To Find the Root of Equation by Numerical Method : Iteration

Roots of a Function

A root of a function is a value of $x$ for which $f(x)=0$. The graph of $y=f(x)$ will cross the $x$-axis at points corresponding to the roots of the function.

$f(x)=0$ α€€ို ပြေα€œα€Š်α€…ေα€žော $x$ တန်α€–ိုးα€™ျားα€€ို $f(x)$ ၏ root α€Ÿုခေါ်α€žα€Š်။ $f(x)$ ၏ root α€™ျားα€žα€Š် $y=f(x)$ ဆိုα€žော graph α€€ $x$ ဝင်α€›ိုးα€€ို α€–ြတ်α€žွားα€žော α€–ြတ်α€™ှတ်α€™ျား ($x$-intercepts) α€”ှင့် ထတူတူပင်α€–ြα€…်α€žα€Š်။


Continuous Function

A function is continuous when its graph is a single unbroken curve.

ပေးထားα€žော domain ထတွင်း function တစ်ခု၏ graph α€žα€Š် ပြတ်တောα€€်α€”ေခြင်းα€™α€›ှိα€œျှင် ၎င်း function α€€ို continuous ခေါ်α€žα€Š်။


Continuous function

Not continuous function


Location of Roots


Fig: The graph of y=f(x)

ထထက်α€–ော်ပြပါပုံတွင် $f(c)=0$ α€–ြα€…်α€žα€Š်။ ထို့α€€ြောင့် $c$ α€žα€Š် $f(x)=0$ ၏ root α€–ြα€…်α€žα€Š်။

graph ထရ $f(a) > 0$ α€–ြα€…်ပြီး $f(b) < 0$ α€–ြα€…်α€žα€Š်။

ထို့α€€ြောင့် ထောα€€်ပါα€™ှα€”်α€€α€”်ချα€€်α€€ို α€€ောα€€်ချα€€်ဆွဲα€”ိုင်α€žα€Š်။

If the function $f(x)$ is continuous on the interval $[a, b]$ and $f(a)$ and $f(b)$ have opposite signs, then $f(x)$ has at least one root, $x$, which satisfies $a < x < b$.

α€€ြားပိုင်း $a$ α€”ှင့် $b$ ထတွင်း $f(x)$ α€žα€Š် continuous α€–ြα€…်ပြီး $f(a)$ ၏ α€œα€€္ခဏာα€”ှင့် $f(b)$ ၏ α€œα€€္ခဏာ ဆန့်α€€ျင်α€˜α€€်α€–ြα€…်α€œျှင် $f(x)=0$ α€–ြα€…်α€…ေα€žော $x$ တန်α€–ိုး (root) α€‘α€”α€Š်းဆုံးတစ်ခု α€›ှိα€žα€Š်။


Notice

  • $f(a)$ ၏ α€œα€€္ခဏာα€”ှင့် $f(b)$ ၏ α€œα€€္ခဏာ ဆန့်α€€ျင်α€˜α€€်α€–ြα€…်α€œျှင် root တစ်ခုα€‘α€”α€Š်းဆုံးα€›ှိα€žα€Š် ဆိုα€žα€Š်α€™ှာ တစ်ခုα€žာα€›ှိα€žα€Š်α€Ÿု မဆိုα€œို။ တစ်ခုထက်ပိုα€™ို၍α€œα€Š်း α€›ှိα€”ိုင်α€žα€Š်။

  • $f(a)$ ၏ α€œα€€္ခဏာα€”ှင့် $f(b)$ ၏ α€œα€€္ခဏာ ဆန့်α€€ျင်α€˜α€€်α€–ြα€…်α€œျှင် root တစ်ခုα€‘α€”α€Š်းဆုံးα€›ှိα€žα€Š် ဆိုα€žα€Š်α€™ှာ α€œα€€္ခဏာမပြောင်းα€œျှင် root α€œုံးဝမရှိα€Ÿု မဆိုα€œိုပါ။တစ်ခုထက်ပိုα€™ို၍α€œα€Š်း α€›ှိα€”ိုင်α€žα€Š်။



  • $f(a)>0$ α€–ြα€…်ပြီး $f(b)< 0$ α€–ြα€…်α€žα€Š်။ α€œα€€္ခဏာပြောင်းα€žα€Š်။ α€€α€žို့α€žော ထခြေထနေတွင် root ထရေထတွα€€်α€™ှာ α€™ ဂဏန်းα€–ြα€…်α€žα€Š်။ $f(a)< 0$ α€–ြα€…်ပြီး $f(b)< 0$ α€–ြα€…်α€žα€Š်။ α€œα€€္ခဏာမပြောင်းပါ။ α€€α€žို့α€žော ထခြေထနေတွင် root ထရေထတွα€€်α€™ှာ α€…ုံ ဂဏန်းα€–ြα€…်α€žα€Š်။

  • root ၏ α€α€Š်α€”ေα€›ာα€€ို ခန့်α€™ှα€”်းခြင်းα€žα€Š် root တန်α€–ိုးα€€ို α€›ှာα€šူခြင်းα€™α€Ÿုတ်ပါ။

  • ထချို့α€žော α€Šီα€™ျှခြင်းα€™ျားα€žα€Š် α€žα€„်္ချာဆိုင်α€›ာ α€œုပ်ထုံးα€™ျားα€–ြင့် α€–ြေα€›ှင်းα€›α€”် α€‘α€œွα€”်ခက်ခဲα€žော ထခြေထနေα€™ျိုးα€›ှိတတ်α€žα€Š်။ ထိုα€žို့α€žော ထခြေထနေတွင် root ၏ α€α€Š်α€”ေα€›ာα€€ို ခန့်α€™ှα€”်းα€”ိုင်ပြီဆိုပါα€€ root α€›α€›α€”်α€”α€Š်းစပ်ပြီα€Ÿု ဆိုα€”ိုင်α€žα€Š်။

To Find Approximate Solution from Root Loaction (Iterative Method)

$2x^2-x-2=0, x< 0$ ၏ approximate solution α€€ို α€›ှာα€€ြα€Š့်ပါα€™α€Š်။

ပေးထားα€žော α€Šီα€™ျှခြင်းα€€ို ထောα€€်ပါထတိုင်း ပြင်α€›ေးα€€ြα€Š့်α€™α€Š်။

$\begin{aligned} 2x^2-x-2&=0\\\\ 2x^2-x&=2\\\\ x^2-\frac{1}{2}x&=1\\\\ x\left( x-\frac{1}{2}\right)&=1\\\\ x&=\frac{1}{x-\frac{1}{2}}\\\\ \end{aligned}$

ထို့α€€ြောင့် $2x^2-x-2=0$ ၏ ထဖြေα€žα€Š် $y=x$ α€”ှင့် $y=\dfrac{1}{x-\frac{1}{2}}$ တို့၏ α€–ြတ်α€™ှတ်α€€ို α€›ှာα€šူခြင်းα€”ှင့် ထတူတူပင်α€–ြα€…်α€žα€Š်။

$F(x)=y=\dfrac{1}{x-\frac{1}{2}}$ α€Ÿုα€žα€်α€™ှတ်α€žα€Š်ဆိုပါα€…ို့။ ထိုထခါပေးတားα€žော α€Šီα€™ျှခြင်းα€™ျားα€žα€Š် $x=F(x)$ α€–ြα€…်α€œာα€™α€Š်။


Graph ထရ α€–ြတ်α€™ှတ်α€žα€Š် $x=-2$ α€”ှင့် $x=0$ α€€ြားတွင် α€›ှိα€žα€Š်။ α€žို့α€žော်α€œα€€်တွေ့တွင် α€™α€Š်α€žα€Š့်α€”ေα€›ာ၌ α€–ြတ်α€žα€Š်α€€ို α€€ြိုတင် α€žိα€›ှိခြင်းα€™α€›ှိα€žောα€€ြောင့် $x=0$ တွင် graph α€”ှα€…်ခု α€–ြတ်α€žွားα€žα€Š်α€Ÿု ခန့်α€™ှα€”်းပါα€™α€Š်။ $x=0$ တွင် graph α€”ှα€…်ခု ထမှα€”်α€α€€α€š် α€–ြတ်α€žွား α€œျှင် $F(0)=0$ α€–ြα€…်α€™α€Š်ပါα€™α€Š်။

$F(0)=\dfrac{1}{0-\frac{1}{2}}=-2$

ထို့α€€ြောင့် $x\ne F(x)$ α€–ြα€…်α€žောα€€ြောင့် $x=0$ တွင် graph α€”ှα€…်ခု α€™α€–ြတ်α€€ြောင်းα€žိα€”ိုင်ပြီး $x=0$ α€žα€Š် ပေထားα€žော α€Šီα€™ျှခြင်း၏ solution α€™α€Ÿုတ်α€€ြောင်း α€žိα€”ိုင်α€žα€Š်။

$F(0)=-2$ α€™ှ α€›α€›ှိα€žော $-2$ α€€ို root ထဖြα€…်α€šူဆပြီး ဆက်၍ α€›ှာα€€ြα€Š့်ပါα€™α€Š်။

$F(-2)=\dfrac{1}{-2-\frac{1}{2}}=-0.4, F(-2)\ne-2$ α€–ြα€…်α€žα€Š်။ ထို့α€€ြောင့် $x=-2$ α€žα€Š် ပေထားα€žော α€Šီα€™ျှခြင်း၏ solution α€™α€Ÿုတ်ပါ။


ထထက်ပါα€”α€Š်းထတိုင်း α€›α€›ှိα€œာα€žော $F(x)$ α€€ို $x_{\text{new}}$ α€Ÿုα€šူဆပြီး တန်α€–ိုးα€™ျားα€€ို ဆက်α€œα€€်α€›ှာα€€ြα€Š့်ပါα€™α€Š်။

$\begin{array}{|l|l|c|} \hline \quad x & F(x) & \text{Remark}\\ \hline \quad 0 & -2 & x\ne F(x) \\ \hline -2 & -0.4 & x\ne F(x) \\ \hline -0.4 & -1.111 & x\ne F(x) \\ \hline -1.111 & -0.621 & x\ne F(x) \\ \hline -0.621 & -0.892 & x\ne F(x) \\ \hline -0.892 & -0.718 & x\ne F(x) \\ \hline -0.718 & -0.821 & x\ne F(x) \\ \hline -0.821 & -0.757 & x\ne F(x) \\ \hline -0.757 & -0.795 & x\ne F(x) \\ \hline -0.795 & -0.772 & x\ne F(x) \\ \hline -0.772 & -0.786 & x\ne F(x) \\ \hline -0.786 & -0.777 & x\ne F(x) \\ \hline -0.777 & -0.783 & x\approx F(x) \\ \hline -0.777 & -0.779 & x\approx F(x) \\ \hline -0.779 & -0.781 & x\approx F(x) \\ \hline -0.781 & -0.780 & x\approx F(x) \\ \hline -0.780 & -0.781 & x\approx F(x) \\ \hline \end{array}$

$x=F(x)$ α€–ြα€…်α€›α€™α€Š်α€Ÿု α€™ူα€œα€€α€žα€်α€™ှတ်ခဲ့α€žα€Š်α€–ြα€…်α€›ာ α€‡α€šားပါ ထချα€€်α€‘α€œα€€်α€™ျားထရ $x=-0.78$(two decimal places) α€žα€Š် ပေးထားα€žော α€Šီα€™ျှခြင်း၏ root α€–ြα€…်α€žα€Š်α€Ÿု α€žိα€›ှိα€”ိုင်ပါα€žα€Š်။

ထဆိုပါထခြေထနေα€€ို $x=F(x)$ α€žα€Š် converge α€–ြα€…်α€žα€Š်α€Ÿု ခေါ်α€žα€Š်။

α€™ူα€œα€•ေးထားα€žော α€Šီα€™ျှခြင်း $2x^2-x-2=0, x< 0$ α€€ို quadratic formula α€–ြင့် ပြα€”်၍ check α€œုပ်α€€ြα€Š့်α€œျှင်...

$\begin{aligned} &\\ x&=\frac{-(-1)-\sqrt{(-1)^2-4(2)(-2)}}{2(2)}\\\\ &=-0.78\ (\text{two decimal places}), (\quad\because x < 0)\\\\ \end{aligned}$

ထထက်ပါထတိုင်း α€Šီα€™ျှခြင်းတစ်ခု၏ root α€€ို numerical merthod α€–ြင့် α€›ှာα€šူα€”ိုင်α€žα€Š်။ α€–ော်ပြခဲ့α€žော α€”α€Š်းα€œα€™်းα€€ို iterative method α€Ÿုခေါ်α€žα€Š်။ Iterative method α€€ို α€‘α€žုံးပြုပြီး ထဖြေα€›ှာခြင်း process α€€ို Iteration α€Ÿုခေါ်α€žα€Š်။ Iteration α€€ို Engineering, Computer Programming, Business α€…α€žော α€”α€š်α€•α€š်α€™ျားတွင် α€‘α€žုံးချα€žα€Š်။


Iterative Method

When trying to solve $f(x)$, rearrange the equation to the form $x=F(x)$. When $\alpha$ is the value of $x$ such that $x=F(x)$ then $\alpha$ is also a solution of $f(x)=0$.

Iterative Formula

$$\begin{array}{|c|} \hline x_{n+1}=F(x_n)\\ \hline \end{array}$$

Question (1)

$f(x)=x^{2}-6 x+2$.

(a) Show that $f(x)=0$ can be written as $x=6-\dfrac{2}{x}$.

(b) Starting with $x=4$, use iterative formula to find a root of the equation $f(x)=0$. Round your answers to 3 decimal places.

(c) Use the quadratic formula to find the roots to the equation $f(x)=0$, leaving your answer in the form $a \pm \sqrt{b}$, where $a$ and $b$ are constants to be found.



$\begin{aligned} \text{(a) } \quad &f(x)=x^2-6x+2\\\\ &\text{ When } f(x)=0\\\\ &x^2-6x+2 =0\\\\ &x(x-6)=-2\\\\ &x-6=-\frac{2}{x}\\\\ &x=6-\frac{2}{x}\\\\ \end{aligned}$
Let $F(x)=6-\dfrac{2}{x}$, then we have an equation $x=F(x)$.

$\text{(b)}$
$\begin{array}{|l|l|c|} \hline \quad x & F(x) & \text{Remark}\\ \hline 4 & 5.5 & x\ne F(x)\\ \hline 5.5 & 5.63636 & x\ne F(x)\\ \hline 5.63636 & 5.64516 & x\ne F(x) \\ \hline 5.64516 & 5.64571 & x\approx F(x)\\ \hline 5.64571 & 5.64575 & x\approx F(x)\\ \hline 5.64575 & 5.64575 & x\approx F(x)\\ \hline \end{array}$

$\therefore\ $ A root of $f(x)=0$ is $5.646$ (3 decimal places).

$\begin{aligned} \text{(c) } \quad &f(x)=x^2-6x+2\\\\ &\text{ When } f(x)=0\\\\ &x^2-6x+2 =0\\\\ &x=\frac{-(-6)\pm\sqrt{(-6)^2-4(1)(2)}}{2(1)}\\\\ &x=3\pm\sqrt{7} \end{aligned}$


Question (2)

$f(x)=x^{2}-6 x+1$.

(a) Show that the equation $f(x)=0$ can be written as $x=\sqrt{6 x-1}$.

(b) Sketch on the same axes the graphs of $y=x$ and $y=\sqrt{6 x-1}$.

(c) Write down the number of roots of $f(x)$.

(d) Use your diagram to explain why the iterative formula $x=\sqrt{6 x-1}$ converges to a root of $f(x)$ when $x_{0}=2$.



$\begin{aligned} \text{(a) } \quad &f(x)=x^2-6x+1 \\\\ &\text{When } f(x) = 0\\\\ &x^2-6x+1 =0\\\\ &x^2=6x-1\\\\ &x=\sqrt{6x-1}\\\\ \end{aligned}$

$\text{(b) }$ According to the graph, the equation $f(x)=0$ has two roots.

$\text{(c) }$



Question (3)

The equation $e^{x}-1=2 x$ has a root $\alpha=0$.

(a) Show by calculation that this equation also has a root, $\beta$, such that $1 <\beta < 2$.

(b) Show that this equation can be rearranged as $x=\ln (2 x+1)$.

(c) Use an iteration process based on the equation in part (b), with a suitable starting value, to find $\beta$ correct to 3 significant figures. Give the result of each step of the process to 5 significant figures.



$\begin{aligned} \text{(a) } \quad &e^x-1=2x \\\\ \therefore\ &e^x-1-2x=0\\\\ &\text{Let } f(x) = e^x-1-2x. \\\\ \therefore\ &f(1)= e - 1 - 2 =-0.2817 < 0\\\\ &f(1)= e^2 - 1 - 4 =2.38905>0 \\\\ \end{aligned}$
Therefore $e^x-1=2x$ has another root $\beta$ such that $1 < \beta < 2 $.

$\begin{aligned} \text{(b) } \quad &e^x-1=2x \\\\ \therefore\ &e^x2x+1\\\\ &x = \ln(2x+1) \\\\ \end{aligned}$
Let the initial value be $x=1.5$ and $F(x) = \ln(2x+1)$.

$\text{(c)}$
$\begin{array}{|l|l|c|} \hline \quad x & F(x) & \text{Remark}\\ \hline 1.5 & 1.3863 & x\ne F(x)\\ \hline 1.3863 & 1.3278 & x\ne F(x)\\ \hline 1.3278 & 1.2962 & x\ne F(x) \\ \hline 1.2962 & 1.2788 & x\ne F(x)\\ \hline 1.2788 & 1.1269 & x\ne F(x)\\ \hline 1.1269 & 1.1264 & x\approx F(x)\\ \hline 1.1264 & 1.1261 & x\approx F(x)\\ \hline 1.1261 & 1.1259 & x\approx F(x)\\ \hline 1.1259 & 1.1258 & x\approx F(x)\\ \hline 1.1258 & 1.1257 & x\approx F(x)\\ \hline 1.1257 & 1.1257 & x\approx F(x)\\ \hline \end{array}$

$\therefore\ \beta=1.13$


Question (4)

(a) By sketching a suitable pair of graphs, show that the equation $x^{3}+10 x=x+5$ has only one root that lies between 0 and $1 .$

(b) Use the iterative formula $x_{n+1}=\dfrac{5-x_{n}^{3}}{9}$, with a suitable value for $x_{1}$, to find the value of this root correct to 4 decimal places. Give the result of each iteration to 6 decimal places.



$\text{(a)}$ For the graph $y=x^3+10x$
$\begin{array}{|l|l|l|l|l|} \hline x & -0.5 & 0 & 0.5 & 1 \\ \hline x^3+10x & -5.1 & 0 & 5.1 & 11 \\ \hline \end{array}$

For the graph $y=x+5$
$\begin{array}{|l|l|l|} \hline x & 0 & -5 \\ \hline x+5 & 5 & 0 \\ \hline \end{array}$


Therefore, $x^3+10x=x+5$ has only one root that lies between $0$ and $1$.

$\text{(b) }$ Let the initial value be $x=0.5$ and $F(x) = \dfrac{5-x^3}{9}$.

$\begin{array}{|l|l|c|} \hline \quad x & F(x) & \text{Remark}\\ \hline 0.5 & 0.541667 & x\ne F(x)\\ \hline 0.541667 & 0.537897 & x\ne F(x)\\ \hline 0.537897 & 0.538263 & x\ne F(x) \\ \hline 0.538263 & 0.538228 & x\ne F(x)\\ \hline 0.538228 & 0.538231 & x\approx F(x)\\ \hline 0.538231 & 0.538231 & x\approx F(x)\\ \hline \end{array}$

$\therefore\ $ The root of the equation $x^3+10x=x+5$ is $0.5382$.


Question (5)

The terms of a sequence, defined by the iterative formula $x_{n+1}=\ln \left(x_{n}^{2}+4\right)$, converge to the value $\alpha$. The first term of the sequence is $2$ .

(a) Find the value of $\alpha$ correct to $2$ decimal places. Give each term of the sequence you find to $4$ decimal places.

(b) The value $\alpha$ is a root of an equation of the form $x^{2}=f(x)$. Find this equation.



$\begin{array}{|l|l|c|} \hline \quad x & F(x) & \text{Remark}\\ \hline 2 & 2.0794 & x\ne F(x)\\ \hline 2.0794 & 2.1192 & x\ne F(x)\\ \hline 2.1192 & 2.1390 & x\ne F(x) \\ \hline 2.1390 & 2.1489 & x\ne F(x)\\ \hline 2.1489 & 2.1538 & x\ne F(x)\\ \hline 2.1538 & 2.1563 & x\ne F(x)\\ \hline 2.1563 & 2.1575 & x\ne F(x)\\ \hline 2.1575 & 2.1581 & x\ne F(x)\\ \hline 2.1581 & 2.1584 & x\approx F(x)\\ \hline 2.1584 & 2.1586 & x\approx F(x)\\ \hline 2.1586 & 2.1586 & x\approx F(x)\\ \hline \end{array}$

$\therefore\ \alpha=2.16$

$\begin{aligned} \text{(b) } \quad &\text{ Since } x=ln(x^2+4)\\\\ &x^2+4 = e^x\\\\ \therefore\ &x^2 = e^x-4\\\\ \end{aligned}$
By the problem, $\alpha$ is a root of an equation of the form $x^2=f(x)$.

$\therefore\ f(x)=e^x-4$.

α€…ာဖတ်α€žူ၏ ထမြင်α€€ို α€œေးα€…ားα€…ွာα€…ောင့်α€™ျှော်α€œျα€€်!

Post a Comment

To be published, comments must be reviewed by the administrator *

Previous Post Next Post
πŸ’¬ 1
TM
Target Mathematics
Usually replies instantly
TM
Target Mathematics α€™ှ α€€ူα€Šီα€›α€”် α€‘α€žα€„့်α€›ှိပါα€α€š်။ α€˜ာα€™ျား α€žိα€›ှိချင်ပါα€žα€œဲ။ Target Mathematics Facebook Page α€™ှာα€œဲ တိုα€€်α€›ိုα€€် α€™ေးα€™ြα€”်းα€”ိုင်ပါα€α€š်