2. Метод Ньютона решения систем нелинейных уравнений.

Этот метод обладает гораздо более быстрой сходимостью, чем метод простой итерации. В основе метода Ньютона для системы уравнений (1.1) лежит использование разложения функций

, где
(2.1)

в ряд Тейлора, причём члены, содержащие вторые и более высокие порядки производных, отбрасываются. Такой подход позволяет решение одной нелинейной системы (1.1) заменить решением ряда линейных систем.

Итак, систему (1.1) будем решать методом Ньютона. В области D выберем любую точку
и назовём её нулевым приближением к точному решению исходной системы. Теперь функции (2.1) разложим в ряд Тейлора в окрестности точки . Будем иметь

Т.к. левые части (2.2) должны обращаться в ноль согласно (1.1), то и правые части (2.2) тоже должны обращаться в ноль. Поэтому из (2.2) имеем

Все частные производные в (2.3) должны быть вычислены в точке .

(2.3) есть система линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных Эту систему можно решить методом Крамера, если её основной определитель будет отличен от нуля и найти величины

Теперь можно уточнить нулевое приближение , построив первое приближение с координатами

т.е.
. (2.6)

Выясним, получено ли приближение (2.6) с достаточной степенью точности. Для этого проверим условие

,
(2.7)

где наперёд заданное малое положительное число (точность, с которой должна быть решена система (1.1)). Если условие (2.7) будет выполнено, то за приближённое решение системы (1.1) выберем (2.6) и закончим вычисления. Если же условие (2.7) выполняться не будет, то выполним следующее действие. В системе (2.3) вместо
возьмём уточнённые значения

, (2.8)

т.е. выполним следующие действия

. (2.9)

После этого система (2.3) будет системой линейных алгебраических уравнений относительно величин Определив эти величины, следующее второе приближение
к решению системы (1.1) найдём по формулам

Теперь проверим условие (2.7)

Если это условие выполняется, то заканчиваем вычисления, приняв за приближённое решение системы (1.1) второе приближение
. Если же это условие не выполняется, то продолжаем строить следующее приближение, приняв в (2.3)
Строить приближения нужно до тех пор, пока условие на не будет выполнено.

Рабочие формулы метода Ньютона для решения системы (1.1) можно записать в виде.

Вычислить последовательность

Здесь
являются решением системы

Сформулируем алгоритм вычислений по формулам (2.11)-(2.13).

1. Выберем нулевое приближение , принадлежащее области D.

2. В системе линейных алгебраических уравнений (2.13) положим
,а .

3. Решим систему (2.13) и найдём величины
.

4. В формулах (2.12) положим
и вычислим компоненты следующего приближения .

5. Проверим условие (2.7) на : (См. алгоритм вычисления максимума нескольких величин.)

6. Если это условие выполняется, то заканчиваем вычисления, выбрав за приближённое решение системы (1.1) приближение . Если же это условие не выполняется, то перейдём к п.7.

7. Положим
для всех .

8. Выполним п.3, положив
.

Геометрически этот алгоритм можно записать в виде.

Алгоритм. Вычисления максимума нескольких величин .

Пример . Рассмотрим использование метода Ньютона для решения системы двух уравнений.

Методом Ньютона с точностью до решить следующую систему нелинейных уравнений

, (2.14)

здесь
. Выберем нулевое приближение
, принадлежащее области D. Построим систему линейных алгебраических уравнений (2.3). Она будет иметь вид

(2.15)

Обозначим

Решим систему (2.15) относительно неизвестных
, например методом Крамера. Формулы Крамера запишем в виде

(2.17)

где основной определитель системы (2.15)

(2.18)

а вспомогательные определители системы (2.15) имеют вид

.

Найденные значения подставим в (2.16) и найдём компоненты первого приближения
к решению системы (2.15).

Проверим условие

, (2.19)

если это условие выполняется, то заканчиваем вычисления, приняв за приближённое решение системы (2.15) первое приближение, т. е.
. Если условие (2.19) не выполняется, то положим
,
и построим новую систему линейных алгебраических уравнений (2.15). Решив её, найдём второе приближение
. Проверим его на . Если это условие будет выполняться, то за приближённое решение системы (2.15) выберем
. Если условие на не будет выполняться, положим
,
и построим следующую систему (2.15) для нахождения
и т. д.

Задания

Во всех заданиях требуется:

Составить программу численной реализации метода, согласно предложенному алгоритму.

Получить результаты вычислений.

Проверить полученные результаты.

Задана система двух нелинейных уравнений.

1.
2.

3.
4.

5.
6.

7.
8.

9.
10.

11.
12.

13.
14.

15.
.

Глава 3. Численные методы решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ).

Цель работы . Знакомство с некоторыми приближёнными методами решения СЛАУ и их численной реализацией на ПК.

Предварительные замечания. Все методы решения СЛАУ обычно разделяют на две большие группы. К первой группе относятся методы, которые принято называть точными. Эти методы позволяют для любых систем найти точные значения неизвестных после конечного числа арифметических операций, каждая из которых выполняется точно.

Ко второй группе относятся все методы, не являющиеся точными. Их называют итерационными, или численными, или приближёнными. Точное решение, при использовании таких методов, получается в результате бесконечного процесса приближений. Привлекательной чертой таких методов является их самоисправляемость и простота реализации на ПК.

Рассмотрим некоторые приближённые методы решения СЛАУ и построим алгоритмы их численной реализации. Приближённое решение СЛАУ будем получать с точностью до , где некоторое очень маленькое положительное число.

1. Метод итерации.

Пусть СЛАУ задана в виде

(1.1)

Эту систему можно записать в матричном виде

, (1.2)

где
- матрица коэффициентов при неизвестных в системе (1.1),
- столбец свободных членов,
- столбец неизвестных системы (1.1).

. (1.3)

Решим систему (1.1) методом итерации. Для этого выполним следующие действия.

Во-первых. Выберем нулевое приближение

(1.4)

к точному решению (1.3) системы (1.1). Компонентами нулевого приближения могут быть любые числа. Но удобнее за компоненты нулевого приближения взять либо нули
, либо свободные члены системы (1.1)

Во-вторых. Компоненты нулевого приближения подставим в правую часть системы (1.1) и вычислим

(1.5)

Величины, стоящие слева в (1.5) являются компонентами первого приближения
Действия, в результате которых получилось первое приближение, называются итерацией.

В-третьих. Проверим нулевое и первое приближения на

(1.6)

Если все условия (1.6) выполняются, то за приближённое решение системы (1.1) выберем, либо , либо всё равно, т.к. они отличаются друг от друга не больше чем на и закончим вычисления. Если хотя бы одно из условий (1.6) не будет выполнено, то перейдём к следующему действию.

В-четвёртых. Выполним следующую итерацию, т.е. в правую часть системы (1.1) подставим компоненты первого приближения и вычислим компоненты второго приближения
, где

В-пятых. Проверим
и на , т.е. проверим условие (1.6) для этих приближений. Если все условия (1.6) будут выполнены, то за приближённое решение системы (1.1) выберем, либо , либо всё равно, т.к. они отличаются друг от друга не больше чем на . В противном случае будем строить следующую итерацию, подставив компоненты второго приближения в правую часть системы (1.1).

Итерации нужно строить до тех пор, пока два соседних приближения
и будут отличаться друг от друга не больше, чем на .

Рабочую формулу метода итерации решения системы (1.1) можно записать в виде

Алгоритм численной реализации формулы (1.7) может быть таким.

Достаточные условия сходимости метода итерации для системы (1.1) имеют вид

1.
, .

2.
,
.

3.

2. Метод простой итерации.

Пусть система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) задана в виде

(2.1)

Чтобы систему (2.1) решить методом простой итерации, её сначала надо привести к виду

(2.2)

В системе (2.2) -ое уравнение представляет собой -ое уравнение системы (2.1), разрешённое относительно –ой неизвестной (
).

Метод решения системы (2.1), состоящий в сведении её к системе (2.2) с последующим решением системы (2.2) методом итерации, называется методом простой итерации для системы (2.1).

Таким образом, рабочие формулы метода простой итерации решения системы (2.1) будут иметь вид

(2.3)

Формулы (2.3) можно записать в виде

Алгоритм численной реализации метода простой итерации для системы (2.1) по формулам (2.4) может быть таким.

Этот алгоритм можно записать геометрически.

Достаточные условия сходимости метода простой итерации для системы (2.1) имеют вид

1.
, .

2.
,
.

3.

3. Стационарный метод Зейделя.

Метод Зейделя решения СЛАУ отличается от метода итерации тем, что найдя какое-то приближение для -той компоненты, мы сразу же используем его для отыскания следующих
,
, …, -ой компонент. Такой подход позволяет обеспечить более высокую скорость сходимости метода Зейделя по сравнению с методом итерации.

Пусть СЛАУ задана в виде

(3.1)

Пусть
- нулевое приближение к точному решению
системы (3.1). И пусть найдено -ое приближение
. Определим компоненты
-ого приближения по формулам

(3.2)

Формулы (3.2) можно записать в компактном виде

,
,
(3.3)

Алгоритм численной реализации метода Зейделя решения системы (3.1) по формулам (3.3) может быть таким.

1. Выберем , например,
,

2. Положим .

3. Для всех вычислим .

4. Для всех проверим условия
.

5. Если все условия в п.4 будут выполнены, то за приближенное решение системы (3.1) выберем либо , либо и закончим вычисления. Если хотя бы одно условие в п.4 не будет выполнено, перейдем к п.6.

6. Положим и перейдем к п.3.

Этот алгоритм можно записать геометрически.

Достаточное условие сходимости метода Зейделя для системы (3.1) имеет вид
, .

4. Нестационарный метод Зейделя.

Этот метод решения СЛАУ (3.1) обеспечивает еще более высокую скорость сходимости метода Зейделя.

Пусть каким-либо образом для системы (3.1) найдены компоненты -ого приближения и -ого приближения .

Вычислим вектор поправки

Подсчитаем величины

, (4.2)

Расположим величины
, в порядке их убывания.

В таком же порядке перепишем уравнения в системе (3.1) и неизвестные в этой системе., : Линейная алгебра и нелинейные ... Руководство для лабораторных работ по ... методические указания для практических работ по для студентов ...

Учебная литература (естественные науки и технические) 2000-2011 цикл опд – 10лет цикл сд – 5 лет

Литература

... Естественные науки в целом 1. Астрономия [Текст] : пособие для ... Численные методы : Линейная алгебра и нелинейные ... Руководство для лабораторных работ по ... методические указания для практических работ по дисциплине "Экономика транспорта" для студентов ...

- естественные науки (1)

Учебное пособие

... руководство для студентов и преподавателей, предназначенное для использования не только при изучении методов работы ... выработке практических навыков с использованием реальных данных. Методические рекомендации по выполнению зачетной работы по данному...

- естественные науки - физико-математические науки - химические науки - науки о земле (геодезические геофизические геологические и географические науки)

Документ

... для студентов естественно - ... работ по дисциплине "Генетика и селекция", посвященных актуальным проблемам этой науки . Систематизирована самостоятельная работа студентов по теоретическому и практическому ... линейного , нелинейного , динамического. Все методы ...

- естественные науки - физико-математические науки - химические науки - науки о земле (геодезические геофизические геологические и географические науки) (7)

Список учебников

Определитель Еремина в линейной и нелинейной алгебре : линейное и нелинейное программирование: новый метод / Еремин, Михаил... Для студентов и преподавателей геологических специальностей вузов. кх-1 1794549 99. Д3 П 693 Практическое руководство по ...

Метод Ньютона (также известный как метод касательных) - это итерационный численный метод нахождения корня (нуля) заданной функции. Метод был впервые предложен английским физиком, математиком и астрономом Исааком Ньютоном (1643-1727), под именем которого и обрёл свою известность.

Метод был описан Исааком Ньютоном в рукописи De analysi per aequationes numero terminorum infinitas (лат.О б анализе уравнениями бесконечных рядов), адресованной в 1669 году Барроу , и в работе De metodis fluxionum et serierum infinitarum (лат.Метод флюксий и бесконечные ряды) или Geometria analytica (лат.Аналитическая геометрия) в собраниях трудов Ньютона, которая была написана в 1671 году. Однако описание метода существенно отличалось от его нынешнего изложения: Ньютон применял свой метод исключительно к полиномам. Он вычислял не последовательные приближения x n , а последовательность полиномов и в результате получал приближённое решение x.

Впервые метод был опубликован в трактате Алгебра Джона Валлиса в 1685 году, по просьбе которого он был кратко описан самим Ньютоном. В 1690 году Джозеф Рафсон опубликовал упрощённое описание в работеAnalysis aequationum universalis (лат. Общий анализ уравнений). Рафсон рассматривал метод Ньютона как чисто алгебраический и ограничил его применение полиномами, однако при этом он описал метод на основе последовательных приближений x n вместо более трудной для понимания последовательности полиномов, использованной Ньютоном.

Наконец, в 1740 году метод Ньютона был описан Томасом Симпсоном как итеративный метод первого порядка решения нелинейных уравнений с использованием производной в том виде, в котором он излагается здесь. В той же публикации Симпсон обобщил метод на случай системы из двух уравнений и отметил, что метод Ньютона также может быть применён для решения задач оптимизации путём нахождения нуля производной или градиента.

В соответствии с данным методом задача поиска корня функции сводится к задаче поиска точки пересечения с осью абсцисс касательной, построенной к графику функции .

Рис.1 . График изменение функции

Проведенная в любой точке касательная линия к графику функции определяется производной данной функции в рассматриваемой точке, которая в свою очередь определяется тангенсом угла α (). Точка пересечения касательной с осью абсцисс определяется исходя из следующего соотношения в прямоугольном треугольнике: тангенс угла в прямоугольном треугольнике определяется отношением противолежащего катета к прилежащему катету треугольнику. Таким образом, на каждом шаге строится касательная к графику функции в точке очередного приближения . Точка пересечения касательной с осью Ox будет являться следующей точкой приближения . В соответствии с рассматриваемым методом расчет приближенного значения корня на i -итерации производится по формуле:

Наклон прямой подстраивается на каждом шаге наилучшим образом, однако следует обратить внимание на то, что алгоритм не учитывает кривизну графика и следовательно в процессе расчета остается неизвестно в какую сторону может отклониться график.

Условием окончания итерационного процесса является выполнение следующего условия:

где ˗ допустимая погрешность определения корня.

Метод обладает квадратичной сходимостью. Квадратичная скорость сходимость означает, что число верных знаков в приближённом значении удваивается с каждой итерацией.

Математическое обоснование

Пусть дана вещественная функция , которая определена и непрерывна на рассматриваемом участке. Необходимо найти вещественный корень рассматриваемой функции.

Вывод уравнения основано на методе простых итераций, в соответствии с которым уравнение приводят к эквивалентному уравнению при любой функции . Введем понятие сжимающего отображения, которое определяется соотношением .

Для наилучшей сходимости метода в точке очередного приближения должно выполняться условие . Данное требование означает, что корень функции должен соответствовать экстремуму функции .

Производная сжимающего отображения определяется в следующем виде:

Выразим из данного выражение переменную при условии принятого ранее утверждения о том, что при необходимо обеспечить условие . В результате получим выражение для определения переменной :

С учетом этого сжимающая функция прием следующий вид:

Таким образом, алгоритм нахождения численного решения уравнения сводится к итерационной процедуре вычисления:

Алгоритм нахождения корня нелинейного уравнения по методу

1. Задать начальную точку приближенного значения корня функции , а также погрешность расчета (малое положительное число ) и начальный шаг итерации ( ).

2. Выполнить расчет приближенного значения корня функции в соответствии с формулой:

3. Проверяем приближенное значение корня на предмет заданной точности, в случае:

Если разность двух последовательных приближений станет меньше заданной точности , то итерационный процесс заканчивается.

Если разность двух последовательных приближений не достигает необходимой точности , то необходимо продолжить итерационный процесс и перейти к п.2 рассматриваемого алгоритма.

Пример решения уравнений

по методу Ньютона для уравнения с одной переменной

В качестве примера, рассмотрим решение нелинейного уравнения методом Ньютона для уравнения с одной переменной . Корень необходимо найти с точностью в качестве первого приближения .

Вариант решения нелинейного уравнения в программном комплексе MathCAD представлен на рисунке 3.

Результаты расчетов, а именно динамика изменения приближенного значения корня, а также погрешности расчета от шага итерации представлены в графической форме (см. рис.2).

Рис.2 . Результаты расчета по методу Ньютона для уравнения с одной переменной

Для обеспечения заданной точности при поиске приближенного значения корня уравнения в диапазоне необходимо выполнить 4 итерации. На последнем шаге итерации приближенное значение корня нелинейного уравнения будет определяться значением: .

Рис.3 . Листинг программы в MathCad

Модификации метода Ньютона для уравнения с одной переменной

Существует несколько модификаций метода Ньютона, которые направлены на упрощение вычислительного процесса.

Упрощенный метод Ньютона

В соответствии с методом Ньютона требуется вычислять производную функции f(x) на каждом шаге итерации, что ведет к увеличению вычислительных затрат. Для уменьшения затрат, связанных с вычислением производной на каждом шаге расчета, можно произвести замену производной f’(x n ) в точке x n в формуле на производную f’(x 0) в точке x 0 . В соответствии с данным методом расчета приближенное значение корня определяется по следующей формуле: Модифицированный метод Ньютона

Разностный метод Ньютона

В результате приближенное значение корня функции f(x) будет определяться выражением разностного метода Ньютона:

Двух шаговый метод Ньютона

В соответствии с методом Ньютона требуется вычислять производную функции f(x) на каждом шаге итерации, что не всегда удобно, а иногда практически невозможно. Данный способ позволяет производную функции заменить разностным отношением (приближенным значением):

В результате приближенное значение корня функции f(x) будет определяться следующим выражением:

где

Рис.5 . Двух шаговый метод Ньютона

Метод секущих является двух шаговым, то есть новое приближение определяется двумя предыдущими итерациями и . В методе необходимо задавать два начальных приближения и . Скорость сходимости метода будет линейной.

• Назад
• Вперёд

Для того, чтобы добавить Ваш комментарий к статье, пожалуйста, зарегистрируйтесь на сайте.

Решение нелинейных уравнений методом Ньютона

Для решения электроэнергетических задач существует несколько моди-фикаций метода. Они позволяют увеличить скорость сходимости итераци-онного процесса и уменьшить время расчета.

Основное достоинство метода – он обладает быстрой сходимостью.

Идея метода состоит в последовательной замене на каждой итерации расчета исходной нелинейной системы уравнений некоторой вспомогатель-ной линейной системой уравнений, решение которой позволяет получить очередное приближение неизвестных, более близкое к искомому решению (линеаризация ).

Рассмотрим нелинейное уравнение в общем виде:

Искомое решение уравнения – точка, в которой кривая пересекает ось абсцисс.

Задаем начальное приближение неиз-вестной х (0) . Определяем значение функции в этой точке w(х (0)) и проводим касательную к кривой в точке В. Точка пересечения этой касательной с осью абсцисс определяет сле-дующее приближение неизвестной х (1) и т.д.

Разложим уравнение (1) в ряд Тейлора в окрестностях точки х (0) . Рас-смотрим члены разложения, содержащие только 1-ю производную:

(2)

х – х (0) = Δх - поправка к неизвестной. Если определим её, то сможем определить и следующее приближение.

Из (2) определяем поправку (3)

Тогда следующее приближение: (5)

Аналогично получаем к -е приближения:

Это рекуррентная формула метода Ньютона для решения нелинейных уравнений. Она позволяет определять очередные приближения неизвестных.

Формулу (6) можно получить другим способом из рисунка:

Итерационный процесс сходится, если уменьшается и приближается к 0 . Результат достигнут, если .

Комментарий к геометрической интерпретации

Итерационный шаг метода сводится к замене кривой на прямую, ко-торая описывается левой частью уравнения (2). Она является касательной к кривой в точке . Этот процесс называется линеаризацией . Точка пере-сечения касательной к кривой с осью х дает очередное приближение неиз-вестной . Поэтому этот метод называется методом касательных .

Пример:

Пример:

Для того, чтобы определить этим методом все корни нелинейного урав-нения, нужно любым способом определить приблизительное расположение этих корней и задать начальные приближения в близи них.

Простой способ определения области расположения корней - табуляция .

Итерационный процесс Ньютона не сходится , если начальные приближения выбраны так, что:

Процесс или не сходится или сходится очень плохо.

Метод Ньютона-Рафсона для решения СНАУ

Рафсон показал, что итерационный метод Ньютона, предложенный для решения одного нелинейного уравнения , можно использовать для решения систем нелинейных уравнений.

При этом, для решения систем нелинейных уравнений нужно вместо од-ной неизвестной рассматривать совокупность(вектор) неизвестных :

вместо одной невязки уравнения, рассматриваем вектор невязок уравнений системы:

Одна производная в (6) замещается матрицей производных . Операция деления в (6) замещается умножением на обратную матрицу производных. В этом случае метод Ньютона-Рафсона отличается от метода Ньютона пере-ходом от одномерной задачи к многомерной .

Рассмотрим систему действительных нелинейных алгебраических уравне-ний:

(7)

В матричном виде ее можно записать:

где Х = х 2 – вектор – столбец неизвестных;

w 1 (х 1 , х 2 , … х n)

W = w 2 (х 1 , х 2 , … х n) – вектор-функция.

w n (х 1 , х 2 , … х n)

Пусть - начальные приближения неизвестных. Разложим каждое уравнение системы (7) в ряд Тейлора в окрестности точки Х (0) , то есть выполним приближенную замену исходных нелинейных уравнений линей-ными, в которых сохраняется только 1-я производная (линеаризация). В ре-зультате система уравнений (7) принимает вид:

(9)

В результате получили систему линейных уравнений (линеаризованная система), в которой неизвестными являются поправки . Коэф-фициенты при неизвестных в этой системе – первые производные от урав-нений w j исходной нелинейной системы по всем неизвестным Х i . . Они обра-зуют матрицу коэффициентов – матрицу Якоби :

=

Каждая строка матрицы состоит из первых производных от очередного урав-нения нелинейной системы по всем неизвестным.

Запишем линеаризованную систему (9) в матричной форме:

(10)

Здесь - вектор невязок уравнений исходной системы. Его эле-менты получаем при подстановке в уравнения нелинейной системы очеред-ных приближений неизвестных;

- матрица Якоби . Ее элементами являются первые частные про-изводные от всех уравнений исходной системы по всем неизвестным;

- вектор поправок к искомым неизвестным. На каждой итерации он может быть записан:

Систему (10) с учетом принятых обозначений можно записать:

(12)

Эта система линейна относительно поправок ΔХ (к) .

Система (13) - линеаризованная система уравнений, которой заменяется исходная СНАУ на каждом шаге итерационного процесса.

Система (13) решается любым известным способом, в результате находим вектор поправок . Затем из (11) можем найти очередные приближения неизвестных:

Т.о. каждый шаг итерационного процесса состоит в решении линейной сис-темы (13) и определении очередного приближения из (14).

Из (11) и (12) можно получить общую рекуррентную формулу (в матричном виде), соответствующую методу Ньютона–Рафсона:

(15)

Она имеет структуру, соответствующую формуле (6).

Формула (15) в практических расчетах используется редко , так как здесь нужно обращать матрицу Якоби (большой размерности) на каждой итерации расчетов. В реальных расчетах поправки определяются в результате решения линейной системы (13).

Контроль завершения итерационного процесса выполняем по вектору невязок:

Это условие должно выполняться для невязок всех уравнений системы.

Алгоритм решения СНАУ методом Ньютона-Рафсона

1. Задание вектора начальных приближений неизвестных .

Задание точности расчета є , других параметров расчета

2. Определение невязок нелинейных уравнений в точке приближения ;

2.3. Определение элементов матрицы Якоби в точке очередного прибли-жения неизвестных ;

2.4. Решение линеаризованной системы (13) любым известным методом. Определение поправок к неизвестным .

2.5. Определение очередного приближения неизвестных в соответ-ствии с (14).

2.6. Контроль завершения итерационного процесса в соответствии с (16). Если условие не выполняется, то возврат к пункту 2.

Примерчик:

Решить СЛАУ методом Ньютона-Рафсона:

(решение Х 1 =Х 2 =2)

Запишем уравнения в виде невязок:

Определяем элементы матрицы Якоби:

Матрица Якоби:

Реализуем алгоритм метода Ньютона-Рафсона:

1) Первая итерация:

Начальные приближения

Невязки

Матрица Якоби:

Линеаризованная система уравнений:

1-е приближение неизвестных:

2) Вторая итерация

3) Третья итерация:

… ……… …… …… …… ……..

Решение систем уравнений установившегося режима методом Ньютона-Рафсона

Нелинейное уравнение установившегося режима в форме баланса мощ-ности для -го узла имеет вид:

(17)

Это уравнение с комплексными неизвестными и коэффициентами. Для того, чтобы такие уравнения вида (17) можно было решать методом Ньюто-на-Рафсона, их преобразуют: разделяют действительные и мнимые части. В результате этого каждое комплексное уравнение вида (17) распадается на два действительных уравнения, которые соответствуют балансу активной и ре-активной мощности в узле:

Здесь -заданные мощности в узле;

Неизвестные составляющие напряжения в узлах. Их нужно

определить в результате расчета.

В правой части уравнений (18) - расчетная суммарная мощность пере-токов в ветвях, подходящих к -му узлу.

Запишем эти уравнения (18) в виде невязок :

Невязки уравнений (19) соответствует расчетному небалансу активной и реактивной мощности в -ом узле.

Невязки описывают режим узла і и являются нелинейными функциями от неизвестных напряжений в узлах . Нужно, чтобы -> 0.

Будем решать методом Ньютона-Рафсона систему 2n уравнений вида (19), то есть для решения задачи расчета установившегося режима электри-ческой сети методом Ньютона - Рафсона нужно:

1) сформировать систему 2n уравнений вида (19) для всех узлов электрической сети, кроме балансирующих;

2) организовать итерационный процесс метода Ньютона-Рафсона

для решения этой системы уравнений. В результате решения

получаем искомые составляющие напряжений в узлах .

Запишем эту систему уравнений в общем виде:

(20)

Получили систему 2 нелинейных уравнений невязок с 2 неизвест-ными, которыми. Неизвестными в ней являются составляющие напряжения - модули и углы .

Для решения системы (20) методом Ньютона-Рафсона нужно составить вспомогательную линеаризованную систему уравнений вида (13), решая ко-торую на каждой итерации, определяем поправки к неизвестным:

(21)

С учетом принятых обозначений система (21) может быть записана:

(22)

где -матрица Якоби, её элементами являются частные производные от уравнений системы (20) по всем неизвестным - составляющим напряже-ний

Вектор невязок уравнений системы (20). Их значения получаем при подстановке в уравнения очередных приближений неизвестных;

Вектор поправок к неизвестным:

; ΔӨ i = Ө i (к+1) - Ө i (к) , ΔU i = U i (к+1) - U i (к) .

Для определения элементов матрицы Якоби применяем аналитическое дифференцирование , т.е. дифференцируем каждое уравнение системы (20) по искомым величинам – углам и модулям напряжений. Чтобы сформировать матрицу Якоби, нужно получить аналитические выражения для производных следующих видов :

1) Производная от уравнения невязки активной мощности го узла по углу напряжения этого же узла: ;

2) Производная от уравнения невязки активной мощности го узла по углу напряжения смежного j- го узла: ;

3) Производная от невязки активной мощности го узла по модулю напряжения этого же узла: ;

4) Производная от невязки активной мощности го узла по модулю напряжения смежного узла: ;

Аналогично определяются ещё четыре вида производных – производные от уравнений невязки реактивной мощности го узла по всем неизвестным:

5) ; 6) ; 7) ; 8) .

С учетом этих производных матрицу Якоби можно записать в общем виде:

(23)

Определим аналитические выражения для производных, дифференци-руя уравнения системы (20) по неизвестным величинам. Они имеют вид:

(24)

Матрица Якоби в общем случае - квадратная матрица, симметричная, размерностью , её элементами являются частные производные от невязок уравнений (небаланса мощностей) по всем неизвестным.

Если узлы не связаны между собой, то соответствующие произ-водные в матрицы матрице Якоби, расположенные вне диагонали, будут равны нулю (аналогично матрице проводимостей) – т.к. в соответствующих форму-лах (24) взаимная проводимость y ij является сомножителем и. y ij =0.

Каждая строка матрицы – это производные от очередного уравнения системы (20).

Наличие в схеме моделируемой сети особых узлов (опорные и балансирую-щие узлы, узлы ФМ) сказывается на структуре системы уравнений устано-вившегося режима и на структуре матрицы Якоби:

1. Для узлов с фиксацией модуля напряжения (ФМ), в которых заданы и неизвестными являются и , из матрицы Якоби исключается стро-ка производных (т.к. Q i не задана, то и уравнение баланса реак-тив-ной мощности (18), (19) составить нельзя) и столбец производных (т.к. модуль напряжения U i известен и он исключается из состава неизвест-ных).

2. Для узлов опорных и балансирующих – соответствующие строки и столбцы матрицы исключаются;

3. Если узлы не связаны непосредственно – соответствующие произ-водные в матрице равны нулю.

Матрицу Якоби можно разбить на четыре блока :

1) - производные от уравнений небаланса активной мощности (20) по углам напряжений;

2) - производные от уравнений небаланса активной мощности по модулям напряжений;

3) - производные от уравнений небаланса реактивной мощности (20) по углам напряжений;

4) - производные от уравнений небаланса реактивной мощности по модулям напряжений.

Это матрицы-клетки частных производных небалансов активной и реактив-ной мощностей по неизвестным углам и модулям напряжений. В общем случае, это квадратные матрицы размерностью n×n.

С учетом этого, матрица Якоби может быть представлена в виде блочной мат-рицы:

Где субвектора неизвестных величин.

С учетом этого,Тогда линеаризованную систему уравнений (22) можно запи-сать в ви-де:

. (25)

Решая эту линейную систему уравнений (любым известным методом) на

кКаждой итерации метода, находим поправки к неизвестным , а затем и

очередные приближения неизвестных:

(26)

Очередное приближение неизвестных можно, также, получить с использо-ванием итерационной формулы метода Ньютона-Рафсона, аналогичной (15):

- · (27)

Тут требуется обращение матрицы Якоби на каждой итерации – громоздкая вычислительная операция.

Алгоритм решения систем уравнений установившегося режима методом Ньютона - Рафсона

1. Задание начальных значений неизвестных напряжений . В ка-честве начальных приближений принимаем: , т.е. номинальные напряжения узлов;

2. Задание условий расчета: точность ε , предельное количество итера-ций , ускоряющие коэффициенты и др.

3. Определение невязок уравнений в соответствии с уравнениями (20) при очередных приближениях неизвестных;

4. Определение элементов матрицы Якоби в соответствии с (24) при очередных приближениях неизвестных;

5. Решение линеаризованной системы уравнений (25) и определение поправок к неизвестным ;

6. Определение очередных приближений неизвестных в соответствии с (26);

7. Проверка завершения итерационного процесса:

Значения невязок уравнений для всех узлов должны быть меньше задан-ной точности.

Если условие не выполняется, то возврат к пункту 3 и повторение рас-чета при новых приближениях неизвестных.

Существует ряд модификаций метода Ньютона-Рафсона. В том числе:

1. Модифицированный метод Ньютона-Рафсона.

Матрицу Якоби рассчитывают один раз при начальных значениях неизвест-ных. На последующих итерациях она принимается постоянной . Это значи-тельно сокращает объем вычислений на каждой итерации, но увеличивает ко-личество итераций.

2. Разделенный метод Ньютона-Рафсона.

Производные вида очень малы и их значениями можно прине-бречь. В результате, в матрице Якоби остаются два блока - 1-й и 4-й, и сис-тема (25), состоящая из уравнений, распадается на две независимые сис-темы размерностью . Каждая из этих систем решается отдельно от другой. Это приводит к сокращению объема вычислений и необходимой памяти ЭВМ.

Метод Ньютона (метод касательных)

Пусть корень уравнения f(x)=0 отделен на отрезке , причем первая и вторая производные f’(x) и f""(x) непрерывны и знакопостоянны при хÎ .

Пусть на некотором шаге уточнения корня получено (выбрано) очередное приближение к корню х n . Тогда предположим, что следующее приближение, полученное с помощью поправки h n , приводит к точному значению корня

x = х n + h n . (1.2.3-6)

Считаяh n малой величиной, представим f(х n + h n) в виде ряда Тейлора, ограничиваясь линейными слагаемыми

f(х n + h n) »f(х n) + h n f’(х n). (1.2.3-7)

Учитывая, что f(x) = f(х n + h n) = 0, получим f(х n) + h n f ’(х n) » 0.

Отсюда h n » - f(х n)/ f’(х n). Подставим значение h n в (1.2.3-6) и вместо точного значения корня x получим очередное приближение

Формула (1.2.3-8) позволяет получить последовательность приближенийх 1 ,х 2 , х 3 …, которая при определенных условиях сходится к точному значению корняx, то есть

Геометрическая интерпретация метода Ньютона состоит в следующем
(рис.1.2.3-6). Примем за начальное приближение x 0 правый конец отрезка b и в соответствующей точке В 0 на графике функции y = f(x) построим касательную. Точка пересечения касательной с осью абсцисс принимается за новое более точное приближение х 1 . Многократное повторение этой процедуры позволяет получить последовательность приближений х 0 , х 1 , х 2 , . . ., которая стремится к точному значению корня x.

Расчетная формула метода Ньютона (1.2.3-8) может быть получена из геометрического построения. Так в прямоугольном треугольнике х 0 В 0 х 1 катет
х 0 х 1 = х 0 В 0 /tga. Учитывая, что точка В 0 находится на графике функции f(x), а гипотенуза образована касательной к графику f(x) в точке В 0 , получим

(1.2.3-9)

(1.2.3-10)

Эта формула совпадает с (1.2.3-8) для n-го приближения.

Из рис.1.2.3-6 видно, что выбор в качестве начального приближения точки а может привести к тому, что следующее приближение х 1 окажется вне отрезка , на котором отделен корень x . В этом случае сходимость процесса не гарантирована. В общем случае выбор начального приближения производится в соответствии со следующим правилом: за начальное приближение следует принять такую точку х 0 Î,в которой f(х 0)×f’’(х 0)>0, то есть знаки функции и ее второй производной совпадают.

Условия сходимости метода Ньютона сформулированы в следующей теореме.

Если корень уравнения отделен на отрезке , причем f’(х 0)и f’’(х) отличны от нуля и сохраняют свои знаки при хÎ , то, если выбрать в качестве начального приближения такую точку х 0 Î, что f(х 0).f¢¢(х 0)>0, то корень уравнения f(x)=0может быть вычислен с любой степенью точности.

Оценка погрешности метода Ньютона определяется следующим выражением:

(1.2.3-11)

где -- наименьшее значение при

Наибольшее значение при

Процесс вычислений прекращается, если ,

где -- заданная точность.

Кроме того, условием достижения заданной точности при уточнении корня методом Ньютона могут служить следующие выражения:

Схема алгоритма метода Ньютона приведена на рис. 1.2.3-7.

Левая часть исходного уравнения f(x) и ее производная f’(x)в алгоритме оформлены в виде отдельных программных модулей.

Рис. 1.2.3-7. Схема алгоритма метода Ньютона

Пример 1.2.3-3.Уточнить методом Ньютона корни уравнения x-ln(x+2) = 0при условии, что корни этого уравнения отделены на отрезках x 1 Î[-1.9;-1.1] и x 2 Î [-0.9;2].

Первая производная f’(x) = 1 – 1/(x+2) сохраняет свой знак на каждом из отрезков:

f’(x)<0 при хÎ [-1.9; -1.1],

f’(x)>0 при хÎ [-0.9; 2].

Вторая производная f"(x) = 1/(x+2) 2 > 0 при любых х.

Таким образом, условия сходимости выполняются. Поскольку f""(x)>0на всей области допустимых значений, то для уточнения корня за начальное приближение x 1 выберем х 0 =-1,9(так какf(-1,9)×f”(-1.9)>0). Получим последовательность приближений:

Продолжая вычисления, получим следующую последовательность первых четырех приближений: -1.9; –1.8552, -1.8421; -1.8414. Значение функции f(x) в точке x=-1.8414 равно f(-1.8414)=-0.00003.

Для уточнения корня x 2 Î[-0.9;2] выберем в качестве начального приближениях 0 =2 (f(2)×f”(2)>0). Исходя из х 0 = 2, получим последовательность приближений: 2.0;1.1817; 1.1462; 1.1461. Значение функции f(x) в точке x=1.1461 равно f(1.1461)= -0.00006.

Метод Ньютона обладает высокой скоростью сходимости, однако на каждом шаге он требует вычисления не только значения функции, но и ее производной.

Метод хорд

Геометрическая интерпретация метода хорд состоит в следующем
(рис.1.2.3-8).

Проведем отрезок прямой через точки A и B. Очередное приближение x 1 является абсциссой точки пересечения хорды с осью 0х. Построим уравнение отрезка прямой:

Положим y=0и найдем значение х=х 1 (очередное приближение):

Повторим процесс вычислений для получения очередного приближения к корню - х 2 :

В нашем случае (рис.1.2.11) и расчетная формула метода хорд будет иметь вид

Эта формула справедлива, когда за неподвижную точку принимается точка b, а в качестве начального приближения выступает точка a.

Рассмотрим другой случай (рис. 1.2.3-9), когда .

Уравнение прямой для этого случая имеет вид

Очередное приближение х 1 при y = 0

Тогда рекуррентная формула метода хорд для этого случая имеет вид

Следует отметить, что за неподвижную точку в методе хорд выбирают тот конец отрезка , для которого выполняется условие f (x)∙f¢¢ (x)>0.

Таким образом, если за неподвижную точку приняли точку а, то в качестве начального приближения выступает х 0 = b, и наоборот.

Достаточные условия, которые обеспечивают вычисление корня уравнения f(x)=0 по формуле хорд, будут теми же, что и для метода касательных (метод Ньютона), только вместо начального приближения выбирается неподвижная точка. Метод хорд является модификацией метода Ньютона. Разница состоит в том, что в качестве очередного приближения в методе Ньютона выступает точка пересечения касательной с осью 0Х,а в методе хорд – точка пересечения хорды с осью 0Х – приближения сходятся к корню с разных сторон.

Оценка погрешности метода хорд определяется выражением

(1.2.3-15)

Условие окончания процесса итераций по методу хорд

(1.2.3-16)

В случае, если M 1 <2m 1 , то для оценки погрешности метода может быть использована формула | x n -x n -1 |£e.

Пример 1.2.3-4. Уточнить корень уравнения e x – 3x = 0, отделенный на отрезке с точностью 10 -4 .

Проверим условие сходимости:

Следовательно, за неподвижную точку следует выбрать а=0, а в качестве начального приближения принять х 0 =1, поскольку f(0)=1>0 и f(0)*f"(0)>0.

Задача о нахождении решений системы из n нелинейных алгебраических или трансцендентных уравнений сn неизвестными вида

	f 1(x 1, x 2, … x n ) = 0,
	f 2(x 1, x 2, … x n ) = 0,
	……………………
	f n (x 1 ,x 2 ,… x n ) = 0,

широко рассмотрена в вычислительной практике. Подобные системы уравнений могут возникать, например, при численном моделировании нелинейных физических систем на этапе поиска их стационарных состояний. В яде случаев системы вида (6.1) получаются опосредованно, в процессе решения некоторой другой вычислительной задачи. К примеру, пытаясь минимизировать функцию нескольких переменных, можно искать те точки многомерного пространства, где градиент функции равен нулю. При этом приходится решать систему уравнений (6.1) с левыми частями – проекциями градиента на координатные оси.

В векторных обозначениях систему (6.1) можно записать в более компактной форме

вектор столбец функций, символом () T обозначена операция транспони-

Поиск решений системы нелинейных уравнений – это задача намного более сложная, чем решение одного нелинейного уравнения. Тем не менее ряд итерационных методов решения нелинейных уравнений может быть распространен и на системы нелинейных уравнений.

Метод простой итерации

Метод простой итерации для систем нелинейных уравнений по существу является обобщением одноименного метода для одного уравнения. Он основан на том, что система уравнений (6.1) приводится к виду

x 1= g 1(x 1, x 2, … , x n ) , x 2= g 2(x 1, x 2, … , x n ) ,

……………………

x n= g n(x 1 , x 2 , … , x n) ,

и итерации проводятся по формулам

x 1 (k + 1 )= g 1 (x 1 (k ), x 2 (k ), … , x n (k )) , x 2 (k + 1 )= g 2 (x 1 (k ), x 2 (k ), … , x n (k )) ,

……………………………

x n (k + 1 )= g n (x 1 (k ), x 2 (k ), … , x n (k )) .

Здесь верхний индекс указывает на номер приближения. Итерационный процесс (6.3) начинается с некоторого начального приближения

(x 1 (0 ) ,x 2 (0 ) ,… ,x n (0 ) ) и продолжаются до тех пор, пока модули приращений

всех аргументов после одной k- итерации не станут меньше заданной величиныε :x i (k + 1 ) − x i (k ) < ε дляi = 1,2,… ,n .

Хотя метод простой итерации прямо ведет к решению и легко программируется, он имеет два существенных недостатка. Один из них – медленная сходимость. Другой состоит в том, что если начальное приближение выбрано далеко от истинного решения (X 1 ,X 2 ,… ,X n ) , то сходимость

метода не гарантированна. Ясно, что проблема выбора начального приближения, не простая даже для одного уравнения, для нелинейных систем становится весьма сложной.

Решить систему нелинейных уравнений:

	(x ...		) =0
F n (x 1 ...		x n) = 0 .

Не существует прямых методов решения нелинейных систем общего вида. Лишь в отдельных случаях систему (4.1) можно решить непосредственно. Например, для случая двух уравнений иногда удается выразить одно неизвестное через другое и таким образом свести задачу к решению одного нелинейного уравнения относительно одного неизвестного.

Для решения систем нелинейных уравнений обычно используются итерационные методы.

Метод Ньютона

В случае одного уравнения F (x ) = 0 алгоритм метода Ньютона был легко получен путем записи уравнений касательной к кривойy = F (x ) . В основе метода Ньютона для систем уравнений лежит использование разложения функцийF 1 (x 1 ...x n ) в ряд Тейлора, причем члены, содержа-

щие вторые (и более высоких порядков) производные, отбрасываются. Пусть приближенные значения неизвестных системы (4.1) равны со-

ответственно a 1 ,a 2 ,....,a n . Задача состоит в нахождении приращений (по-

правок) к этим значениям	x 1 ,x 2 ,...,	x n , благодаря которым решение сис-
темы запишется в виде:
x 1= a 1+ x 1,	x 2= a 2+	x 2 , .... ,x n = a n + x n .

Проведем разложение левых частей уравнений (4.1) с учетом разложения в ряд Тейлора, ограничиваясь лишь линейными членами относи-

тельно приращений:
F1 (x1 ... xn ) ≈ F1 (a1 ... an ) +	∂ F 1	x 1+		+ ∂ F 1		x n,
	∂x			∂x
F2 (x1 ... xn ) ≈ F2 (a1 ... an ) +	∂ F 2	x 1+			∂ F 2	x n,
	∂x				∂x
...................................
F n(x 1 ... x n) ≈ F n(a 1 ... a n) +	∂ F n	x 1+			∂ F n	xn .
	∂x				∂x

Подставляя в систему (4.1), получим следующую систему линейных алгебраических уравнений относительно приращений:

∂ F 1			∂ F 1			+ ∂ F 1			= −F ,
∂x			∂x			∂x
∂ F 2			∂ F 2				∂ F 2		= −F ,
∂x			∂x				∂x
..............................
∂ F n			∂ F n				∂ F n		= −F .
∂x			∂x				∂x
Значения F 1 ...				производные				вычисляются при

x 2 = a 2 , …x n = a n .

Определителем системы (4.3) является якобиан:

∂ F 1		∂ F 1
∂x		∂x
∂ F 2		∂ F 2
J = ∂ x		∂ x.

… … … …

∂ F n… … ∂ F n∂ x 1 ∂ x n

x 1= a 1,

Для существования единственного решения системы якобиан должен быть отличен от нуля на каждой итерации.

Таким образом, итерационный процесс решения системы уравнений методом Ньютона состоит в определении приращений x 1 ,x 2 , ...,x n к значениям неизвестных на каждой итерации путем решения системы линейных алгебраических уравнений (4.3). Счет прекращается, если все приращения становятся малыми по абсолютной величине: maxx i < ε . В ме-

тоде Ньютона также важен удачный выбор начального приближения для обеспечения хорошей сходимости. Сходимость ухудшается с увеличением числа уравнений системы.

В качестве примера рассмотрим использование метода Ньютона для решения системы двух уравнений:

∂ ∂ F 1. x

Величины, стоящие в правой части, вычисляются при x = a ,y = b .

Если выполняются условия		y − b		< εи		x − a			при заданном M , то
выводятся значения x иy ,	в противном случае								происходит вывод
x ,y ,M .