книги / Практические занятия по высшей математике. Численное решение алгебраических и трансцендентных уравнений, матричное исчисление, векторный анализ и интегрирование линейных дифференци
.pdfПРАНТИЧЕСНИЕ ЗАНЯТИЯ ПО ВЫСШЕЙ МАТЕМАТИНЕ
ЧАСТЬ V
(Численное решение алгебраических и трансцендентных уравнений, матричное исчисление, векторный анализ и интегрирование линейных дифференциальных уравнений первого порядка
с частными производными)
Издание второе, стереотипное
ИЗДАТЕЛЬСТВО
ХАРЬКОВСКОГО |
УНИВЕРСИТЕТА |
Х а р ь к о в |
1 9 7 2 |
617
К20
Книга содержит подробный разбор и решение типовых задач по таким разделам высшей матема тики: векторный анализ, алгебра матриц и их приложений к решению задач линейной алгебры, линейные дифференциальные уравнения с част ными производными первого порядка, решение алгебраических и трансцендентных уравнений.
Книга рассчитана на студентов высших тех нических учебных заведений и может быть по лезной также преподавателям, ведущим практи ческие занятия.
Илья Абрамович Каплан
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ ПО ВЫСШЕЙ МАТЕМАТИКЕ
Часть V
Редактор Р. М. Деревянченко
Обложка художника И. Ф. Криворучко Техредактор Г. Я. Александрово Корректор Л. Я. Пипенко
Сдано н набор 28/VI 1968 г. Подписано к печати 20/Х 1968 г БЦ 68807. Формат бОхЭО1/^. Объем: 25,75 физ. печ. л., 25,75 уел. печ. л., 22,3 уч.-изд. л. Зак. 2-177. Тираж 75000. Цена 92 коп. Св. ТП 197^ г. поз. 31.
Отпечатано с матриц Книжной фабрики им. М. В. Фрунзе Комитета по печати при Совете Министров УССР, Харьков, Донец-Захаржевская, 6/8 на Типоофсетной фабрике «Коммунист» Комитета по печати при Совете Министров УССР, Харьков, Энгельса, 11.
31—72
ПРЕДИСЛОВИЕ
Эта книга, как и ее предыдущие четыре части, предназначена в основном для студентов, которые обучаются по вечерней си стеме и заочно.
В книгу вошли упражнения по векторному анализу, исчисле нию матриц и их приложению к решению систем линейных алге браических уравнений и приведению квадратичной формы к сумме квадратов, а также упражнения по итерационным методам реше ния алгебраических и трансцендентных уравнений, решение линей ных дифференциальных уравнений с частными производными пер вого порядка.
Цель книги — помочь студенту научиться с наименьшей затратой времени самостоятельно решать эадачн по этим разделам курса высшей математики.
Весь учебный материал разделен на отдельные практические занятия. Как и в предыдущих четырех частях, перед каждым из занятий помещены основные сведения из теории, а также относя щиеся к нему формулы, теоремы и определения.
К упражнениям по теории матриц сведения из теории приве дены полнее, чем к практическим занятиям по другим разделам курса. Это связано с тем, что в учебной литературе теории мат риц и их приложений уделяется недостаточное внимание, несмотря на их широкое применение в технике и вычислительной практике. Важное место занимает определение собственных значений и соб ственных векторов матрицы методами акад. А. Н. Крылова и Леверье.
Каждое практическое занятие содержит подробное решение типовых задач различной степени трудности с полным анализом решения. Многие задачи решаются различными способами, а целе сообразность этих способов сравнивается.
Кроме этих решенных и разобранных задач, каждое практи ческое занятие включает большое число задач для самостоятель ного решения. Все они снабжены ответами, а многие из них — промежуточными результатами и методическими указаниями. Такое построение книги предоставляет студентам широкие возможности для активной самостоятельной работы.
з
Студенты, пользующиеся этой книгой, перед каждым практи ческим замятием должны выучить относящийся к нему раздел теории, разобрать решенные задачи с выполнением всех действий на бумаге и только после этого приступать к задачам, предложен ным для самостоятельного решения.
Книга написана так, что она допускает не только последо
вательное проведение всех практических занятий, |
но |
и использо |
||
вание их в выборочном порядке. Например, |
упражнения по век |
|||
торному анализу (практические занятия ЯгЛб |
11, |
12, |
13 и т. д.) |
|
и упражнения по теории матриц |
(практические занятия №№ 4, |
|||
5, 6, 7, 8, 9) можно выполнять |
независимо |
друг |
от |
друга. Это |
относится и к упражнениям по решению алгебраических и транс
цендентных |
уравнений, а также дифференциальных уравнений |
с частными |
производными. |
Автор приносит глубокую благодарность рецензенту этой книги доктору физико-математических наук, профессору Г. М. Баженову и ее ответственному редактору кандидату физико-математических наук, доценту Р. В. Солодовникову, а также кандидату техни ческих наук А. А. Егоршину за ценные советы и замечания, которые способствовали улучшению книги.
С о д е р ж а н и е . Численное решение алгебраических уравнений
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Алгебраическое уравнение степени л с действительными коэф фициентами
/ (х) = а0хп + ахХп~ 1 -+■ а 2х',—2-1- • • • + ап—1х ап = 0 |
(1.0 |
имеет л корней, среди которых могут быть действительные раз личные корни, действительные кратные корни, а также комп лексные корни, попарно сопряженные. Если корнями уравнения являются числа аь а2, . . . . а„, то левая часть уравнения может быть представлена в виде
Д*) = |
а0(х — «О (х — аг) (х — а8) . . . (х — а„). |
(1,2) |
Если а—корень уравнения, то левая часть уравнения |
делится |
|
без остатка на |
х — а. |
|
Прежде всего следует найти все действительные корни урав нения, а потом уже его комплексные, корни.
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ КОРНЕЙ АЛГЕБРАИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ
При решении алгебраических уравнений степени выше второй мы будем отыскивать действительные корни методами последова тельных приближений с использованием схемы Горнера для деле
ния левой части уравнения на |
х — а, где |
а — действительный |
||
корень |
уравнения. |
|
|
|
В методах последовательных |
приближений, применяемых |
при |
||
решении уравнений, отыскивается последовательность чисел |
дсь |
|||
хъ . . . , |
хп, которая имеет своим |
пределом |
число а, являющееся |
корнем уравнения. Мы будем считать х„ хорошим приближением
к корню а, если |
остаток от деления левой части уравнения на |
||
х — хп достаточно |
мал. |
|
х — а, а |
Схема Горнера для деления многочлена |
на двучлен |
||
также схема для |
деления многочлена на |
квадратный |
трехчлен |
хг + рх + ц, которая понадобится при определении комплексных корней уравнения, даны ниже.
Сейчас же укажем правило Декарта, согласно которому можно сделать заключение о числе положительных и отрицательный корней алгебраического уравнения.
Если в уравнении (1,1) у двух соседних коэффициентов разные знаки, то говорят, что имеет место перемена знака; если же у двух соседних коэффициентов одинаковые знаки, то говорят, что имеет место сохранение знака. При этом учитываются только коэффициенты, отличные от нуля.
Пример. В уравнении
хь— 7дс* — 4х* + 5 = 0
имеют место две перемены знака (у членов первого и второго, третьего и четвертого и одно постоянство знака у второго и третьего членов).
Если в уравнении (1,1) нет коэффициентов, равных нулю, то оно называется «полным».
Для определения числа положительных и отрицательных кор ней алгебраического уравнения существует правило Декарта, которое гласит:
Число положительных корней алгебраического уравнения равно числу перемен знака в ряде коэффициентов этого уравнения или на четное число меньше его, причем, равные нулю коэффициенты просто не считаются.
Число отрицательных корней уравнения равно числу перемен знака в ряде коэффициентов уравнения [( —• х) = 0 или на четное ,число меньше его.
Если уравнение модное», то число его положительных корней равно числу перемен знака или на четное число меньше его, а число его отрицательных корней •равно числу постоянств знака в ряде коэффициентов или меньше его на четное число.
Это правило мы неоднократно будем применять при |
решении |
||
задач. |
корня |
уравнения |
|
Отделение корней. Отделением |
/( * ) = 0 |
||
называется нахождение отрезка (а, |
Ь], на концах которого функ |
||
ция принимает значения разных знаков и |
внутри которого на |
ходится только один корень. Отделив корень, мы получаем воз* можность в качестве его приближенного значения принять любое число из отрезка (а, Ь]. Отделение действительных корней урав нения / (х) = 0 очень удобно производить графически. Значения действительных корней уравнения [ (х) = 0 являются абсциссами точек пересечения графика функции у=* [(х) с осью Ох. Чтобы указать отрезки, заключающие только по одному корню уравне ния,. не требуется особой точности.
Пример. Если график функции имеет вид, указанный на фиг. 1,1 то уравнение имеет три простых корня. Если какой-либо действи
тельный |
корень является двукратным, например, а! = |
а2 то кривая |
(/ = /(*) |
касается оси Ох в точке, где д: = а4 (фиг. |
1,2). |
Если |
имеется |
трехкратный действительный корень, |
например, |
а1 — ®г = |
а з . то |
в месте касания с осью • кривая у = |
1(х) имеет |
точку перегиба |
(фиг. 1,3). |
|
и
Графический метод отделения корней должен рассматриваться только как вспомогательное средство при определении приближен ного значения корней и большой точности от,него ждать нечего. Отделенные графическим методом корни уточняются способами, указанными ниже.
С п о с о б № 1
(Способ Ньютона и его видоизменение *).
В этом способе приближенное значение действительного корня а улучшается по формуле
- 7^
(см. |
В. И. |
С м и р н о в . Курс высшей математики, т. |
I, |
гл. 6, § 2), |
где |
через |
х„ и хп+1 обозначены соответственно л-ое |
и |
(л + 1)-ое |
приближения корня. Эта формула дает возможность по известному л-му приближению корня найти его (л + 1)-ое приближение.
Чтобы сократить вычисления по формуле (1,3), можно для всех приближений корня удовольствоваться одним и тем же зна чением производной, стоящей в знаменателе дроби в этой формуле, вычислив ее значение только для первого приближения корня. Способ Ньютона с этим упрощением мы будем называть видоиз мененным (модифицированным) способом Ньютона.
Когда применяется способ Ньютона, корень необходимо отде лить, т. е. определить отрезок [а, Ь), в котором находится 'един ственный действительный корень.
За первое приближение корня следует взять значение того конца этого отрезка, на котором знак функции совпадает со зна ком ее второй производной.
С п о с о б № 2
(Способ линейной интерполяции и его видоизменение **)
В этом способе для вычисления ( л + 1)-го приближения корня пользуются формулой
|
|
хп+г= хп |
^ (*п) / |
—/ (Х/) |
|
|
(**^ |
|
(см. например, |
В. И. С м и р н о в . Курс |
|
высшей |
математики, т. 1, |
||||
гл. 6, |
§ 2), причем х„ и х,— значения, |
между |
которыми |
нахо |
||||
дится |
искомый |
корень. Формула (1,4) дает возможность |
по |
най |
||||
денному л-му |
приближению |
корня найти |
его (п -Ь 1)-ое |
прибли |
жение. В этом способе за первое приближение корня можно принять значение любого из концов отрезка, на котором находится отделенный корень.
З а м е ч а н и е . Значительную экономию вычислительной работы можно полупить при помощи этого способа, если значение дроби
Хп ~ Х1
/<*„>-/<*,■>
*Этот способ называется также способом касательных.
••Этот способ называется также способом хорд.
в формуле (1,4) брать одним н тем же для всех приближений корня.
Способ, в котором будет применено это упрощение, мы будем называть видоизмененным (модифицированным) способом линейной интерполяции. Часто бывает выгодно одновременно применять способ Ньютона и способ линейной интерполяции.
С п о с о б № 3
для определения приближенного значения наибольшего и наи меньшего по абсолютной величине корня алгебраического урав нения.
Если дано уравнение
1(х) = х" + а ^ - ' + а2х?~* -)-------- \- ап_хх + ап = 0, |
(1,5) |
то его простой, наибольший по абсолютной величине корень можно приближенно найти из уравнения
х + |
Л'г |
(1,6) |
или из уравнения |
|
|
хг + ахх + |
аг = 0, |
(1,7) |
взяв его больший по абсолютной величине корень. |
|
|
Укажем, что найденные таким |
образом приближенные |
значе |
ния окажутся достаточно точными, если наибольший по абсолют
ной величине корень уравнения (1,5) значительно |
превосходит |
остальные корни этого уравнения. |
|
Приближенное значение наименьшего по абсолютной величине |
|
корня можно найти из уравнения |
|
<*„_,* + а „ = 0 |
(1,8) |
или из уравнения |
|
+ ап_, х + ап —0, |
(1,9) |
взяв его наименьший по абсолютной величине корень. Улучшение корня, найденного по этому способу, можно провести по спосо'бу № 1 и № 2 или видоизменениям этих способов, указанным выше, определив отрезок, в котором находится найденный корень.
С п о с о б № 4
В уравнении
/ (*) = хп+ ахХп~1+ а**"-2 + •••+ а„_,х* + ап_ хх + а„ - О
отбираем три последних члена и решаем квадратное уравнение
«„-а** + ап-1х + ап « 0. |
(1, 10) |
1. Если корни этого уравнения действительны, то поступаем так: решаем уравнение
|
|
|
|
ал_,х + а„ = О |
|
|
|
|
(1,И) |
||
и за первое приближение |
корня |
берем |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
= |
/1—1 |
|
|
|
|
(М2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Левую часть уравнения |
(1,5) |
делим |
на |
х — х2. Деление про |
|||||||
водим по схеме Горнера |
(см. ниже) до тех пор, пока не останется |
||||||||||
двучлен |
вида |
|
|
|
К-1* + а„. |
|
|
|
|
(М 3) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
который не делится |
без |
остатка |
на х — |
Приравниваем |
нулю |
||||||
двучлен (1,13) |
и из |
уравнения |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Ь„-уХ + а„ = О |
|
|
|
|
|
|
находим |
второе |
приближение корня |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
Хг = — у 2- . |
|
|
|
|
(1,14) |
||
|
|
|
|
|
|
Л—1 |
|
|
|
|
|
Теперь |
левую часть |
уравнения (1,14) делим |
на х — х2 по |
схеме |
|||||||
Горнера и получаем |
остаток в виде |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
ся_,дг + ап, |
|
|
|
|
(1,15) |
|
с которым мы поступаем, |
|
как с |
предыдущим: |
приравниваем его |
|||||||
нулю |
|
|
|
|
с„_,х + а„ = 0. |
|
|
|
|
(1,16) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Определяем |
третье приближение |
|
|
|
|
|
|||||
и снова |
по схеме Горнера делим |
левую часть уравнения на х—х3. |
|||||||||
Обычно |
этот процесс приводит к |
ряду значений хг, х2, х3, |
. . . , |
||||||||
приближающихся к |
искомому корню. |
|
|
|
|
|
|||||
После того как мы остановились на |
некотором приближении |
||||||||||
корня х„ и приняли |
его за искомое значение корня, |
разделим |
|||||||||
левую часть уравнения (1,5) на |
х — х„. |
Получится |
многочлен |
||||||||
степени |
на единицу |
меньшей, чем левая часть данного уравнения. |
Приравниваем этот многочлен нулю и с полученным новым урав
нением поступаем, как |
было описано выше. |
З а м е ч а н и е . При |
использовании этого способа может слу |
читься, что последовательность чисел хи х2, х3, . . . не прибли жается к искомому корню, т. е. имеет место так называемый
Ю