Zadanie 6.3.3

 Polecenie

Wyznacz przybliżoną wartość argumentu, będącego rozwiązaniem równania \(f(x)=0\) dla podanych funkcji \(f.\)

 Wskazówki

Metoda Newtona (metoda stycznych)

Metoda Newtona (metoda stycznych) służy do wyznaczania przybliżonych wartości argumentów, będących miejscami zerowymi funkcji.

Niech funkcja \(f\) będzie ciągła, posiada pierwszą pochodną różną od zera oraz drugą pochodną w otoczeniu pewnego punktu \(\alpha.\)
rysunek_6.3.3.1
Kolejne kroki w algorytmie wyznaczania miejsca zerowego funkcji \(f.\)
  • wybieramy punkt \(x_{0}\) (większego od \(\alpha\)),
  • wyznaczenie  \(y-f(x_{0})=f'(x_{0})(x-x_{0})\)  w punkcie \(x_{0},f(x_{0}),\)
  • wyznaczenie punktu \(x_{1}\) jako miejsce zerowe stycznej, tj.
    \[ \begin{array}{l}
    \underbrace{y}_{=0}-f(x_{0})=f'(x_{0})(\underbrace{x}_{=x_{1}}-x_{0})\\
    x_{1}=x_{0}-\frac{f(x_{0})}{f'(x_{0})},
    \end{array}\]
Twierdzenie Newtona
Jeżeli funkcja \(f\) i jej druga pochodna \(f''\) na odcinku \(\left \langle \alpha, x_{0}  \right \rangle\) są tego samego znaku, wówczas punkt \(x_{1}\) jest zawarty między \(\alpha\) a \(x_{0},\) tzn. \[ \alpha \lt x_{1} \lt x_{0}.\]
  • wyznaczenie  \(y-f(x_{1})=f'(x_{1})(x-x_{1})\)  w punkcie \((x_{1}, f(x_{1})),\)
  • wyznaczenie miejsca zerowego kolejnej stycznej, czyli \[x_{2}=x_{1}-\frac{f(x_{1})}{f'(x_{1})},\]
    dla (z tw. Newtona) \(\alpha \lt x_{2}\lt x_{1} \lt x_{0},\)
  • wyznaczenie kolejnej stycznej i jej miejsca zerowego itd.
  • ogólnie tworzymy ciąg miejsc zerowych stycznych do wykresu funkcji \(f\)
    \[x_{n+1}=x_{n}-\frac{f(x_{n})}{f'(x_{n})},\]
    który coraz bardziej przybliża nas do \(\alpha\) czyli do miejsca zerowego funkcji \(f\)
    \[\alpha \lt \cdots \lt x_{3} \lt x_{2} \lt x_{1} \lt x_{0}.\]
  • Jeśli granicą ciągu \(x_{n}\) jest \(g,\) wówczas granica \(f(x_{n})\) jest równa \(f(g)=0.\) Zatem \(g=\alpha.\)

Ostatecznie metoda stycznych sprowadza się do wyznaczania co najwyżej kilku miejsc zerowych kolejnych stycznych, gdyż już za drugim, trzecim razem możemy uzyskać dość dobre przybliżenie rozwiązania równania \(f(x)=0.\)

Aby przeanalizować podaną metodę krok po kroku .

 Funkcja 1

\(f(x)=x^{2}-5,\) dla \(x\gt 0\)

 Rozwiązanie

Zakładamy, że \(x_{0}=2,5,\) zatem chcemy wyznaczyć kolejne wyrazy ciągu, \(x_{1}, x_{2}, \cdots.\) Dlaczego tak? W tym przypadku wiemy, że dodatnim pierwiastkiem równania  \[x^{2}-5=0\] jest \(\sqrt{5},\) a liczba \(2,5\) jest liczbą większą od tego pierwiastka.
Zaczynamy od funkcji \(f\) oraz pierwszej i drugiej pochodnej funkcji \(f.\)
\(f(x)=x^{2}-5\\
f'(x)=2x\\
f''(x)=2\)
Mając dany \(x_{0}=2,5\) wyznaczamy kolejne wyrazy ciągu \((x_{n}),\) korzystając ze wzoru \(x_{n+1}=x_{n}-\displaystyle\frac{f(x_{n})}{f'(x_{n})}.\)
\(x_{1}=\)  \({\displaystyle 2,5-\frac{(2,5)^{2}-5}{2\cdot 2,5}=2,5-\frac{6,25-5}{5}=2,5-\frac{1,25}{5}=2,5-0,25}\)  \(=2,25,\) ponieważ \(f\) oraz \(f''\) są na odcinku \( \left \langle \alpha;x_{0} \right \rangle\) tego samego znaku, zatem \(\alpha \lt x_{1} \lt x_{0},\)
\(x_{2}=\)  \({\displaystyle 2,25-\frac{(2,25)^{2}-5}{2\cdot 2,25}=2,25-\frac{0,0625}{4,5}=2,25-\frac{1}{72}=2\frac{1}{4}-\frac{1}{72}=2\frac{18}{72}-\frac{1}{72}=2\frac{17}{72}}\)  \(\approx 2,2361,\)  ponieważ \(f\) oraz \(f''\) są na odcinku \( \left \langle \alpha;x_{0} \right \rangle\) tego samego znaku, zatem \(\alpha \lt x_{2} \lt x_{1}.\)
Wiemy, że dodatnim pierwiastkiem tego równania jest \(\sqrt{5}\approx 2,2360,\) zatem już \(x_{2}\) jest bardzo dobrym przybliżeniem tego pierwiastka.
Oczywiście możemy liczyć kolejne wyrazy ciągu \(x_{n}\) uzyskując coraz lepsze przybliżenie rozwiązania danego równania.

 Odpowiedź

Dodatnim rozwiązaniem równania \(x^{2}-5=0\) jest \(x\approx 2,2361.\)

 Funkcja 2

\(f(x)=x^{3}-x-1\)

 Rozwiązanie

Aby podać przybliżenie rozwiązania równania \(x^{3}-x-1=0\) musimy na początku wyznaczyć taki argument \(x_{0},\) który będzie większy od faktycznej wartości pierwiastka tego równania. Tym razem nie widzimy, jaka liczba będzie pierwiastkiem, zatem możemy wyznaczyć przedział, który będzie ten pierwiastek zawierał. Np. liczymy wartość \(f(x)=x^{3}-x-1\) dla argumentów \(1, 2.\)
Widzimy, że \(f(1)=-1 \lt 0,\) natomiast \(f(2)=5 \gt 0.\) W takiej sytuacji wiemy, że argument będący miejscem zerowym mieści się w przedziale \( (1;2).\)
Zatem wybieramy na \(x_{0}=2.\)
Wyznaczamy pierwszą i drugą pochodną funkcji \(f.\)
\(f(x)=x^{3}-x-1\\
f'(x)=3x^{2}-1\\
f''(x)=6x\)
Mając dany \(x_{0}=2\) wyznaczamy kolejne wyrazy ciągu:
\(x_{1}=\)  \({\displaystyle 2-\frac{2^{3}-2-1}{3\cdot 2^{2}-1}=2-\frac{5}{11}=\frac{22}{11}-\frac{5}{11}=\frac{7}{11}}\)  \(\approx 1,5454, \) ponieważ \(f\) oraz \(f''\) są na odcinku \( \left \langle \alpha;x_{0} \right \rangle\) tego samego znaku, zatem \(\alpha \lt x_{1} \lt x_{0},\)
\(x_{2}=\)  \( {\displaystyle \frac{17}{11}-\frac{\left (\frac{17}{11} \right )^{3}-\frac{17}{11}-1}{3\cdot \left ( \frac{17}{11} \right )^{2}-1}=\frac{17}{11}-\frac{\frac{4913}{1331}-\frac{2057}{1331}-\frac{1331}{1331}}{3\cdot \frac{289}{121}-\frac{121}{121}}=\frac{17}{11}-\frac{\frac{1525}{1331}}{\frac{746}{121}}=\frac{17}{11}-\frac{1525}{1331}\cdot \frac{121}{746}=\frac{17\cdot 746}{11\cdot 746}-\frac{1525}{11\cdot 746}=\frac{11157}{8206}}\)  \(\approx 1,3596, \)  ponieważ \(f\) oraz \(f''\) są na odcinku \( \left \langle \alpha;x_{1} \right \rangle\) tego samego znaku, zatem \(\alpha \lt x_{2} \lt x_{1}.\)

 Odpowiedź

Pierwiastkiem równania \(x^{3}-x-1=0\) jest w przybliżeniu \(x\approx 1,3596.\)

 Funkcja 3

\(f(x)=\sin x -x +1,\) dla \(x \gt 0\)

 Rozwiązanie

Możemy tą metodą wyznaczać przybliżone wartości pierwiastków takich równań jak \(\sin x -x +1 =0,\) jednak potrzebny będzie kalkulator, do wyznaczania przybliżonych wartości tych przybliżeń.
Wyznaczamy pierwszą i drugą pochodną funkcji \(f(x)=\sin x-x+1\)
\(f'(x)=\cos x-1\\
f''(x)=-\sin x\)
Liczymy wartości kolejnych wyrazów ciągu \(x_{n}\) dla \(x_{0}=\pi:\)
\(x_{1}=\)  \({\displaystyle \pi-\frac{\sin \pi -\pi +1}{\cos \pi -1}=\pi-\frac{1-\pi}{-2}=\frac{2\pi-\pi+1}{2}}\)  \(=\displaystyle\frac{\pi+1}{2},\)
\(x_{2}=\)  \({\displaystyle \frac{\pi+1}{2}-\frac{\sin \frac{\pi+1}{2}- \frac{\pi+1}{2}+1}{\cos \frac{\pi+1}{2}-1}}\)  \(\approx 1,9402 \ \) (tutaj musimy użyć kalkulatora, aby przybliżyć wartość przybliżenia \(x_{2}.\))
Wybieramy \(x_{2}\) na przybliżenie pierwiastka równania \(\sin x -x +1 =0.\)
Oczywiście możemy liczyć kolejne wyrazy ciągu \(x_{n}\) uzyskując coraz lepsze przybliżenia, jednak wiedząc jaka jest wartość pierwiastka tego równania ( \(x\approx 1,93456 \ \) można wyznaczyć tą wartość posługując się kalkulatorami równań lub innymi programami matematycznymi) widzimy, że już \(x_{2}\) jest dobrym przybliżeniem tego pierwiastka.

 Odpowiedź

Rozwiązaniem równania \(\sin x -x +1 =0\) jest \(x \approx 1,9402.\)

 Polecenie

Wyznacz przybliżoną wartość argumentu, będącego rozwiązaniem równania \(f(x)=0\) dla podanych funkcji \(f.\)

 Funkcja 1

\(f(x)=x^{3}-2x-7\) na odcinku \(\left \langle 2;3 \right \rangle\)

 Odpowiedź

Przybliżoną wartością rozwiązania równania \(x^{3}-2x-7=0\) jest \(x\approx 2,26.\)

 Rozwiązanie

\[ \begin{array}{l}
f(x)=x^{3}-2x-7\\
f'(x)=3x^{2}-2\\
f''(x)=6x\\
x_{0}=3\\
{\displaystyle x_{1}=3-\frac{3^{3}-2\cdot 3-7}{3\cdot 3^{2}-2}=3-\frac{14}{25}=\frac{75}{25}-\frac{14}{25}=\frac{61}{25}=2,44}\\
{\displaystyle x_{2}=2,44-\frac{2,44^{3}-2\cdot 2,44-7}{3\cdot 2,44^{2}-2}\approx 2,2731}\\
{\displaystyle x_{3}=2,27-\frac{2,27^{3}-2\cdot 2,27-7}{3\cdot 2,27^{2}-2}\approx 2,2583}
\end{array}\]

 Funkcja 2

\(f(x)=x^{2}-3,\) dla \(x \gt 0\)

 Odpowiedź

Przybliżeniem dodatniego rozwiązania równania \(x^{2}-3=0\) jest \(\displaystyle\frac{97}{56}\approx 1,732.\)

 Rozwiązanie

\[ \begin{array}{l}
f(x)=x^{2}-3\\
f'(x)=2x\\
f''(x)=2\\
x_{0}=2\\
{\displaystyle x_{1}=2-\frac{2^{2}-3}{2\cdot 2}=2-\frac{1}{4}=\frac{7}{4}=1,75}\\
{\displaystyle x_{2}=\frac{7}{4}-\frac{\left ( \frac{7}{4} \right )^{2}-3}{2\cdot \frac{7}{4}}=\frac{7}{4}-\frac{\frac{49}{16}-\frac{48}{16}}{\frac{14} {4}}=\frac{7}{4}-\frac{1}{16}\cdot \frac{4}{14}=\frac{7\cdot 14-1}{4\cdot 14}=\frac{97}{56}\approx 1,732}
\end{array}\]
Ponieważ wiemy, że \(\sqrt{3}\approx 1,7320,\) zatem \(x_{2}\) jest już bardzo dokładnym przybliżeniem dodatniego rozwiązania równania \(x^{2}-3=0.\)