2.1.2. Виды нелинейных уравнений
Очевидно, что способ решения уравнения определяется его видом. В математике принято подразделять нелинейные уравнения на алгебраические и трансцендентные (рис. 1). К алгебраическим относят уравнения, в которых функция f(x) является степенным многочленом, то есть:
a0+a1x+a2x2+a3x3+a4x4+…+anxn=0, (2)
где a0 , a1, a2 , a3, a4 ,… an – коэффициенты, а n – целое число, соответствующее максимальной степени многочлена. Подобное уравнение было рассмотрено выше. К трансцендентным относят уравнения, содержащие трансцендентные функции, то есть показательную, логарифмическую, тригонометрические функции.
Например, трансцендентными являются следующие уравнения:
(3)
(4)
Рис.1. Классификация уравнений
Свойства алгебраических и трансцендентных уравнений существенно различаются. Поэтому различны и подходы к их решению.
Для алгебраических уравнений до четвертого порядка включительно известны прямые точные методы решения. Кроме того, количество корней можно определить по степени многочлена, а их характер по знакам коэффициентов этого многочлена. Для трансцендентных уравнений общих приемов решения кроме приближенных не существует. Количество корней такого уравнения обычно невозможно определить заранее по его виду. Трансцендентное уравнение может не иметь ни одного вещественного корня, иметь счетное количество корней или бесконечное множество корней. Из двух приведенных выше уравнений первое имеет семь вещественных корней, а второе – пять корней (попробуйте определить их самостоятельно).
2.1.3. Методы решения уравнений
К сожалению, во многих случаях, когда уравнение имеет сложный вид, аналитически его точное решение найти не удается. Отсутствуют методы решения в общем виде алгебраических уравнений высоких степеней. Для трансцендентных уравнений точное решение найти можно в немногих самых простых случаях. Если решение нельзя найти в явном виде, то для отыскания корня используют другие методы. Например, приближенное решение можно получить методом последовательных приближений. Сравнительно легко (но и весьма неточно) корни уравнения определяются графически – достаточно лишь для уравнения f(x) = 0 построить график функции y = f(x) и найти точки пересечения кривой с осью абсцисс, в которых эта функция равна нулю. Наконец, корень уравнения можно попытаться определить "методом подбора". Однако ни один из перечисленных подходов нельзя считать достаточно эффективным при решении инженерных и научных задач на ЭВМ. Более предпочтительны способы, обеспечивающие одновременно как оперативность получения результата, так и высокую точность. Второе важное требование к методу – универсальность, то есть способность находить решения для разных видов уравнений. В особенности эти требования должны соблюдаться в специальных пакетах программ, предназначенных для выполнения большого объема расчетов, например, в системах автоматизированного проектирования (САПР). В связи с этим для решения нелинейных уравнений на ЭВМ широко применяются специальные методы, которые относятся к методам вычислительной математики. На их основе создано большое число алгоритмов, различающихся сложностью и эффективностью. Когда говорят о методах решения нелинейных уравнений на ЭВМ, то подразумевают в первую очередь итерационные методы. Главным признаком итерационного метода является многократное повторение одного и того же набора действий для получения результата (в переводе с англ. iteration – повторение). В основе итерационного метода лежит итерационная, то есть повторяемая процедура. Процедура эта строится таким образом, что после каждого ее выполнения производится очередное приближение к корню. Можно сказать, что итерационный метод несколько напоминает отыскание корня подбором, однако этот подбор производится не "наугад", а по вполне определенному алгоритму. Основные особенности итерационных методов будут рассмотрены позже – при описании самих методов.