Методические указания по МДК.01.04 «Математические методы разработки алгоритмов» (стр. 1 )

Методические указания по МДК.01.04

«Математические методы разработки алгоритмов»

Порядок выполнения лабораторных работ

Перед выполнением каждой лабораторной работы необходимо изучить теоретический материал по теме работы. Вся подготовительная работа (выбор метода решения задачи, разработка структуры данных и структуры программы, разработка схемы и текста программы) выполняется до начала лабораторного занятия. На занятии выполняется:

- ввод текста программы в компьютер;

- отладка программы;

- выполнение программы;

- печать листинга программы и результатов ее работы.

- сдача (защита) отчета по предыдущей работе.

Отчет по текущей работе оформляются после лабораторного занятия и представляется в начале следующего занятия.

Требования к оформлению отчёта по лабораторной работе

По каждой лабораторной работе составляется отчет, который должен содержать:

- титульный лист;

- название и цель работы;

- лабораторное задание;

- описание метода решения задачи;

- схему программы;

- распечатку программы и результатов ее выполнения;

- пояснительный текст к программе (описание структуры программы, назначения ее основных переменных, способов реализации отдельных функций и т. д.);

- выводы, которые должны доказывать или оценивать правильность составленной программы или объяснять допущенные ошибки.

Программа должна включать:

- вводный комментарий, в котором указывается номер лабораторной работы, ее название, фамилия и учебная группа исполнителя;

- вывод исходных данных по следующей схеме:

<идентификатор переменной> = <значение переменной>;

- вывод результатов с комментариями.

Отчет оформляется на листах формата А4 (297 х 210).

Лабораторная работа № 1

Численное решение нелинейных уравнений с одним неизвестным

Цель работы – изучение методов численного решения нелинейных уравнений с одним неизвестным, приобретение навыков программирования реализации этих методов на языке С.

Методические указания

Уравнение с одним неизвестным x в общем случае имеет вид:

z(x) = g(x), (1.1)

где z(x) и g(x) - функции, определенные на некотором числовом множестве X, называемом областью допустимых значений уравнения.

Другая форма записи уравнения с одним неизвестным имеет вид:

f(x) = 0, (1.2)

где f(x) = z(x) – g(x) получается в результате переноса функции g(x) в левую часть уравнения (1.1).

Всякое значение x*, которое при подстановке в уравнение (1.2) обращает его в числовое равенство, а функцию f(x) - в ноль, т. е. такое, что

, (1.3)

называется корнем уравнения, или нулем функции f(x).

Решить уравнение – значит найти все его корни (решения) или доказать, что уравнение не имеет корней.

Для алгебраических уравнений число корней известно заранее. Каждое алгебраическое уравнение степени n имеет в множестве комплексных чисел n корней с учетом кратности.

Методы решения

Аналитическое (явное) решение, т. е. решение в виде готовой формулы, выражающей неизвестное x через параметры уравнения, можно получить только для ограниченного круга уравнений, например формулы для вычисления корней квадратного (аx2+bx+c=0) и кубического (x3+px+q=0) уравнений. Решение некоторых простейших трансцендентных уравнений может быть получено в аналитической форме с использованием степенных рядов, непрерывных дробей и т. д.

В большинстве случаев найти явное решение уравнения очень сложно или невозможно. Кроме того, использование аналитических формул для решения большинства уравнений не может обеспечить получение точного значения корня, поскольку коэффициенты уравнения являются приближенными величинами, определенными в результате измерений. Поэтому задача отыскания точного значения корня теряет смысл.

Ставится задача – определить приближенное значение корня уравнения с заданной точностью.

Приближенное решение математических задач лежит в основе численных методов.

Особенности численных методов решения

Этапы численного решения нелинейного уравнения

Численное решение уравнения f(x) = 0 (речь идет о действительных корнях) проводят в два этапа:

1) отделение корней, т. е. отыскание таких достаточно малых отрезков в области допустимых значений x, в которых содержится только один корень;

2) уточнение корней, т. е. вычисление корней с заданной точностью.

Отделение корней

Рассмотрим несколько способов отделения корней.

С п о с о б 1 – по графику функции y = f(x).

Корень уравнения f(x) = 0 приближенно определяется как абсцисса точки пересечения графика с осью Оx (рис. 1.1). Устанавливаются границы a и b отрезка, в пределах которого заключен только один корень x*.

С п о с о б 2 – уравнение f(x) = 0 заменяют равносильным:

.

Строят графики функций и

Приближенное значение корня определяют как абсциссу точки пересечения этих графиков.

Например: отделим корень уравнения

(1.4)

для области значений аргумента x > 0.

Преобразуем уравнение (1.4) к виду:

где

Строим графики (рис. 1.2) и находим приближенно x* и отрезок .

С п о с о б 3 – по таблице значений функции f(x) на интересующем интервале изменения аргумента x. Например, представим таблицу (табл. 1.1) значений функции

.

Таблица 1. 1

Таблица значений функции

x	1,0	4,0	7,0	10,0	13,0	16,0	19,0	22,0	25,0
f(x)	-14,0	-4,7	-1,6	0,2	1,4	2,4	3,2	3,8	4,4

Из данных табл. 1.1 видно, что корень уравнения существует и его следует искать на отрезке [7,0; 10,0], так как значения функции на концах этого отрезка имеют разные знаки.

С п о с о б 4 – аналитический метод отделения корней, который базируется на знании следующих свойств функции:

а) если функция непрерывна на отрезке и принимает на концах этого отрезка значения разных знаков, то внутри отрезка существует по крайней мере один корень уравнения ;

б) если функция непрерывна и монотонна на отрезке и принимает на концах отрезка значения разных знаков, а производная сохраняет постоянный знак внутри отрезка, то внутри этого отрезка существует корень уравнения и притом единственный.

Функция называется монотонной в заданном интервале, если при любых из этого интервала она удовлетворяет условию (монотонно возрастающая функция)

a x* b

или (монотонно убывающая функция).

Необходимым и достаточным условием монотонности функции в заданном интервале является выполнение для всех внутренних точек этого интервала условия или

Зная свойства функции , можно сделать вывод о характере графика , что может существенно облегчить процесс отыскания корней. Продемонстрируем это для непрерывной и монотонной на отрезке функции , которая принимает на концах отрезка значения разных знаков, имеет во всех точках интервала первую и вторую производные и , сохраняющие постоянный знак (рис. 1.3).