hand, |g 0 (x∗ )| > 1, then the corresponding iterative scheme diverges.The proof of this result is simple and instructive, so we sketch it here. If x∗ is a fixedpoint, then for the error at the kth iteration we haveek+1 = xk+1 − x∗ = g(xk ) − g(x∗ ).By the Mean Value Theorem, there is a point θk between xk and x∗ such thatg(xk ) − g(x∗ ) = g 0 (θk )(xk − x∗ ),so thatek+1 = g 0 (θk )ek .We do not know the value of θk , but if |g 0 (x∗ )| < 1, then by starting the iterations closeenough to x∗ , we can be assured that there is a constant C such that |g 0 (θk )| ≤ C < 1, fork = 0, 1, .

. . . Thus, we have|ek+1 | ≤ C|ek | ≤ · · · ≤ C k |e0 |,and since C k → 0, then |ek | → 0 and the sequence converges.As we can see from the proof, the asymptotic convergence rate of a fixed-point iterationscheme is usually linear, with constant C = |g 0 (x∗ )|. The smaller the constant, the fasterthe convergence, so ideally we would like to have g 0 (x∗ ) = 0, in which case a similar proofshows that the convergence rate is at least quadratic. We will next see a systematic way ofchoosing g so that this occurs.5.2.3Newton’s MethodThe bisection technique makes no use of the function values other than their signs, whichresults in sure but slow convergence. More rapidly convergent methods can be derived byusing the function values to obtain a more accurate approximation to the solution at eachiteration.

In particular, the truncated Taylor seriesf (x + h) ≈ f (x) + f 0 (x)his a linear function of h that approximates f near a given x. We can therefore replacethe nonlinear function f with this linear function, whose zero is easily determined to beh = −f (x)/f 0 (x), assuming that f 0 (x) 6= 0. Of course, the zeros of the two functions arenot identical in general, so we repeat the process. This motivates the following iterationscheme, known as Newton’s method :xk+1 = xk − f (xk )/f 0 (xk ).Newton’s method can be interpreted as approximating the function f near xk by the tangentline at f (xk ).

We can then take the next approximate solution to be the zero of this linearfunction, and repeat the process. Newton’s method is illustrated in Fig. 5.5.5.2. NONLINEAR EQUATIONS IN ONE DIMENSION159.............................................. ...... ........ ......... ........................... ..... .......... ............ .......................................................................... ............................................................................................k.................................................x↑xk+1Figure 5.5: Newton’s method for solving a nonlinear equation.Example 5.6 Newton’s Method. We illustrate Newton’s method by again finding aroot of the equationf (x) = x2 − 4 sin(x) = 0.The derivative of this function is given byf 0 (x) = 2x − 4 cos(x),so that the iteration scheme is given byxk+1 = xk −x2k − 4 sin(xk ).2xk − 4 cos(xk )Taking x0 = 3 as starting value, we get the sequence of iterations shown next, whereh = −f (x)/f 0 (x) denotes the change in x at each iteration.

The iteration is terminatedwhen |h| is as small as desired relative to |x|.x3.0000002.1530581.9540391.9339721.933754f (x)8.4355201.2947720.1084380.0011520.000000f 0 (x)9.9599706.5057715.4037955.2889195.287670h−0.846942−0.199019−0.020067−0.0002180.000000We can view Newton’s method as a systematic way of transforming a nonlinear equationf (x) = 0 into a fixed-point problem x = g(x), whereg(x) = x − f (x)/f 0 (x).To study the convergence of this scheme, we therefore determine the derivativeg 0 (x) = f (x)f 00 (x)/(f 0 (x))2 .If x∗ is a simple root (i.e., f (x∗ ) = 0 and f 0 (x∗ ) 6= 0), then g 0 (x∗ ) = 0.

Thus, the asymptoticconvergence rate of Newton’s method for a simple root is quadratic, i.e., r = 2. We have160CHAPTER 5. NONLINEAR EQUATIONSalready seen an illustration of this: the fourth fixed-point iteration scheme in Example 5.5 isNewton’s method for solving that example equation (note that the fourth iteration functionin Fig. 5.4 has a horizontal tangent at the fixed point).The quadratic convergence rate of Newton’s method for a simple root means that asymptotically the error is squared at each iteration. Another way of stating this is that thenumber of digits of accuracy in the approximate solution is doubled at each iteration ofNewton’s method.

For a multiple root, on the other hand, Newton’s method is only linearlyconvergent [with constant C = 1 − (1/m), where m is the multiplicity]. It is important toremember, however, that these convergence results are only local, and Newton’s methodmay not converge at all unless started close enough to the solution. For example, a relativelysmall value for f 0 (xk ) (i.e., a nearly horizontal tangent) tends to cause the next iterate tolie far away from the current approximation.Example 5.7 Newton’s Method for Multiple Root.

Both types of behavior areshown in the following examples, where the first shows quadratic convergence to a simpleroot and the second shows linear convergence to a multiple root. The multiplicity for thesecond problem is 2, so C = 0.5.k0123455.2.4f (x) = x2 − 1xk2.01.251.0251.00031.000000051.0f (x) = x2 − 2x + 1xk2.01.51.251.1251.06251.03125Secant MethodOne drawback of Newton’s method is that both the function and its derivative must beevaluated at each iteration. The derivative may be inconvenient or expensive to evaluate,so we might consider approximating it by a finite difference quotient over some small stepsizeh, as in Example 1.11; but this would require a second evaluation of the function at eachiteration purely for the purpose of obtaining derivative information.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
1,88 Mb
Тип материала
Учебное заведение
Неизвестно

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
Зачем заказывать выполнение своего задания, если оно уже было выполнено много много раз? Его можно просто купить или даже скачать бесплатно на СтудИзбе. Найдите нужный учебный материал у нас!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6306
Авторов
на СтудИзбе
313
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее