Aby udowodnić istnienie rozwiązania równania \(x^{2}=e^{x}\) na odcinku \(\left \langle -1,0 \right \rangle\) wystarczy zapisać podane równanie w postaci \(f(x)=0\) oraz udowodnić, że \(f(-1)\cdot f(0) \lt 0.\)
Przekształcamy równanie:
\[x^{2}-e^{x}=0\\
f(x)=x^{2}-e^{x}.\]
Liczymy wartości funkcji \(f\) na końcach przedziału:
\[ \begin{array}{l}
f(-1)=1-e^{-1}=1-\displaystyle\frac{1}{e}\gt 0\\
f(0)=0-e^{0}=0-1=-1 \lt 0
\end{array}\]
Zatem \(f(-1)\cdot f(0) \lt 0.\)
Aby wyznaczyć wartość argumentu, który jest rozwiązaniem danego równania, należy działać zgodnie z poniższym algorytmem.
Równanie ma postać \(x^{2}-e^{x}=0.\)
Licząc wartości funkcji \(f\) na końcach przedziału \(\left \langle -1,0 \right \rangle\) dostaniemy \(1^{o}\) przypadek, gdzie \(f(a) \gt 0\) oraz \(f(b)\lt 0.\)
Dzielimy powyższy odcinek na dwie równe części argumentem \(-\displaystyle\frac{1}{2}\) i liczymy wartość funkcji \(f(-\displaystyle\frac{1}{2}).\)
\[f(-\frac{1}{2})=\frac{1}{4}-e^{-\Large{\frac{1}{2}}}=\frac{1}{4}-\frac{1}{\sqrt{e}} \lt 0\]
Ponieważ \(f(-1)=1-e^{-1}=1-\displaystyle\frac{1}{e}\gt 0\) więc mamy różne znaki wartości funkcji na końcach przedziału.
Bierzemy teraz pod uwagę odcinek \(\left \langle -1,-\displaystyle\frac{1}{2} \right \rangle.\) Dzielimy go na dwie równe części argumentem \(-\displaystyle\frac{3}{4}.\)
Liczymy wartości funkcji dla argumentu \(-\displaystyle\frac{3}{4}.\)
\[f(-\frac{3}{4})=\frac{9}{16}-e^{-\Large{\frac{3}{4}}}=\frac{9}{16}-\frac{1}{\sqrt[3]{e^{4}}}\approx 0,56-0,47 \gt 0\]
Ponieważ \(f(-1)=1-e^{-1}=1-\displaystyle\frac{1}{e}\gt 0,\) zatem bierzemy pod uwagę odcinek \(\left \langle -\displaystyle\frac{3}{4}, -\displaystyle\frac{1}{2} \right \rangle.\)
Dzielimy go na dwie równe części argumentem \(-\displaystyle\frac{5}{8}\)
\(\left \langle -\displaystyle\frac{3}{4},-\displaystyle\frac{1}{2} \right \rangle= \left \langle -\displaystyle\frac{3}{4},-\displaystyle\frac{2}{4} \right \rangle= \left \langle -\displaystyle\frac{6}{8},-\displaystyle\frac{4}{8} \right \rangle\) .
I znów liczymy wartość funkcji \(f\) dla argumentu \(-\displaystyle\frac{5}{8}.\)
\[f(-\frac{5}{8})=\frac{25}{64}-e^{-\Large{\frac{5}{8}}}\approx 0,39-0,54 \lt 0.\]
A ponieważ
\[f(-\frac{6}{8})=f(-\frac{3}{4})=\frac{9}{16}-e^{-\Large{\frac{3}{4}}}=\frac{9}{16}-\frac{1}{\sqrt[3]{e^{4}}}\approx 0,56-0,47 \gt 0,\]
zatem bierzemy pod uwagę przedział \(\left \langle -\displaystyle\frac{6}{8},-\displaystyle\frac{5}{8} \right \rangle.\)
Ponieważ \(-\displaystyle\frac{6}{8}=0,75,\ -\displaystyle\frac{5}{8}=0,625,\) więc dzielimy podany przedział argumentem \(-\displaystyle\frac{7}{10}\)
(nie musimy koniecznie brać po uwagę połowę przedziału).
Liczymy wartość funkcji \(f\) dla argumentu \(-\displaystyle\frac{7}{10}.\)
\[f(-\frac{7}{10})=\frac{49}{100}-e^{-\Large{\frac{7}{10}}}=\approx 0,49-0,4965 \lt 0.\]
Ponieważ
\[f(-\frac{6}{8})=f(-\frac{3}{4})=\frac{9}{16}-e^{-\Large{\frac{3}{4}}}=\frac{9}{16}-\frac{1}{\sqrt[3]{e^{4}}}\approx 0,56-0,47 \gt 0,\]
zatem rozwiązanie naszego równania mieści się na pewno w przedziale \(\left \langle -\displaystyle\frac{6}{8},-\displaystyle\frac{7}{10} \right \rangle.\)
W taki sposób postępujemy aż do uzyskania interesującego nas przybliżenia.
W tej chwili możemy powiedzieć, że równanie \(x^{2}=e^{x}\) posiada rozwiązanie na odcinku \(\left \langle -\displaystyle\frac{6}{8},-\displaystyle\frac{7}{10} \right \rangle.\) Możemy podać przybliżenie rozwiązania równania do jednego miejsca po przecinku, a mianowicie \(x\approx -0,7.\)
Poniżej interpretacja graficzna rozwiązania równania.