本文信息量较大,老黄就不啰嗦直奔主题了。
求x^3/3-x^2 2=0的实根,保留三位有效数字.
解法1:牛顿切线法的应用,这是一种数值求解法,只能得到方程的近似解。关于牛顿切线法的原理,老黄在“老黄学高数”系列视频第211讲中有详细介绍,如果没有基础,可以先搜出来看看。
解1:记f(x)=x^3/3-x^2 2,则f’(x)=x^2-2x, f”(x)=2x-2,
f’(0)=f’(2)=0, 【即函数有两个稳定点】
f”(0)=-2<0, f”(2)=2>0, f有极大值f(0)=2>0, 极小值f(2)=2/3>0, 【说明函数在两个极点之间没有零点】
由三次函数的性态知, f(x)=0只有一个实根ξ.【当三次函数y=ax^3 bx^2 cx d的系数a>0,且两个极值都大于0时,函数有唯一零点,在两个极值点的左侧。】
又f(-1)=2/3>0, f(-2)=-14/3<0; ∴ξ∈(-2,-1).【有经验的话,检验很快可以完成,没有经验的话,可能需要多检验几次,就是要得到一个单位区间,两个端点的函数值相反。由根的存在性定理,就可以知道函数的零点在这个区间上。而且这个区间上,函数还必须具有单调性和凸性】
当x∈[-2,-1]时,f’(x)>0,f”(x)<0.【牛顿切线法有四种情形,这属于第三种情形,如下图所示,注意,这个图代表牛顿切线法的一种情形,而非三次函数图像的一部分】
从点A(-2,-14/3)作切线与x轴相交于x1=-2- (f(-2))/(f'(-2)) ≈-1.417.【这一步是牛顿切线法的核心步骤,接下来按一般的方法是检验x1与方程实根的误差。但方法并非只有一种,下面采用的是继续求x2的方法,反正x1铁定是不准确的嘛】
x2=-1.417- (f(-1.417))/(f' (-1.417)) ≈-1.219.【你瞧,这个结果和x1相差了差不多有0.2,可见x1有多不准确,那x2怎么样?还是不合适,还得继续“相亲”】
x3=-1.219- (f(-1.219))/(f′ (-1.219)) ≈-1.196. 【感觉还不满意,因为它与x2相差了0.023,误差可能还比较大,再“相”一个】
x4=-1.196- (f(-1.196))/(f′ (-1.196)) ≈-1.195. 【注意到没有,{xn}似乎以-1.20为极限,所以就以-1.20为近似解,正好保留3位有效数字】
……取ξ≈-1.20.
下面看看这个函数在零点和两个极值点附近的图像是怎么样的,当然,画图像并非必要的。
那么这种解法得到的近似解,到底精确度怎么样呢?下面再尝试第二种方法。
解法2:卡尔丹公式法是一种解析法,理论上是可以得到三次函数的准确根的。但它是一个复杂的根式形式,不取近似数,其实意义也不大。这种方法必须先把方程化为x^3 px q=0的形式。
解:将方程化为:t^3-3t 4=0, t=x-1,【这一步如果你理解不了,那很好办,把t=x-1代回去就可以化为原方程】
p=-3, q=4, △=(q/2)^2 (p/3)^3=3>0, 【卡尔丹公式中,判别式△>0,说明方程有一个实根和两个共轭虚根】
u=三次根号(-q/2 √∆), v=三次根号(-q/2 √∆),
t=u v=三次根号(-q/2 √∆) 三次根号(-q/2 √∆)≈-0.645-1.551=-2.20, 【直接将计算器用起来,不要忘了x=t 1】
x=t 1=-1.20.
比较一下两种方法,当然是卡尔丹公式法更好了。但卡尔丹公式法只是针对三次方程的,更高次的方程,或者其它不具有求根公式的方程要求近似解,还要运用牛顿切线法,才有普遍性哦。
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