15 Vớ d 1. Tỏch nghim cho phng trỡnh: x 3 - x + 5 = 0 Gii: f(x) = x 3 - x + 5 f(x) = 3x 2 - 1 , f(x) = 0 <=> x = 3/1 Bng bin thiờn: x - 3/1 3/1 + f (x) + 0 - 0 + f(x) y C <0 + - CT T bng bin thiờn, phng trỡnh cú 1 nghim x < 3/1 f(-1)* f(-2) < 0, vy phng trỡnh trờn cú 1 nghim x (-2, -1) Vớ d 2. Tỏch nghim cho phng trỡnh sau: 2 x + x - 4 = 0 Gii: 2 x + x - 4 = 0 2 x = - x + 4 Aùp duỷng phổồng phaùp õọử thở: Tổỡ õọử thở => phổồng trỗnh coù 1 nghióỷm x (1, 2) 4 4 2 1 1 y = 2 x y = -x + 4 2 16 * ởnh lyù 2: (Sai sọỳ) Giaớ sổớ laỡ nghióỷm õuùng vaỡ x laỡ nghióỷm gỏửn õuùng cuớa phổồng trỗnh f(x)=0, cuỡng nũm trong khoaớng nghióỷm [ a,b] vaỡ f '(x) = m 0 khi a x b. Khi õoù m )x(f x Vờ du 3. Cho nghióỷm gỏửn õuùng cuớa phng trỡnh x 4 - x - 1 = 0 laỡ 1.22. Haợy ổồùc lổồỹng sai sọỳ tuyóỷt õọỳi laỡ bao nhióu? Gii: f (x) = f (1.22) = 1.22 4 - 1.22 - 1 = - 0,0047 < 0 f(1.23) = 0.588 > 0 nghióỷm phổồng trỗnh x (1.22 , 1.23) f '(x) = 4 x 3 -1 > 4*1.22 3 - 1 = 6.624 = m x (1.22 , 1.23) Theo õởnh lyù 2 : x = 0.0047/6.624 = 0.0008 (vỗ |x - | < 0.008) 3.3. Tỏch nghim cho phng trỡnh i s Xột phng trỡnh i s: f(x) = a 0 x n + a 1 x n-1 + + a n-1 x + a n = 0 (1) nh lý 3: Cho phng trỡnh (1) cú m 1 = max {a i } i = n,1 m 2 = max {a i } i = 1n,0 Khi ú mi nghim x ca phng trỡnh u tho món: 2 0 1 n2 n 1 x a m 1x am a x =+ + = nh lý 4: Cho phng trỡnh (1) cú a 0 > 0, a m l h s õm u tiờn. Khi ú mi nghim dng ca phng trỡnh u m 0 a/a1N += , vi a = max {a i } n,0i = sao cho a i < 0. Vớ d 4. Cho phng trỡnh: 5x 5 - 8x 3 + 2x 2 - x + 6 = 0 Tỡm cn trờn nghim dng ca phng trỡnh trờn Gii: Ta cú a 2 = -8 l h s õm u tiờn, nờn m = 2 a = max( 8, 1) = 8 Vy cn trờn ca nghim dng: 5/81N += * ởnh lyù 5: 17 Cho phỉång trçnh (1), xẹt cạc âa thỉïc: ϕ 1 (x) = x n f (1/x) = a 0 + a 1 x + + a n x n ϕ 2 (x) = f(-x) = (-1) n (a 0 x n - a 1 x n-1 + a 2 x n-2 - + (-1) n a n ) ϕ 3 (x) = x n f(-1/x) = (-1) n (a n x n - a n-1 x n-1 + a n-2 x n-2 - + (-1) n a 0 ) Gi sỉí N 0 , N 1 , N 2 , N 3 l cáûn trãn cạc nghiãûm dỉång ca cạc âa thỉïc f(x), ϕ 1 (x), ϕ 2 (x), ϕ 3 (x). Khi âọ mi nghiãûm dỉång ca phtrçnh (1) âãưu nàòm trong khong [1/N 1 , N 0 ] v mi nghiãûm ám nàòm trong khong [-N 2 ,-1/N 3 ] Vê dủ 5. Xét phương trình 3x 2 + 2x - 5 = 0 → N 0 = 1 + 3/5 (âënh l 4) ϕ 1 (x) = 3 + 2x - 5x 2 → N 1 khäng täưn tải (a 0 < 0) ϕ 2 (x) = 3x 2 - 2x - 5 → N 2 = 1 + 5/3 (âënh l 4) ϕ 3 (x) = 3 - 2x - 5x 2 → N 3 khäng täưn tải (a 0 < 0) Váûy: mi nghiãûm dỉång x < 1 + 3/5 mi nghiãûm ám x > - (1 +5/3) = - 8/3 4.4. Chính xác hố nghiệm 4.4.1. Phương pháp chia đơi a. Ý tưởng Cho phương trình f(x) = 0, f(x) liên tục và trái dấu tại 2 đầu [a,b]. Giả sử f(a) < 0, f(b) < 0 (nếu ngược lại thì xét –f(x)=0 ). Theo định lý 1, trên [a,b] phương trình có ít nhất 1 nghiệm µ. Cách tìm nghiệm µ: Đặt [a 0 , b 0 ] = [a, b] và lập các khoảng lồng nhau [a i , b i ] (i=1, 2, 3, …) [a i , (a i-1 + b i-1 )/2 ] nếu f((a i-1 + b i-1 )/2) >0 [a i , b i ] = [(a i-1 + b i-1 )/2, b i ] nếu f((a i-1 + b i-1 )/2) < 0 Như vậy: - Hoặc nhận được nghiệm đúng ở một bước nào đó: µ = (a i-1 + b i-1 )/2 nếu f((a i-1 + b i-1 )/2) = 0 - Hoặc nhận được 2 dãy {a n } và {b n }, trong đó: 18 {a n }: là dãy đơn điệu tăng và bị chặn trên {b n }: là dãy đơn điệu giảm và bị chặn dưới nên µ = =∃ α→ nn n blimalim là nghiệm phương trình Ví dụ 6. Tìm nghiệm phương trình: 2 x + x - 4 = 0 bằng ppháp chia đôi Giải: - Tách nghiệm: phương trình có 1 nghiệm x ∈ (1,2) - Chính xác hoá nghiệm: áp dụng phương pháp chia đôi ( f(1) < 0) Bảng kết quả: a n b n ) 2 ba (f nn + 1 2 + 1.5 - 1.25 - 1.375 + 1.438 + 1.406 + 1.391 - 1.383 + 1.387 - 1.385 - 1.386 1.387 386.1blimalim n 11n n n = = →α→ Kết luận: Nghiệm của phương trình: x ≈ 1.386 b. Thuật toán - Khai báo hàm f(x) (hàm đa thức, hàm siêu việt) - Nhập a, b sao cho f(a)<0 và f(b)>0 - Lặp c = (a+b)/2 nếu f(c) > 0 → b = c ngược lại a = c trong khi (⏐f(c)⏐> ε) /* ⏐a - b⏐ > ε và f(c) != 0 */ 19 - Xuất nghiệm: c 4.4.2. Phương pháp lặp a. Ý tưởng Biến đổi tương đương: f(x) = 0 <=> x = g(x) Chọn giá trị ban đầu x 0 ∈khoảng nghiệm (a,b), tính x 1 = g(x 0 ), x 2 = g(x 1 ), … , x k = g(x k-1 ) Như vậy ta nhận được dãy {x n }, nếu dãy này hội tụ thì tồn tại giới hạn η= ∞→ nn xlim (là nghiệm phương trình ) b. Ý nghĩa hình học Hoành độ giao điểm của 2 đồ thị y=x và y=g(x) là nghiệm phương trình Trường hợp hình a: hội tụ đến nghiệm µ Trường hợp hình a: không hội tụ đến nghiệm µ (phân ly nghiệm) Sau đây ta xét định lý về điều kiện hôi tụ đến nghiệm sau một quá trình lặp Định lý (điều kiện đủ) Giả sử hàm g(x) xác định, khả vi trên khoảng nghiệm [a,b] và mọi giá trị g(x) đều thuộc [a,b]. Khi đó nếu ∃ q > 0 sao cho ⏐g’(x)⏐≤q<1 ∀x (a,b) thì: + Quá trình lặp hội tụ đến nghiệm không phụ thuộc vào x 0 ∈ [a,b] + Giới hạn η = ∞→ nn xlim là nghiệm duy nhất trên (a, b) Lưu ý: - Định lý đúng nếu hàm g(x) xác định và khả vi trong (-∞,+∞), trong khi đó điều kiện định lý thoả mãn. µ x 2 x 1 x 0 x µ x 0 x 1 x 2 x y y y = x y = x y = g(x) A B C C B A Hình a Hình b 20 - Trong trường hợp tổng quát, để nhận được xấp xỉ x n vớI độ chính xác ε cho trước, ta tiến hành phép lặp cho đến khi 2 xấp xỉ liên tiếp thoả mãn: ε − ≤− + q q1 xx n1n Ví dụ 7. Tìm nghiệm: x 3 - x - 1 = 0 bằng phương pháp lặp Giải: - Tách nghiệm: phương trình có một nghiệm ∈ (1,2) - Chính xác hoá nghiệm: 3 2 33 1xx; x 1x x;1xx01xx += + =−=⇔=−− Chọn g(x) = 3 1x + 1 )1x( 1 3 1 )x('g 3 2 < + = )2,1( x ∈ ∀ => áp dụng phương pháp lặp (chọn x 0 = 1) x g(x) = 3 1x + 1 1.260 1.260 1.312 1.312 1.322 1.322 1.324 1.324 1.325 1.325 1.325 ⏐x 4 - x 5 ⏐ < ε = 10 -3 Nghiệm phương trình x ≈ 1.325 c. Thuật toán - Khai báo hàm g(x) - Nhập x - Lặp: y= x x = g(x) trong khi ⏐x - y⏐> ε - Xuất nghiệm: x (hoặc y) 21 4.4.3. Phương pháp tiếp tuyến a. Ý tưởng Chọn x 0 ∈ khoảng nghiệm (a, b) Tiếp tuyến tại A 0 (x 0 , f(x 0 )) cắt trục x tại điểm có hoành độ x 1 , Tiếp tuyến tại A 1 (x 1 , f(x 1 )) cắt trục x tại điểm có hoành độ x 2 , …, Tiếp tuyến tại A k (x k , f(x k )) cắt trục x tại điểm có hoành độ x k , … Cứ tiếp tục quá trình trên ta có thể tiến dần đến nghiệm µ của phương trình. * Xây dựng công thức lặp: Phương trình tiếp tuyến tại A k (x k , f(x k )) y - f(x k ) = f’(x k )*(x - x k ) Tiếp tuyến cắt trục x tại điểm có toạ độ (x k+1 , 0) Do vậy: 0 – f(x k ) = f’(x k )*(x k+1 - x k ) )x('f )x(f xx k k k1k −= + b. Ý nghĩa hình học Định lý (điều kiện hội tụ theo Furiê_điều kiện đủ) Giả sử [a,b] là khoảng nghiệm của phương trình f(x)=0. Đạo hàm f’(x), f’’(x) liên tục, không đổi dấu, không tiêu diệt trên [a,b]. Khi đó ta chọn xấp xỉ nghiệm ban đầu x 0 ∈[a,b] sao cho f(x 0 )*f’’(x 0 ) > 0 thì quá trình lặp sẽ hội tụ đến nghiệm. Ví dụ 8. Giải phương trình: x 3 + x - 5 = 0 bằng phương pháp tiếp tuyến Giải: - Tách nghiệm: f(x) = x 3 + x - 5 a µ x 2 x 1 x 0 b x [ ] A 1 f(x) → tiếp tuyến y A 0 . 1.5 - 1.25 - 1 .37 5 + 1. 438 + 1.406 + 1 .39 1 - 1 .38 3 + 1 .38 7 - 1 .38 5 - 1 .38 6 1 .38 7 38 6.1blimalim n 11n n n = = →α→ Kết luận: Nghiệm của phương trình: x ≈ 1 .38 6 b. Thuật toán. x g(x) = 3 1x + 1 1.260 1.260 1 .31 2 1 .31 2 1 .32 2 1 .32 2 1 .32 4 1 .32 4 1 .32 5 1 .32 5 1 .32 5 ⏐x 4 - x 5 ⏐ < ε = 10 -3 Nghiệm phương trình x ≈ 1 .32 5 c. Thuật toán - Khai báo hàm g(x). nghiệm: 3 2 33 1xx; x 1x x;1xx01xx += + =−=⇔=−− Chọn g(x) = 3 1x + 1 )1x( 1 3 1 )x('g 3 2 < + = )2,1( x ∈ ∀ => áp dụng phương pháp lặp (chọn x 0 = 1) x g(x) = 3 1x +