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Análise Numérica: Método da Bissecção - Aula 4, Resumos de Matemática

trata se dos topicos da analise numerica e computacional em forma resumida em que um dos topicos e a equacao transcendental

Tipologia: Resumos

2020

Compartilhado em 24/12/2021

vladinei-fidalgo
vladinei-fidalgo 🇨🇻

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Análise Numérica
Aula 4 Curso: LEM
Prof. Doutora
Telma Silva
Capítulo 2. Equações não lineares
Raizes e zeros. Método iterativo: Iterações e ordem de
convergência. Limitação e separação das raízes.
Método da bissecção. Método de falsa posição
Método do ponto fixo. O método de Newton. O método da
secante.
Análise de convergênia dos métodos iterativos estudados.
Zeros de polinómios. Localização e determinação de todos os
zeros (reais e complexos)
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Análise Numérica

Aula 4 Curso: LEM

Prof. Doutora

Telma Silva

Capítulo 2. Equações não lineares

  • Raizes e zeros. Método iterativo: Iterações e ordem de convergência. Limitação e separação das raízes.
  • Método da bissecção. Método de falsa posição
  • Método do ponto fixo. O método de Newton. O método da secante.
  • Análise de convergênia dos métodos iterativos estudados.
  • Zeros de polinómios. Localização e determinação de todos os zeros (reais e complexos)

Raízes e Zeros Se f(z) = 0, então diz-se que z é uma raiz da equação f(x) = 0 ou que z é um zero da função f. Multiplicidade de zeros: a) zero simples (a função cruza o eixo dos xx, mudando de sinal); b) zero duplo (a função toca o eixo dos xx mas não muda de sinal); c) zero triplo (a função cruza o eixo dos xx e muda de sinal, muda de concavidade).

Raízes e Zeros b) O ponto z = 1 é um zero duplo de f(x) = x 2

- 2x + 1 , já que

Raízes e Zeros Se z for um zero da função f, e se f for m vezes continuamente diferenciável no ponto z, então a multiplicidade de z é m sse

Equações não lineares Método iterativo

  • A aplicação de um método iterativo parte de uma estimativa inicial , x 0 , da solução a determinar, e vão sendo gerados os termos de uma sucessão de estimativas {x n } que se pretende que convirja para a solução pretendida.
  • Em cada iteração é calculado um termo da sucessão, ou seja, uma nova estimativa , x k , à custa da estimativa anterior, x k- 1

por intermédio de uma regra que caracteriza o método.

  • Este processo iterativo é terminado assim que a estimativa x k satisfaz um dado critério de paragem (por exemplo x k estar próximo de z ou f (x k ) ser próximo de 0) ou após um número máximo de iterações ou tempo de processamento.

Equações não lineares Iterações e convergência O processo ou esquema iterativo pode representar-se pela seguinte fórmula de iteração em que é uma função apropriada específica do método em questão conhecida por função de iteração. Se a função não depender de k , ou seja, se a forma da função se mantiver de iteração para iteração, o método iterativo diz-se estacionário. No caso contrário, o método diz-se não- estacionário. 𝑥 𝑘 = 𝑔 𝑘 𝑥 𝑘− 1 ,... , 𝑥 𝑘−𝑠 com 𝑘 = 𝑠, 𝑠 + 1 ,... 𝑔 𝑘 𝑔 𝑘

Definição: Diz-se que uma sucessão converge para z com ordem de convergência igual a p > 1, se existir uma constante M >0, independente de k, e um número natural N tais q ue diz-se que M é a constante de erro_._ A velocidade de convergência de um processo iterativo está usualmente associada ao conceito de ordem de convergência. Quanto maior for a ordem de convergência mais rápida é, em geral, a velocidade de convergência do processo.   k x e M e k N p k k   

, 1 Equações não lineares: Iterações e convergência

Definição: Diz-se que uma sucessão converge para z:

a) linearmente , se existir um número real M ∈ (0, 1) e um

número natural N tais que b) supralinearmente , se existir uma sucessão com e , tal que Se diz-se que a convergência é quadrática. Se, , diz-se que c é a constante de erro assimptótico_._   k x 𝑒 𝑘+ 1 ≤ 𝑀 𝑘 𝑒 𝑘 , ∀𝑘   k

M  0

k

M

lim = 0 →  k k

M

lim 𝑘→∞ 𝑒 𝑘+ 1 / 𝑒 𝑘 𝑝 = 𝑐 𝑒 𝑘+ 1 ≤ 𝑀 𝑒 𝑘 , ∀𝑘 ≥ 𝑁 𝑒 𝑘+ 1 ≤ 𝑀 𝑒 𝑘 2 , ∀𝑘 ≥ 𝑁 Equações não lineares: Iterações e convergência

Métodos Iterativos para a Obtenção de Zeros Reais de Funções (ou de soluções de equações não lineares):

  • Bissecção
  • Falsa Posição
  • Falsa Posição Modificado
  • Ponto Fixo
  • Newton-Raphson
  • Secante Equações não lineares: Métodos iterativos

Método da bissecção Seja f uma função contínua no intervalo finito I = [a, b] e tal que f(a) e f(b) possuam sinais diferentes (i.e. f(a).f(b)< 0 ). Então, esta função possui pelo menos um zero neste intervalo. Teorema do valor intermédio

Método da bissecção Descrição do método O algoritmo consiste nos seguintes passos:

  1. Define-se
  2. Considera-se o ponto médio do intervalo:
  3. Se , então é um zero e o algoritmo termina aqui.
  4. Se , faz-se
  5. Se, pelo contrário, , então faz-se Ia , b   a , b  0 0 0 = = I =  a , b , k = 1 , 2 ,... k k k 2 1 k k k a b x

=

( ) (^0) 1 = k + f x k + 1 x ( ) ( ) 0 1   k k + f a f x

  • 1 + 1 + 1 = = k k k k a a e b x ( ) ( ) 0 1   k k + f a f x k k k k a = x e b = b
  • 1 + 1 + 1

x a = a 0 z f(x) b = b 0 x 1 = (a + b)/ x 1 x a = a 1 z f(x) x 1 = b 1 x 2 = (a + x 1 )/ x 2 x z f(x) x 1 =b 2 x 3 = (x 2 + x 1 )/ x 2 =a 2 Repete-se o processo até^ x^3 que se verifique o critério de paragem. Método da bissecção Resumindo

Método da bissecção

  • Seja fC[a, b] e tal que f(a). f(b)<0 , e seja z o único zero de f nesse intervalo. Então, a sucessão {x k } determinada pelo método da bissecção converge para z, e o erro satisfaz a relação
  • O número n de iterações a considerar para garantir um erro ( o número máximo de iterações ) pode ser estimado pela expressão: onde é a tolerância. Erros e convergência k k b a e 2 − = ( ) ln( 2 ) ln a b /  n −    k e

Critério de ParagemSe os valores fossem exatosf(z) = 0(x k

- x k+ 1 )/x k

Uma vez que são aproximados| f(z)|tolerância| (x k

- x k+ 1 )/x k |tolerância Método da bissecção A tolerância é uma estimativa para o erro absoluto da aproximação.