Znajdź wszystkie pierwiastki funkcji w danym przedziale


9

Muszę znaleźć wszystkie pierwiastki funkcji skalarnej w danym przedziale. Funkcja może mieć nieciągłości. Algorytm może mieć dokładność ε (np. Jest ok, jeśli algorytm nie znajdzie dwóch wyraźnych pierwiastków bliższych niż ε).

Czy taki algorytm istnieje? Czy mogłabyś mi o tym napisać?


W rzeczywistości mam funkcję znajdowania zera w danym przedziale za pomocą algorytmu Brenta oraz funkcję znajdowania minimum w danym przedziale. Korzystając z tych dwóch funkcji, zbudowałem własny algorytm, ale zastanawiałem się, czy istnieje lepszy algorytm. Mój algorytm jest taki:

Zaczynam od interwału [a,b]i funkcji f. Jeśli sign(f(a+ε)) ≠ sign(f(b-ε))wiem, że jest co najmniej jedno zero między ai b, i znajduję z = zero(]a,b[). Sprawdzam, czy znaprawdę jest zero (może to być nieciągłość), szukając wartości z-εi z+ε. Jeśli tak, dodaję go do listy znalezionych zer. Jeśli f(a+ε)i f(b-ε)oba są pozytywne, szukam m = min(]a, b[). Jeśli f(m)nadal jest pozytywny, szukam, m = max(]a,b[)ponieważ może istnieć nieciągłość między ai b. Robię coś przeciwnego, jeśli f(a+ε)i f(b-ε)były negatywne.

Teraz, od miejsca, w którym znalazłem ( zlub m) buduję stos zawierający zera, nieciągłości i punkty przegięcia mojej funkcji. Po pierwszej iteracji wygląda teraz stos [a, z, b]. Zaczynam od nowa algorytm od interwałów ]a,z[i ]z,b[. Kiedy między dwoma punktami ai bekstrema ma ten sam znak niż oba końce przedziału i nie ma nieciągłości w obu ekstremie, usuwam interwał ze stosu. Algorytm kończy się, gdy nie ma już interwałów.


2
Istnieją metody oparte na arytmetyce interwałowej.
lhf

Odpowiedzi:


6

Jeśli korzystasz z Matlaba, możesz wypróbować system Chebfun (zrzeczenie się: Byłem aktywnym programistą tego projektu). Może znaleźć wszystkie korzenie funkcji jednowymiarowej w zamkniętym lub otwartym przedziale, aby uzyskać precyzję maszyny.

Główną ideą narzędzia do znajdowania korzeni Chebfun jest użycie kombinacji bisekcji rekurencyjnej i macierzy kolegi, analogu macierzy towarzyszącej , na współczynnikach interpolacji funkcji celu.

Mam uproszczoną wersję kodu tutaj . Funkcja chebrootsprzyjmuje anonimową funkcję jako swoje pierwsze wejście, skończony interwał jako drugi i trzeci argument oraz stopień Njako czwarty i ostatni argument. Aby uzyskać rozsądne wyniki, możesz ustawić Nna 100.


0

Ogólnie rzecz biorąc, jest to beznadziejna wyprawa - bez pewnych informacji o ciągłości i / lub zróżnicowaniu funkcji wszystko mogłoby się zdarzyć. Rozważmy na przykład funkcję MATLAB zdefiniowaną w przedziale od 0 do 1:

funkcja y = f (x)

y = 1,0;

jeśli (x == 0,01)

y = 0,0;

koniec

jeśli (x == 0,013)

y = 0,0;

koniec

jeśli (x == 0,753124)

y = 0,0;

koniec

Traktując tę ​​funkcję jako pole bloku, nie ma sposobu, aby zobaczyć, że ma zera w tych trzech punktach i żadnych innych punktów w przedziale od 0 do 1 bez sprawdzania każdej liczby zmiennoprzecinkowej między 0 a 1.


1
Tego rodzaju zer jest wyraźnie niemożliwe do znalezienia, ale @Charles wydawał się zainteresowany, w najgorszym przypadku, funkcjami czarnej skrzynki z nieciągłościami skoków, ale nie tak zwanymi nieciągłościami usuwalnymi.
Bill Barth

1
Nawet jeśli ograniczysz się do przeskakiwania nieciągłości, a nawet jeśli ograniczysz się do funkcji ciągłych, jeśli funkcja nie jest ciągła Lipschitz w znanych odstępach czasu, to znalezienie wszystkich zer z ocen w skończonej liczbie punktów nie zapewni, że będziesz zdobyć wszystkie korzenie.
Brian Borchers

W szczególności rozważ funkcję grzech(1/x) jako przykład znalezienia wszystkich zer w przedziale [0,1]będzie trudno.
Wolfgang Bangerth

PO był gotów określić ϵ. Jeśli funkcja jest patologiczna, znajdzie wiele zer, ale wygląda na to, że takie jest życie. Możliwe, że będzie musiał ustawić maksymalną liczbę interwałów wyszukiwania, aby uniknąć takich patologii.
Bill Barth
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.