§3.2 简单迭代法
迭代法是一种逐次逼近的方法,其基本思想是利用某种递推算式,使某个预知的近似根(简称初值)逐次精确化,从而得到一个近似根序列,使得该近似根序列的极限就是方程的根。
对非线性方程f()=0,用简单迭代法求根的具体做法是:
设函数f()在有根区间上连续,将方程f(x)=0改写成等价形式:=,例如,最简单的可取=。然后取初始值,计算=,0,1,2,…,可得一序列{}。这种方法称为迭代法(或简单迭代法),称为迭代函数。如果连续,且序列{}收敛到,则有:
即满足方程=,而方程=与方程f()=0等价,所以就是方程f()=0的一个根。此时称该迭代法收敛;否则称迭代法发散。
迭代法的几何意义可解释为:求方程=的根,在几何上就是求直线y=x与曲线y=交点P*的横坐标,见下图。
对于的某个初始近似值x0,对应于曲线y=上一点P0(x0,),过P0点引平行于x轴的直线,交直线y=x于点Q1(x1,x1),过Q1再作平行于y轴的直线,它与曲线y=的交点记作P1(x1,);过AP1再作平行于x轴的直线,又交直线y=x于点Q2(x2,x2),…。继续如此做下去,就在曲线y=上得到点列P0,P1,P2,…,逐渐逼近于曲线y=与直线y=x的交点P*,点列的横坐标x0,x1,x2,…,逐渐趋于根。可见,此时迭代格式收敛,如下图中的(A),(B),否则迭代格式发散,如下图中的(C),(D)。
从图中可知,当迭代函数满足不同条件时,迭代过程的收敛情况也有所不同。由此可见,迭代过程的收敛依赖于迭代函数的构造,为使迭代法有效,必须保证它的收敛性,一个产生发散序列的迭代函数是没有任何使用价值的。
设为连续函数,且,则。故是方程的解,称为迭代函数的不动点,故简单迭代法又称为不动点迭代法。
上述这种迭代法,是从一个初始近似值x0出发计算迭代的,一般也称为单点迭代法,由迭代产生的数列{}称为迭代序列。显然,迭代函数依赖于函数f(x),用不同的方法构造迭代函数就得到不同的迭代方法。
但是要注意,迭代法的效果并不总是令人满意的,迭代过程可能收敛,也可能发散,就是同一个方程,当取不同迭代格式时也会得到完全不同的效果。
【例
解 把方程分别改写成下列三种等价的便于迭代的形式:
⑴ =16-;⑵ ;⑶
若取相同的初值x0=3,分别迭代计算得到的结果列于下表:
k |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
x(1) |
3 |
7 |
-33 |
-1073 |
-1151313 |
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|
|
|
x(2) |
3 |
4 |
3.2 |
3.810 |
3.326 |
3.699 |
3.405 |
3.632 |
3.454 |
x(3) |
3 |
3.571 |
3.531 |
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已知方程的一个根是3.531。从表中数据的变化趋势看,迭代格式x(1)得到的序列是发散的;迭代格式x(2)得到的序列虽然收敛,但收敛速度很慢;迭代格式x(3)得到的序列不但收敛,而且收敛速度很快。
【例
解:将方程分解为迭代形式:
图形与交点的横坐标在区间
内,取初值,按迭代公式:计算数据如下:0.5000 0.6065 0.5452 0.5797 0.5601 0.5712 0.5649 0.5684 0.5664 0.5676 0.5669 0.5673 0.5671 0.5672 0.5671 0.5672 0.5671 0.5671
从上述计算可以看出,迭代函数选取的不同,相应的迭代序列的收敛情况也不一样,即使同是收敛的迭代格式,也有一个速度快慢的问题。对于一个发散的迭代过程,纵使进行千百次迭代,其结果也是毫无价值的。迭代法的敛散性关键取决于迭代函数在有根区间内的性态。首先,迭代函数必须使由初始值x0产生的迭代序列{},满足{},(迭代函数的定义域);其次,从迭代法的几何意义图上看到,函数曲线变化比较缓慢是迭代收敛的良好征兆。图中收敛的情况,其共同特征是曲线走势比较平坦,而发散的共同特征是曲线走势很陡峭。
定义
其中0<L<l,则称是区间上的压缩映象,数L称为压缩系数。
例如,就是区间上的压缩映象,因为:
这时压缩系数为。由此定义还可以得出,区间上的压缩映象,一定是区间上的连续函数。
若是压缩映象,则一定有唯一的不动点,这就是著名的压缩映象原理。
定理
⑴ 函数在上有唯一的不动点;
⑵ 对任何迭代初值,不动点迭代=收敛于不动点,即;
⑶ 迭代n次的误差估计式有:①
②
其中L为压缩系数。误差估计式②称为事后估计,它常常作为上机计算时的停机标准,这种误差估计也叫做实用估计;误差估计式①称为先验估计式,根据给定的误差要求,可估计出计算的步数k,由①式可以得出以下估计式:
,两边取对数得:
由于0<L<l,所以,则可得:
应用压缩映象原理判断不动点迭代的收敛性的关键在于找到小于1的正数L作为压缩系数,寻找这样的L比较困难,下面的推论以条件<1代替条件O<L<1。
推论 设迭代函数,并且在区间上有<1,则定理
由迭代格式的几种图形中,可以清楚地看出,当导数时,迭代法单调收敛;当导数时,迭代法振荡收敛;当导数时,迭代法单调发散;当导数时,迭代法振荡发散。