二分法数值求解多元方程
二分法是一种基本的数值方法,主要用于求解单变量函数的零点或者方程的根。然而,在一定的条件下,它也可以被扩展到多元方程求解中。在说算法以前我们先看一个简单的例子。
例: 使用二分法数值解方程
In[]:=
1 | f[x_, y_] = Exp[x - 2] - y; |
Out[]:=
三维图很难看出这两个面与
In[]:=
1 | ContourPlot[f[x, y]^2 + g[x, y]^2, {x, -1, 1}, {y, -1, 1}, Contours -> {0.01, 0.1}, ContourLabels -> True, AxesLabel -> {"x", "y"}] |
Out[]:=
从图中可以发现方程的解范围为
In[]:=
1 | fc = 0.1; gc = 0.1; |
Out[]:=
对比 Mathematica 自带函数 FindRoot[]
解的结果:
In[]:=
1 | FindRoot[{f[x, y] == 0, g[x, y] == 0}, {{x, 1}, {y, 1}}] |
Out[]:=
从上面的简单的例子可以看出,利用二分法数值求解二元方程组的时候,先固定其中一个未知数,假设先固定
当然该方法可以应用到更多元方程组的情况。但它也存在一些局限性和缺点,二分法的收敛速度是线性的,每次迭代只能将区间长度减半,因此在接近根时,需要较多的迭代次数才能达到所需的精度。对于多元方程组来说,二分法的计算效率是非常低的。因此在实际应用中,一般采用其他数值解法,如牛顿法、拟牛顿法等。二分法的收敛性与初始区间的选择有很大关系,如果初始区间选择不当,可能会导致算法收敛缓慢或者无法收敛,对于多元方程组来说,初始区间的选择是很困难的一件事情。
因此,尽管二分法在某些情况下非常有效,但在实际应用中,需要根据具体问题特点和需求,选择更合适的方法,或者将二分法与其他数值方法结合使用(以后会讲解实际例子),以克服其缺点。
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