计算方法非线性方程的数值解法.pptVIP

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第30页,共63页,星期日,2025年,2月5日x1=φ(x0)x2=φ(x1)迭代法收敛与发散的图示第31页,共63页,星期日,2025年,2月5日迭代法的收敛与发散收敛的情形发散的情形第32页,共63页,星期日,2025年,2月5日2.2.2迭代的收敛性迭代法的收敛条件及误差估计式定理(充分性条件)设函数φ(x)在[a,b]上连续,且(1)对x∈[a,b],有φ(x)∈[a,b](2)存在0L1,使对任意x∈[a,b]有|φ′(x)|≤L1则方程x=φ(x)在[a,b]上的根x*存在且唯一;对初值x0∈[a,b],迭代过程xk+1=φ(xk)均收敛于方程的根x*。定理中的(1)对x∈[a,b],有φ(x)∈[a,b],称为适定性(映内性)。第33页,共63页,星期日,2025年,2月5日证明先证根的存在性。作连续函数ψ(x)=x-φ(x),由条件(1)x∈[a,b],φ(x)∈[a,b],即a≤φ(x)、x≤b,于是ψ(a)=a-φ(a)≤0ψ(b)=b-φ(b)≥0由于ψ(x)是连续函数,故必存在x*∈[a,b]使ψ(x*)=0.即ψ(x*)=x*-φ(x*)=0.于是x*=φ(x*)即x*为方程x=φ(x)的根。其次,证根的唯一性。设y*也是方程的根,则x*=φ(x*),y*=φ(y*),x*-y*=φ(x*)–φ(y*)=φ′(ξ)(x*-y*)x*-y*–φ′(ξ)(x*-y*)=0,(x*-y*)[1-φ′(ξ)]=0由条件(2)|φ′(x)|≤L1,故有x*-y*=0,即x*=y*所以方程在[a,b]的根唯一。第34页,共63页,星期日,2025年,2月5日再证迭代的收敛性。由xk=φ(xk-1),x*=φ(x*),有|xk-x*|=|φ′(ξ)(xk-1-x*)|≤L|xk-1-x*|≤L2|xk-2-x*|≤L3|xk-3-x*|≤……≤Lk|x0-x*|→0(k→∞)所以,对[a,b]上任取的x0,迭代公式xk+1=φ(xk)都收敛于x*。L越小收敛得越快。定理是充分性条件xk-x*=φ(xk-1)–φ(x*)=φ′(ξ)(xk-1-x*)第35页,共63页,星期日,2025年,2月5日推论:在定理的条件下,有误差估计式验后误差估计式验前误差估计式证明:|xk-x*|≤L|xk-1-x*|=L|xk-1-xk+xk-x*|≤L(|xk-x*|+|xk-1-xk|)(1-L)|xk-x*|≤L|xk-1-xk|迭代法的终点判断:只要相邻两次迭代值的偏差充分小,就能保证迭代值足够准确,因而用|xk-xk-1|控制迭代过程的结束。第36页,共63页,星期日,2025年,2月5日定理设在区间[a,b]上方程x=φ(x)有根x*,且对一切x∈[a,b]都有|φ′(x)|≥1,则对于该区间上任意x0(≠x*),迭代公式xk+1=φ(xk)一定发散。证明不可能收敛于0。第37页,共63页,星期日,2025年,2月5日第38页,共63页,星期日,2025年,2月5日第39页,共63页,星期日,2025年,2月5日计算结果见下表取方程的根2.0946。第40页,共63页,星期日,2025年,2月5日第41页,共63页,星期日,2025年,2月5日由于

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