Vatarlar usuli proporsional

Vatarlar usuli (proporsional bo‘laklar usuli)

Usulning mazmuni.
Quyidagi shartlarning bajarilishini talab qilamiz:
f(x) funksiya o‘zining f(^x ) va f(^x ) hosilalari bilan [a,b] kesmada uzluksiz;
funksiyaning f(a) va f(b) qiymatlari kesmaning oxirgi nuqtalarida har xil ishorali, ya’ni f(a) · f(b) < 0;
har ikkala f(^x) va f(^x) hosilalar [a,b] kesmaning barcha nuqtalari-da o‘z ishorasini saqlab qoladi (berilgan [a,b] kesma f(x) funksiya hosilasining o‘z ishorasini saqlashi bu shu funksiya monotonligining yetarli sharti).
Bulardan foydalanib, 1.14,a-rasmga asosan, dastlab A(a,f(a)) nuqta qo‘zg‘almas, x₀=b – nolinchi yaqinlashish, A(a,f(a)) va B(b,f(b)) nuqtalarni tutashtiruvchi AB vatarning absissa o‘qi bilan kesishish nuqtasini x₁ – birinchi yaqilashish deb qabul qilamiz.
Keyingi yaqinlashishlarni hisoblash uchun f(x₁) qiymatni hisoblaymiz va uni f(a) va f(b) qiymatlar bilan taqqoslaymiz. Hosil bo‘lgan [a, x₁] va [x₁, b] intervallardan chetlarida f(x) funksiya har xil ishorali bo‘lganini tanlaymiz, chunki aynan ana shu intervalda izlanayotgan ^x ildiz yotadi. Yuqorida aytilgan uslubni ana shu intervalga qo‘llab, keyingi yaqinlashishni (x₂ nuqtani) topamiz. Keyingi yaqinlashishlarda
26
funksiyaning birinchi va ikkinchi hosilalari intervallarda o‘z ishorasini saqlaydi, deb o‘suvchi ketma-ketlikni tashkil etuvchi va yuqoridan ^x qiymat bilan chegaralangan barcha x₁, x₂, ... yaqinlashishlarni topamiz. _{Natijada n}imx_n x_{. Ketma-ket yaqinlashishning formulasini chiqarish} uchun x_n dan x_n+1 ga o‘tishni qaraylik. Bu holda B_n va B nuqtalardan o‘tuvchi B_nB vatar tenglamasini tuzamiz:

.
y  f (x_n ) x  x_n
f (a) f (x_n) a x_n
Agar bu tenglamada y(x_n+1) = 0 desak, u holda undan x_n+1 had topilad. Bularga asosan umumlashgan quyidagi to‘rtta holat bo‘ladi:
a) Agar [a,b] kesmada A(a,f(a)) nuqta qo‘zg‘almas va f(x) funksiya botiq va kamayuvchi ( ^{f (x) 0, f (x) 0}) bo‘lsa (1.14,a-rasm), u holda ushbu ketma-ketlik


x₀=b , ^{xn1 xn } _{f ( x}n _{) }n _{f (a)} ^{(xn a)} (n=0,1,2,…) (5.2) chegaralangan va monoton kamayuvchi: a<^x<…<x_n+1<x_n<…x₁<x₀=b.
b) Agar [a,b] kesmada B(b,f(b)) nuqta qo‘zg‘almas va f(x) funksiya botiq va o‘suvchi ( ^{f (x) 0, f (x) 0} ) bo‘lsa (1.14,b-rasm), u holda ushbu ketma-ketlik

x₀=a , ^{xn1 xn }_{f (b)f (x}n ₎ ^{(b xn )} (n=0,1,2,…) (5.1) chegaralangan va monoton o‘suvchi: a= x₀< x₁<…<x_n<x_n+1<…< ^x <b.
c) Agar [a,b] kesmada A(a,f(a)) nuqta qo‘zg‘almas va f(x) funksiya qovariq va o‘suvchi ( ^{f (x) 0, f (x) 0}) bo‘lsa (1.14,a-rasm), u holda ushbu ketma-ketlik

_{n
x0=b ,} x_n1 x_n  _{f (x}^f_{) }ⁿ _{f (a)} (x_n a) _{(n=0,1,2,…) (5.2)}
chegaralangan va monoton kamayuvchi: a<^x<…<x_n+1<x_n<…x₁<x₀=b.
d) Agar [a,b] kesmada B(b,f(b)) nuqta qo‘zg‘almas va f(x) funksiya qovariq va kamayuvchi ( ^{f (x) 0, f (x) 0}) bo‘lsa (1.14,b-rasm), u holda ushbu ketma-ketlik

x₀=a , ^{xn1 xn }_{f (b)f (x}n ₎ ^{(b xn )} (n=0,1,2,…) (5.1) chegaralangan va monoton o‘suvchi: a= x₀< x₁<…<x_n<x_n+1<…< ^x <b.

27

^a) b)
1.14-rasm. Proporsional bo‘laklar usuli (vatarlar usuli)ning har xil hollari uchun sxemalar.

Endi bu to‘rtta holatni umumlashtiramiz:

1) agar kesmaning qaysi bir chetida f(x) funksiya va uning f(x) ikkinchi hosilasi bir xil ishoraga ega bo‘lsa, o‘sha chetki nuqta qo‘zg‘almas deb olinadi;
2) agar ^x ildizning qaysi tarafida f(x) funksiya o‘zining f(x) ikkinchi hosilasiga qarama qarshi ishoraga ega bo‘lsa, x_n ketma-ket yaqinlashishlar o‘sha tomondan ^x ildizga yaqinlashadi.
Iteratsion jarayonning tugallanishi ikkita qo‘shni x_n va x_n-1 iteratsiyalarning hisob hatijalari bo‘yicha hisobni tugallash kriteriyasini beradi, ya’ni bu iteratsion jarayon ushbu
x_n+1–x_n<
shart bajarilgunga qadar davom ettiriladi va x_n+1= ^x yoki x_n = ^x yechim deb olinadi, bu yerda – berilgan limitik absolyut xato.
Usulning qulayliklari: usulning yaqinlashuvchanligi kafolatlangan; oraliqni teng ikkiga bo‘lish usuliga qaraganda kamida ikki yoki uch marta tezroq yaqinlashishni beradi;
Usulning kamchiliklari: agar a dan b gacha bo‘lgan kesmada umuman ildiz mavjud bo‘lmasa yoki unda bir nechta ildizlar mavjud bo‘lsa, u yechimni izlash vaqti cheksizga yaqinlashishi mumkin; agar f(x) funksiya grafigi [a,b] kesmada yetarlicha yotiq bo‘lsa, u holda f(a) – f(b) farq katta bo‘ladi va hisoblashlarda xatolik ko‘payadi, bunday holda keyingi hisoblashlarda oraliqni teng ikkiga bo‘lish usuliga o‘tgan ma’qul.
Usulning hisob algoritmi:
1. [a,b] kesmani va aniqlikni berish.

28
2. Agar f(a) va f(b) lar bir xil ishorali yoki f '(a) va f '(b) lar har xil ishorali bo‘lsa, ildizni topish mumkin emasligini bildirish.
3. Boshlang‘ich yaqinlashishni va navbatdagi yaqinlashishning iteratsion hisob formulasini yuqoridagi to‘rtta holatdan biri bo‘yicha tanlash.
4. Hisoblashlarni tanlangan iteratsion hisob formulasida bajarish. 5. Aniqlikni baholash: ^x_n1 ^x_n ^.
6. Agar bu shart bajarilsa, ildiz deb ^x=x_n+1 ni qabul qilish, aks holda 4-qadamga o‘tish.
Usulning blok-sxemasi 1.15-rasmda tasvirlangan.
Dasturda cheksiz takrorlanishlar ku-zatilmasligi uchun funksiya grafigining qovariq yoki botiqligini (1.16-rasm) va iteratsiyalar sonini nazorat qilish maqsadga muvofiq.
Shunday qilib, vatarlar usulidan foydalanishda ushbu qoidaga amal qilish maqsadga muvofiq: kesmaning qaysi chetida funksiyaning ishorasi uning ikkinchi tartibli hosilasi ishorasi bilan bir xil bo‘lsa, o‘sha chet qo‘zg‘almas qilib olinadi.
1-misol. Ushbu qoidani ^{(x 1)ln(x) 10} tenglamaning [2;3]
kesmadagi izolyatsiyalangan ildizini topishga qo‘llang.
Yechish. Bu yerda
f(x)=^{(x 1)ln(x) 1};

^{f (x) ln(x) x 1} ; ^{f (x) 1 1} .

Kesmaning b = 3 chetki nuqtasida funksiyaning qiymati musbat f(3)>0 va kesmada esa ikkinchi tartibli hosila ham musbat ^{f (x) 0},ya’ni ^{f (b)f (x) 0}. Shunday qilib, ushbu misolda berilgan tenglamaning izolyatsiyalangan ildizini vatarlar usuli bilan topish uchun ushbu

x x 
f (x_n )(b x_n ) ^{n1 n} f (b) f (x_n )
formuladan foydalanish tavsiya etiladi.

1.15.-rasm. Vatarlar usulining blok-sxemasi.

29

a)

b)
1.16-rasm. Vatarlar usulining geometrik interpretatsiyasi: a) ^{f (x)f (x) 0}; b) ^{f (x)f (x) 0}.

2-misol. Ushbu f(x) = x³ – 0.2x² – 0.2x – 1.2 = 0 tenglamaning [1;1.5] kesmadagi ^x ildizini 0.002 aniqlik bilan hisoblang.
Yechish. Berilgan tenglama [1;1.5] kesmada yagona ^x ildizga ega (buni talabaning o‘zi Maple matematik paketida yoki MS Excel dasturida mustaqil tekshirib ko‘rsin). Usulning formulasiga ko‘ra
f '(x) = 3x² – 0.4x– 0.2 ; f ''(x) = 6x – 0.4 ; f(1) = –0.6 < 0 ; f(1.5) = 1.425 > 0,
demak x[1;1.5] da 2.4 f '(x) 5.95 ; 5.6 f ''(x) 8.6 .
Bu yerdan ko‘rinadiki, x[1;1.5] da f '(x) f ''(x) > 0. Shuning uchun

x₀=a , ^{xn1 xn }_{f (b)f (x}n ₎ ^{(b xn )} (n=0,1,2,…) formuladan foydalanib (bunda x₀ = a = 1, b = 1.5), ketma-ket quyidagilarni topamiz:
x₁ ^0.6(1.51) 11.15; f (x₁) 0.173;

30



1.51.15
x₂ 1.150.173_{1.4250.173} 1.19; f (x₂ ) 0.036;


1.51.19

1.51.198
x₃ 1.190.036_{1.4250.036} 1.198; f (x₃ ) 0.0172;

x₄ 1.1980.0172_{1.4250.0172} 1.199; f (x₃ ) 0.0061;
Bu yerdan ko‘rinadiki, ^x₄ ^x₃ ^{1.1991.198 0.002} ekanligidan taqribiy ildiz sifatida ^{x x}₄ ^1.199 ni qabul qilishimiz mumkin (aniq ildiz ^x =1.2).