Встроенные функции MathCAD для решения нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений

Для численного решения уравнений предназначена стандартная функция MathCAD – root(F(x), x), которая возвращает значение корня с заданной точностью. Функция root имеет два аргумента:

первый – выражение, стоящее в левой части уравнения, то есть F(x), второй – переменная, относительно которой решается уравнение, то есть x.

Ищется значение переменной x, при которой выражение F(x) обращается в ноль. Функция root возвращает значение переменной x, которая обращает выражение F(x) в ноль.

Второй аргумент - имя переменной, которое используется в выражении. Это та переменная, варьируя которую Mathcad пытается обратить выражение F(x) в ноль.

Функция реализует вычисление итерационным методом и перед её применением необходимо задать начальное значение переменной x, принадлежащее интервалу изоляции корня.

В зависимости от начального приближения функция root возвращает различные значения.

Решение уравнений с помощью функции root может производиться с различной точностью, которая задается значением системной переменной TOL.

Пример 3.1 Решить уравнение с точностью .

Процесс решения показан на рисунке 1. Выполняется следующая последовательность действий:

1.Сначала вводится функция , соответствующая левой части уравнения.

2. Задается точность.

3. Графически находится приближенное решение уравнения (можно использовать трассировку).

4. При помощи функции root выполняется нахождение решения уравнения с заданной точностью.

5. Выполняется проверка найденного решения.

В зависимости от начального приближения функция root возвращает различные значения. Результат решения задачи приведён на рисунке 3.1.1 В результате найдены корни x0=-3.258, x1=0.2, x2=3.057.

Рисунок 3.1.1 – Пример решения нелинейного алгебраического уравнения

Функцию root можно записать в виде root (f(x), x, a, b), где a, b – пределы интервала изоляции корня. При такой форме записи нет необходимости задавать начальное значение х, так как оно определено в интервале .

Пример 3.2 Решить уравнение e^x/5 -2(x-1)² = 0.

Результаты решения показаны на рисунке 2. Используя график функции, определяют пределы интервала изоляции каждого корня, а затем с помощью функции root (f(x), x, a, b) находят значение интересующего корня.

В данном случае найдено три корня. Необходимо правильно указывать интервал изоляции, в случае ошибки значение корня не будет найдено, что показано на рисунке 3.1.2

Рисунок 3.1.2 – Пример решения уравнения с использованием

функции root (f(x), x, a, b)

На рисунке 3.1.3 показан пример решения уравнения, имеющего комплексные корни. В таких случаях начальное приближённое значение корня также должно быть комплексным. При вводе мнимого числа надо писать 1i, а не i. В данном примере при вычислении второго корня х2 первый исключается делением f(х) на (х-х1). При нахождении третьего корня f(х) делится на (х-х1)(х-х2).

Рисунок 3.1.3 – Пример решения уравнения, имеющего действительные и комплексные корни

Необходимо отметить особенность функции root, связанную с тем, что она не всегда позволяет найти значение корня.

Mathcad при поиске корня с помощью функции root использует метод итераций. Начальное значение, присвоенное переменной x, становится первым приближением к искомому корню. Когда значение выражения f(x) при очередном приближении становится меньше значения встроенной переменной TOL, корень считается найденным и функция root возвращает результат. Если после многих итераций Mathcad не может найти соответствующее приближение, то появляется сообщение об ошибке «отсутствует сходимость». Эта ошибка может быть вызвана следующими причинами:

- уравнение не имеет корней;

- корни уравнения располагаются далеко от начального приближения;

- выражение имеет локальные максимумы или минимумы между начальным приближением и корнем;

- выражение имеет разрывы между начальным приближением и корнями;

- выражение имеет комплексный корень, но начальное приближение было вещественным (или наоборот).

Чем точнее выбрано начальное приближение корня, тем быстрее функция root будет сходиться к точному решению.