|
Реферат: Курсовая работа по численным методам (Математика)
1. Методом Крылова развернуть характеристический определитель матрицы А=[pic]. Исходную систему линейных уравнений решить методом Жордана-Гаусса. Решение. Метод Крылова основан на свойстве квадратной матрицы обращать в нуль свой характеристический многочлен. Согласно теореме Гамильтона-Кали, всякая квадратная матрица является корнем своего характеристического многочлена и, следовательно, обращает его в нуль. Пусть [pic] – (1) характеристический многочлен. Заменяя в выражении (1) величину [pic] на [pic], получим [pic]. (2) Возьмем произвольный ненулевой вектор [pic]. (3) Умножим обе части выражения (2) на [pic]: [pic] (4) Положим [pic], (5) т.е. [pic] (6) Учитывая (5), выражение (4) запишем в виде [pic], (7) или в виде [pic] Решаем систему (7). Если эта система имеет единственное решение, то ее корни [pic] являются коэффициентами характеристического многочлена (1). Если известны коэффициенты [pic] и корни [pic] характеристического многочлена, то метод Крылова дает возможность найти соответствующие собственные векторы по следующей формуле: [pic] (8) Здесь [pic] – векторы, использованные при нахождении коэффициентов [pic] методом Крылова, а коэффициенты [pic] определяются по схеме Горнера [pic] (9) Используя все выше сказанное, развернем характеристический определитель матрицы А=[pic] методом Крылова. Выберем в качестве начального следующий вектор: [pic], [pic] Вычислим [pic][pic][pic] Составим матричное уравнение [pic], или [pic] Полученную систему уравнений решим методом Жордана-Гаусса. | |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] | |1|9 |2 |0 |-72 |-61 |-61 | | |-1 |1 |0 |-3 |-3 |-3 | | |30 |5 |1 |-167 |-131 |-131 | |2|1 |2/9 |0 |-8 |-61/9 |-61/9 | |3|1 |0 |0 |-6 |-5 |-5 | | |0 |1 |0 |-9 |-8 |-8 | | |0 |1 |0 | | | | | |0 |0 |1 | | | |
Исходя из результатов таблицы, имеем [pic]. Таким образом характеристическое уравнение матрицы [pic] имеет вид [pic] 2. Для определения собственных чисел матрицы [pic] необходимо решить полученное характеристическое уравнение третьей степени [pic] Данное кубическое уравнение невозможно решить стандартными средствами. Воспользуемся для этой цели числовыми методами, а точнее методами приближенного вычисления.
2.1 Исследование функции. Вычислим первую и вторую производные данной функции [pic] [pic] Необходимо выбрать интервал, на котором будем находить решение. Для отделения корней существует несколько способов. Наиболее популярные из них – графический и аналитический. В литературе рассматриваются эти способы по отдельности. По заданию курсовой работы требуется отделить корни каждым из этих способов. Рискну нарушить это требование, и объединить эти два способа в один. То есть исследовать функцию аналитически и по результатам исследования построить приблизительный график функции. Областью значений исходного уравнения является вся ось [pic]. Приравняв первую производную к нулю, мы можем получить критические точки данной функции (точки минимумов и максимумов, или же точки, в которых функция не определена). [pic] [pic] [pic] Стоит отметить, что для вычисления квадратного корня, также применимы числовые методы, на которых и основаны микрокалькуляторы и программы для ЭВМ. Данные методы основаны на логарифмировании корня и последующего вычисления. [pic] [pic] вычисляется при помощи числового ряда [pic] Уравнение [pic] имеет решение [pic], [pic]. Изменив знак равенства на знак неравенства (< или >), можем найти промежутки возрастания и убывания функции.
Функция возрастает на промежутке [pic] и убывает на промежутке [pic]. Подставив в исходное уравнение значения критических точек, имеем в результате для [pic] и для [pic]. Приравняв вторую производную к нулю, мы можем найти точку перегиба и, соответственно, найти интервал, на котором функция выпуклая и вогнутая. [pic] [pic] [pic] Далее необходимо найти, интервалы, в которых график функции пересекает ось [pic]. Сразу можно определиться, что так при [pic] значение функции больше нуля, а при [pic] - меньше нуля, то одна из точек пересечения, будет лежать на данном интервале. Произведя не хитрые математические вычисления значения функции для [pic], сузим интервал до [pic]. Далее рассмотрим оставшиеся два интервала. Известно, что при [pic] - значение функции отрицательно, а в первой критической точке положительно, то будем сужать этот промежуток. В данном случае применим метод половинного деления. |[pic]|[pic] | |0 |58 | |-100 |-1059042 | |-50 |-139492 | |-25 |-19092 | |-12 |-2426 | |-6 |-320 | |-3 |4 | |-5 |-172 | |-4 |-66 | |[pic] |[pic] | |4 |-10 | |100 |939158 | |50 |109608 | |25 |11708 | |12 |814 | |6 |4 | |5 |-12 |
Таким образом получили еще один интервал [pic]. Следующий будет от [pic] и до бесконечности. Произведем аналогичные вычисления и получим промежуток [pic] На основании произведенного анализа построим график исходной функции. [pic]
2.2 Метод хорд. Сразу необходимо заметить, что существуют два случая (варианта) при решении методом хорд. Случай первый. Первая и вторая производные функции имеют одинаковые знаки, т.е. [pic]. В этом случае итерационный процесс осуществляем по формуле [pic] Случай второй. Первая и вторая производные функции имеют разные знаки, т.е. [pic]. В этом случае итерационный процесс осуществляем по формуле [pic] Для оценки точности приближение можно воспользоваться формулой [pic], где [pic] при [pic], [pic] – точное значение корня. Итак решим наше уравнение [pic] методом хорд с точностью [pic]. 2.2.1 Интервал [pic]. [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] Так как первая и вторые производные в точке, от которой мы начинаем работать имеют различные знаки, то работаем по второму варианту. Результаты вычисления приведены в таблице. |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] | |-4,0000000 |-3,0000000 |-66,0000000 |4,0000000 |0,0740741 | |-4,0000000 |-3,1142857 |-66,0000000 |-2,3688397 |0,0438674 | |-4,0000000 |-3,0440850 |-66,0000000 |1,5901736 |0,0294477 | |-4,0000000 |-3,0901012 |-66,0000000 |-0,9879693 |0,0182957 | |-4,0000000 |-3,0610770 |-66,0000000 |0,6456578 |0,0119566 | |-4,0000000 |-3,0798611 |-66,0000000 |-0,4086778 |0,0075681 | |-4,0000000 |-3,0678974 |-66,0000000 |0,2640772 |0,0048903 | |-4,0000000 |-3,0755972 |-66,0000000 |-0,1684077 |0,0031187 | |-4,0000000 |-3,0706743 |-66,0000000 |0,1083107 |0,0020058 | |-4,0000000 |-3,0738353 |-66,0000000 |-0,0692833 |0,0012830 | |-4,0000000 |-3,0718112 |-66,0000000 |0,0444729 |0,0008236 | |-4,0000000 |-3,0731096 |-66,0000000 |-0,0284836 |0,0005275 | |-4,0000000 |-3,0722776 |-66,0000000 |0,0182690 |0,0003383 | |-4,0000000 |-3,0728111 |-66,0000000 |-0,0117068 |0,0002168 | |-4,0000000 |-3,0724692 |-66,0000000 |0,0075061 |0,0001390 | |-4,0000000 |-3,0726884 |-66,0000000 |-0,0048109 |0,0000891 | |-4,0000000 |-3,0725479 |-66,0000000 |0,0030843 |0,0000571 | |-4,0000000 |-3,0726380 |-66,0000000 |-0,0019770 |0,0000366 |
[pic] 2.2.2 Интервал [pic]. [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] Так как первая и вторые производные в точке, от которой мы начинаем работать имеют различные знаки, то работаем по второму варианту. Результаты вычисления приведены в таблице. |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] | |3,0000000 |4,0000000 |4,0000000 |-10,0000000 |-0,2222222 | |3,0000000 |3,2857143 |4,0000000 |-0,8746356 |-0,0485909 | |3,0000000 |3,2344498 |4,0000000 |-0,0423087 |-0,0023505 | |3,0000000 |3,2319959 |4,0000000 |-0,0019734 |-0,0001096 | |3,0000000 |3,2318815 |4,0000000 |-0,0000919 |-0,0000051 |
[pic] 2.2.3 Интервал [pic]. [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] Так как первая и вторые производные в точке, от которой мы начинаем работать имеют одинаковые знаки, то работаем по первому варианту. Результаты вычисления приведены в таблице. |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] | |5,0000000 |6,0000000 |-12,0000000 |4,0000000 |0,6666667 | |5,7500000 |6,0000000 |-2,0156250 |4,0000000 |0,3359375 | |5,8337662 |6,0000000 |-0,1613014 |4,0000000 |0,0268836 | |5,8402098 |6,0000000 |-0,0120198 |4,0000000 |0,0020033 | |5,8406885 |6,0000000 |-0,0008909 |4,0000000 |0,0001485 | |5,8407240 |6,0000000 |-0,0000660 |4,0000000 |0,0000110 |
[pic] Итак, корнями уравнения [pic] будут [pic], [pic], [pic]. 2.3 Метод касательных (метод Ньютона). В век повальной компьютеризации не есть хорошо считать при помощи логарифмической линейки. Поэтому, разработаем алгоритм и прикладную программу для решения кубических уравнений методом Ньютона. Ниже приведена блок-схема алгоритма и листинг программы, реализующей данный алгоритм на языке С++. Также привожу текст, которая выдает данная программа при решении исходного уравнения. [pic] //метод Ньютона длЯ решениЯ кубических уравнений #include #include double a[4]={0}, b[3]={0}, c[2]={0}, prec=0.00000; double minim=0, maxim=0; void Hello(void); void Input(); void Derivative(); void Calculation(); double Calc_Fun(double); double Calc_First(double); double Calc_Second(double); main(void) { Hello(); Input(); Derivative(); Calculation(); return 0; } void Hello(void) { cout | |