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标题可改为数值解辗转相截法或使用辗转相截法求数值解

【摘要】:辗转相截结构,定为根的x的层层区间套,对每一根而言,也必有在其左右侧,f-a的反号,而mi则由恰反号的K*,K*+1定。对f,就辗转相截法而言,无须f自身性质的苛求,只要对每xk可计算,一式可,一段程序可,甚一实验也可。一般依其对f的简单认识和问题所需来。在过程中逐步加深对f的认识,更有利于求解。

在§7中,我们讲“待定K”法,实际地已讲了单根情形的解方程,如x10=2,x3+x=8等。

这节,我们更一般的设找方程f(x)=a在区间(α,β)内的根,构造其中每一个根的E=m0C0+C1,C0=m1C1+C2,C1=m2C2+C3,……辗转相截结构,定为根的x的层层区间套,对每一根而言,也必有在其左右侧,f(xk)-a的反号,而mi则由恰反号的K*,K*+1定。定mi=K*

对f(x),就辗转相截法而言,无须f(x)自身性质的苛求,只要对每xk可计算,一式可,一段程序可,甚一实验也可。故匡其根的(α,β)之定,完全随用者之心。一般依其对f(x)的简单认识和问题所需来。一次没框住,还可再框。在过程中逐步加深对f(x)的认识,更有利于求解。我们从以下诸例去体会。

例1 x3+4x2+x=1

设f(x)=x3+4x2+x则y=f(x)曲线,当x→-∞,y→-∞;x→+∞,y→+∞

f(0)=0,f(1)=6

f(-1)=2,f(-2)=8,f(-3)=6,f(-4)=-4,

由此便可断(-4,-3)(-1,0)(0,1)为三根之各居。此题可分为三单根题分别做,也可一个(α,β)框三根而做。

这里,我们可定(-4,1)为搜根的区间,故设:

①设E=KC0

这里,我们可确定的是K=14,K=15,有明白f(x)变号。然,我们不能忽视K=1,K=2,虽这里不现(fx)变号,但在中,有(f0)=0,从到(f0)=0<1,从(f0)=0<1到(fl)>l,肯定有两个根,故这里要先认E=C0+C1,以便下面好继续查。

②在认E=C0+C1下,设C0=KC1,有

至此,这三次方程的三个根所处区间我们全搜出来了:

由E=14C0+C1,有

由E=C0+C1,C0=C1+C2,有

由E=C0+C1,C0=4C1+C2,有

下面便是各自依各自的“历史”再收紧其区间套:

紧x1,E=14C0+C1,设C0=KC1,E=(14K+1)C1

紧x2,E=C0+C1,C0=C1+C2,设C1=KC2

至此由E=C0+C1,C0=C1+C2,C1=C2+C3,有

由这样的辗转相截,我们可假设C0与E成K=1的等比截:

紧x3,E=C0+C1,C0=4C1+C2,设C1=KC2

至此由E=C0+C1,C0=4C1+C2,C1=C2+C3,有

我们若对此辗转相截作(1,4)循环截假设,可得:

在此例中,我们用了“认”字,“认”者,是先不能断定,若“认”而继续有下步之“定”,则前之“认”也就随之“定”!

例2 

则y=f(x)曲线过原点,且x→±∞,都有y→+∞,曲线开口向上,有(f0)=0,(f2)=0,(f1)=-0.5,

由此知这四次曲线大体如右:

有了这样明白分析,显然以(0,2)为搜根区间。故设:

①设E=KC0

这是将(0,2)视为一个E,设E=KC0便是查(0,……,1)显然这一步,对即x处的(1,2)没细查,故也要先认E=C0+C1

②在认E=C0+C1情况下设C0=KC1,有

至此,关于x=1对称的四个根全部搜出。各自可带着“历史”再各自辗转相截下去,请读者自己完成,注意,根形式不变。

例3 x5-6x4-2x3+6x2+x=1

设f(x)=x5-6x4-2x3+6x2+x

f(0)=0,f(1)=0,且x→+∞,f(x)→+∞

然从最高次两项看x5-6x4,要x>6,才有f(x)>0而向+∞去,x→-∞,f(x)→-∞,有f(-1)=0,f(-2)=-90,故可考虑在(-1,7)中搜根。

设x=-1+8·

①设E=KC0

已套住四个根,注意f(-1)=0,故再继续取K值肯定有变号,并跨大步:

再强调,K=60,K=70有变号,但绝不能由此定解,而是需要再取K=66,K=67,K=68的变号而定解!

也再强调,下面各自收紧时,带的“历史”不一样,然由(-1,7)定的是共同的。

②紧x1,E=C0+C1,设C0=KC1

K取1时,x=3,f(3)=-240,故K从大点值起

紧x2,E=4C0+C1,设C0=KC1

对此根的辗转相截表达式,似乎可设C0,E为K=4的等比截,由此有

紧x3,E=5C0+C1,设C0=KC1

紧x4、x5,相对于x1、x2、x3,已有的x4、x5,区间套长,由E=17C0+C1已定有由E=67C0+C1定有已是足够紧了。

根据y=f(x)的零点和方程根即y=f(x)与y=1交点位置,我们可大体描出其曲线:

解题前,定了x=0,-1,1为零点,则

f(x)=x(x2-1)(x2-6x-1)

由:x2-6x-1=0,可解得两零点,即x=-0.16228和x=6.16228,作草图如图下:

例4 方程为

此题,实际是将f(x)的八个零点全告诉,y=0.1也近零,要用辗转相截法求f(x)=0.1的根。

取搜根区间,显然左、右稍放宽。定设根采用自向左的反向截:

①设E=KC0

定E=C0+C1,有这是一个大区间,其中肯定有一根,但可能不只一个根

注意,虽然K=2,K=3均有(fx)<0.1,但在间,有(f1)=0,在曲线有一拱,故必须先认E=2C0+C1,另在(1,2)都有f(x)<0(见上图示),故跨取K值:

定E=8C0+C1

这明白是一个解,近x=2零点的一个解。

②在认E=2C0+C1情况下设C0=KC1

这里,连续有f(x)<0.1,怀疑在是一特低之拱,再取中间点验,肯定其疑,由此也肯定,方程(fx)=0.1只有最多六个根!

③在已定E=C0+C1,有情况下

设C0=KC1,在再细搜(www.chuimin.cn)

这里,K=1,K=2,虽(fx)未现变号,但x在中,有(f0)=0,有(f)=0,在上,y=(fx)有一拱可能与y=0.1相交,故要认下C0=C1+C2,以便下面在E=C0+C1,C0=C1+C2下,设C1=KC2,再细查其中可能有两个解。

K=2,K=3,也未见(fx)变号,但在上,f(x)有一拱,可能与y=0.1相交,故又要认下C0=2C1+C2,以便下面在E=C0+C1,C0=2C1+C2下再设C1=KC2,细查其中可能有两个解。

K=4~K=6,皆f(x)<0,略去。

K=7,K=8,由E=C0+C1,C0=7C1+C2,确定有一个解,近x=-1零点的一个解。

4○认E=C0+C1,C0=C1+C2,设C1=KC2

由C1=KC2,C0=(K+1)C2,E=(2K+1)C2

这里,由E=C0+C1,C0=C1+C2,C1=2C2+C3,定

这为临近x=0零点的根。

由E=C0+C1,C0=C1+C2,C1=5C2+C3,定

这为临近零点的根。

⑤在认E=C0+C1,C0=2C1+C2情况下,设C1=KC2

由C1=KC2,C0=(2K+1)C2,E=(3K+1)C2

这里,由E=C0+C1,C0=2C1+C2,C1=C2+C3,定

由E=C0+C1,C0=2C1+C2,C1=2C2+C3,定

这就为临近零点和零点的两个根。

做这个题,我们是先得x>2的一个根,并断定了上是y=(fx)之一特低拱不与y=0.1相交,这是从方向搜的结果。而是未细搜的大子区间,在搜这区间时,也是随K增大,搜向方向。先定下x<-1的一个根,而留下设E=KC0步时,定了E=C0+C1这一支在设E=KC0时的分支。由于K=1,2,3,(fx)都未变号,然分明有y=(fx)的两拱上一拱,上拱,是必须考查的。故有认E=C0+C1,C0=C1+C2下之继续搜和认E=C0+C1,C0=2C1+C2下之继续搜。在拱,在拱各搜出两个根。

求(fx)=0在(α,β)内的根。在设E=KC0步,是定E=m0C0+C1,一是有f(x)-a的变号,可定m0,没有f(x)-a的变号,根据人对f(x)之认识,疑K=K*,K=K*+1定的x所定区间内有根,也要认下一个m0。所以在此步,若人机对话式解方程,当记m0(i0),i0=1,2,3,以后也如此,并要带“历史”,故m1当记为m1(i0,i1),……,如此,人机对话式分支式地完成任务。

如此例,及:

凡最后“定”者,前面之“认”也随之“定”;前面已“定”者,至少有一个解,而紧接步不能明显“定”者也必须“认”而继续。如此解的通表达式及树形图辗转相截结构表达,便为辗转相截已得解的全记录,各支还要继续下去,机算时,显然诸mi是不同维数的“变量”。

对此题而言,如果设做起来会更顺畅。但不牵出若多问题,怎么将辗转相截这新解法的注意点尽可能地讲到呢?

这里,也给出设解此题的提示:

从图上注意零点,尤可能与y=0.1相交的及在上的三拱。

①设E=KC0

分析:既要看f(x)的反号,也要看x。

K=1,K=2,f(x)反号,故肯定有解,在中,有确定解一个,还有上一拱待查。故要定E=C0+C1,记待设C0=KC1再查,肯定有一解,是否还有两解待查。

K=2,K=3,这里虽f(x)不见反号,然在中,有是f(x)的零点,在上有一拱,若与y=0.1相交,便有两解,故需先认E=2C0+C1

K=3,K=4,函数f(x)不见反号,然在中有是零点,有上一拱,若与y=0.1相交,又是两个解。

K=5~K=7,皆f(x)<0,略去。

K=8,K=9,f(x)反号,有E=8C0+C1一个确定解。

下面便是以上四情形的分别继续下去了。

读者自己做下去,没有完,因即使分别框住了,而每根之区间套之收紧是可无限做下去的。

例5 举一个无穷多个根之例

函数sin(tanx)无限次振动,与无限次相交

用三角式表达其解:

列此解表达式,可为下面辗转相截得的数值解定解的脚标。以此表明辗转相截法不会漏掉解。

显然,根设为:

①设E=KC0

由此定E=3C0+C4,定

除以π,等于0.13185π

除以π,等于0.18378π

由此可断,对此根,故此根定为x0

中,向0方向,方程只有这一个解

无穷多解是在间,故,虽K=1,有函数无定义,仍需先认E=C0+C1

②认E=C0+C1,设C0=KC1,则

由此定E=C0+C1,C0=3C1+C2

可判故此解为x1

由此定E=C0+C1,C0=9C1+C2

可断此根为x2

大体连续十个K值左右,盖sin(tanx)的一周期

再看K=10000以上

定E=C0+C1,C0=10001C1+C2

89°59′27″36″′23″″,89°59′27″36″′35″″

可断定此根为x2027

定E=C0+C1,C0=10007C1+C2

89°59′27″37″′33″″,89°59′27″37″′45″″

可断定故此根为x2028

从sin(tanx)数值可看到,在K=10000以上,也大体相连十个左右K值,才覆盖sin(tanx)的一个周期的之变。故由此可肯定,用辗转相截法,不会漏掉根。

高等数学中,都要讲

在x→0时的无限次振荡,口难讲,图难画,然这样地辗转相截,可列出无穷多解,哪怕x2027已压缩在89°59′27″36″′里,x2028已压缩在89°59′27″37″′里。数值,一台计算机在讲台上演示,甚打出,续上表,K≥1000000

有89°59′59″40″′33″″36″″′8″″″~12″″″的x202643

89°59′59″40″′33″″36″″′33″″″~37″″″的x202644