Метод хорд (Bymk; ]kj;)

Перейти к навигации Перейти к поиску

Метод хорд — итерационный численный метод приближённого нахождения корня уравнения.

Геометрическое описание метода секущих

[править | править код]

Будем искать нуль функции . Выберем две начальные точки и и проведем через них прямую. Она пересечет ось абсцисс в точке . Теперь найдем значение функции с абсциссой . Временно будем считать корнем на отрезке . Пусть точка имеет абсциссу и лежит на графике. Теперь вместо точек и мы возьмём точку и точку . Теперь с этими двумя точками проделаем ту же операцию и так далее, то есть будем получать две точки и и повторять операцию с ними. Отрезок, соединяющий последние две точки, пересекает ось абсцисс в точке, значение абсциссы которой можно приближённо считать корнем. Эти действия нужно повторять до тех пор, пока не получим значение корня с нужным приближением.

Алгебраическое описание метода секущих

[править | править код]

Пусть  — абсциссы концов хорды,  — уравнение функции, решаемое методом секущих. Найдём коэффициенты и из системы уравнений

Вычтем из первого уравнения второе:

затем найдём коэффициенты и :

тогда

Уравнение принимает вид

Таким образом, теперь можем найти первое приближение к корню, полученное методом секущих:

Теперь возьмём координаты и и повторим все проделанные операции, найдя новое приближение к корню. Таким образом, итерационная формула метода секущих имеет вид:

Повторять операцию следует до тех пор, пока не станет меньше или равно заданному значению погрешности.

Метод хорд с итерационной формулой

[править | править код]
Первые три итерации метода хорд. Синим нарисована функция f(x), красными проводятся хорды

Иногда методом секущих называют метод с итерационной формулой

Этот метод можно считать разновидностью метода простой итерации, и он имеет меньшую скорость сходимости. Далее для определённости этот метод будем называть методом хорд, а метод, описанный в предыдущем разделе, методом секущих.

Пример использования метода секущих

[править | править код]

Решим уравнение методом секущих. Зададимся точностью ε=0.001 и возьмём в качестве начальных приближений и концы отрезка, на котором отделён корень: и , числовые значения и выбраны произвольно. Вычисления ведутся до тех пор, пока не будет выполнено неравенство .

В нашем примере, в значение подставляется , а в значение подставляется . Значение это будет числовое значение полученное по этой формуле. В дальнейшем подставляем в формулу в значение , а в значение .

По этой формуле последовательно получаем (подчёркнуты верные значащие цифры):

Метод секущих. Первый случай
  ; 
  ;
  ;
  ; 
  ;
  ;
  ;
  ;
  ; 
  ;

Проверим, что метод работает и в том случае, если и выбраны по одну и ту же сторону от корня (то есть, если корень не отделён на отрезке между начальными приближениями). Возьмём для того же уравнения и . Тогда: (картинка уже не из метода секущих, а из метода дихотомии)

Метод секущих. Второй случай
  ; 
  ; 
  ; 
  ; 
  ;
  ;
  ; 
  ;

Мы получили то же значение корня за то же число итераций.

Сходимость метода секущих

[править | править код]

Итерации метода секущих сходятся к корню , если начальные величины и достаточно близки к корню. Метод секущих является быстрым. Порядок сходимости α равен золотому сечению:

Таким образом, порядок сходимости больше линейного, но не квадратичен, как у родственного метода Ньютона.

Этот результат справедлив, если дважды дифференцируема и корень не является кратным — .

Как и для большинства быстрых методов, для метода секущих трудно сформулировать условия сходимости. Если начальные точки достаточно близки к корню, то метод сходится, но нет общего определения «достаточной близости». Сходимость метода определяется тем, насколько функция «волниста» в . Например, если в интервале есть точка, в которой , то процесс может не сходиться.

Критерий и скорость сходимости метода хорд

[править | править код]

Если  — дважды непрерывно дифференцируемая функция, и знак сохраняется на рассматриваемом промежутке, то полученные приближения будут сходиться к корню монотонно. Если корень уравнения находится на отрезке , производные и на этом промежутке непрерывны и сохраняют постоянные знаки и , то можно доказать[1], что погрешность приближенного решения стремится к нулю при , то есть метод сходится и сходится со скоростью геометрической прогрессии (при этом говорят, что он имеет линейную скорость сходимости).

Историческая справка

[править | править код]

Первым, кто смог найти приближённые решения кубических уравнений, был Диофант, тем самым заложив основу метода хорд. Сохранившиеся работы Диофанта сообщают об этом. Однако первым, кто понял его методы, был Ферма в XVII веке, а первым, кто дал объяснение методу хорд, был Ньютон (1670-е гг.).[2]

Реализация

[править | править код]
#include <iostream>
#include <math.h>

double f(double x) {
    return sqrt(fabs(cos(x))) - x; // Заменить функцией, корни которой мы ищем
}

// a, b - пределы хорды, epsilon — необходимая погрешность
double findRoot(double a, double b, double epsilon) {
    while(fabs(b - a) > epsilon) {
        a = a - (b - a) * f(a) / (f(b) - f(a));
        b = b - (a - b) * f(b) / (f(a) - f(b));
    }
    // a, b — (i - 1)-й и i-й члены

    return b;
}
from math import sin
from typing import Callable
import unittest


def secant(f: Callable[[float], float], x0: float, eps: float=1e-7, kmax: int=1e3) -> float:
	"""
	solves f(x) = 0 by secant method with precision eps
	:param f: f
	:param x0: starting point
	:param eps: precision wanted
	:return: root of f(x) = 0
	"""
	x, x_prev, i = x0, x0 + 2 * eps, 0
	
	while abs(x - x_prev) >= eps and i < kmax:
		x, x_prev, i = x - f(x) / (f(x) - f(x_prev)) * (x - x_prev), x, i + 1

	return x


class TestSecant(unittest.TestCase):
	def test_0(self):
		def f(x: float) -> float:
			return x**2 - 20 * sin(x)


		x0, x_star = 2, 2.7529466338187049383

		self.assertAlmostEqual(secant(f, x0), x_star)


if __name__ == '__main__':
	unittest.main()

Модификации

[править | править код]

Метод ложного положения[англ.] отличается от метода секущих только тем, что всякий раз берутся не последние 2 точки, а те точки, которые находятся вокруг корня.

Литература

[править | править код]
  1. Демидович Б. П. и Марон И. А. Основы вычислительной математики. — Наука, 1970. — С. 664.
  2. Бахвалов, Жидков, Кобельков. Численные методы. — Наука. — ISBN 5-94774-060-5.

Примечания

[править | править код]
  1. Алгебра. Дата обращения: 24 ноября 2009. Архивировано из оригинала 3 декабря 2007 года.
  2. Математика и её история. Джон Стиллвелл