Numeeriset yhtälönratkaisumenetelmät

Tämän tutkielman tavoitteena on käsitellä numeerisia yhtälönratkaisumenetelmiä matematiikan aineenopettajan näkökulmasta ja toimia lukion numeerisen matematiikan kurssin opettajan taustamateriaalina. Keskeinen sisältö käsittelee Lipschitz-jatkuvuutta, iteraatiota sekä Newton-Raphsonin menetelmää. Y...

Full description

Bibliographic Details
Main Author: Arvio, Ville
Other Authors: Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Faculty of Sciences, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, Department of Mathematics and Statistics, University of Jyväskylä, Jyväskylän yliopisto
Format: Master's thesis
Language:fin
Published: 2017
Subjects:
Online Access: https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/56870
_version_ 1826225756632514560
author Arvio, Ville
author2 Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Matematiikan ja tilastotieteen laitos Department of Mathematics and Statistics University of Jyväskylä Jyväskylän yliopisto
author_facet Arvio, Ville Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Matematiikan ja tilastotieteen laitos Department of Mathematics and Statistics University of Jyväskylä Jyväskylän yliopisto Arvio, Ville Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Matematiikan ja tilastotieteen laitos Department of Mathematics and Statistics University of Jyväskylä Jyväskylän yliopisto
author_sort Arvio, Ville
datasource_str_mv jyx
description Tämän tutkielman tavoitteena on käsitellä numeerisia yhtälönratkaisumenetelmiä matematiikan aineenopettajan näkökulmasta ja toimia lukion numeerisen matematiikan kurssin opettajan taustamateriaalina. Keskeinen sisältö käsittelee Lipschitz-jatkuvuutta, iteraatiota sekä Newton-Raphsonin menetelmää. Yhtälönratkaisu ja kahden lausekkeen yhtäsuuruuksien vertailu palautuu aina matematiikan klassiseen ongelmaan funktion nollakohdan etsimisestä. Keskeiset numeerisen yhtälönratkaisun metodit ovat rekursio ja iteraatio. Rekursio tarkoittaa oleellisesti toistoa. Iteraatiossa edellinen likiratkaisu ohjaa tarkentavasti seuraavan likiratkaisun laskentaa. Tällöin muodostuu tarkentuvien likiratkaisuiden lukujono, joka suotuisassa tapauksessa suppenee kohti alkuperäisen funktion nollakohtaa. Iteraatiossa yhteys alkuperäisen funktion nollakohtayhtälön f(x) = 0 sekä iteraattifunktion iterointiyhtälön x = phi(x) välillä on oleellinen, sillä iterointiyhtälön kiintopiste on myös alkuperäisen funktion nollakohta. Siten iterointi toimii työvälineenä nollakohdan likiarvon määrittämisessä. Iteraattifunktio ei ole yksikäsitteinen. Jotkin iteraatiomenetelmät toimivat paremmin kuin toiset. Oleellista suppenemiselle on riittävän läheltä nollakohtaa valittu alkuarvaus. Huonosti valittu alkuarvaus ja sopimaton iteraatiomenetelmä johtavat suppenemisen sijaan likiratkaisulukujonon hajaantumiseen. Iteraation suppenemisesta voidaan kuitenkin varmistua, jos pystytään osoittamaan, että iteraattifunktio on ratkaisun lähiympäristössä kutistavasti Lipschitz-jatkuva. Tällöin Lipschitz-ehto takaa, että funktio käyttäytyy nollakohdan lähiympäristössä maltillisesti ja "pomppimatta". Käytännöllisenä apuvälineenä Lipschitz-jatkuvuuden tutkimiseen hyödynnetään usein Lipschitz-jatkuvuuden derivoituvuusehtoa. Yksinkertaisimmillaan yhtälönratkaisumenetelmä on rekursiivinen puolitushaku, joka tarkentuu tarkasteluväliä puolittaen ja samalla nollakohdan välin sisäpuolella säilyttäen. Yksinkertaisin iteraatio on kiintopistemenetelmä, joka suppenee lineaarisesti. Tutkittaessa suppenemisnopeuden kiihdyttämistä päädytään Aitkenin kaavaan, jolla saadaan likiratkaisuiden poikkeaman eli liki- ja tosiratkaisun välisen etäisyyden suppenemiseen huomattava parannus. Kysymykseen voidaanko yleisesti määritellä iteraattifunktio, jonka suppenemisnopeus on vähintään neliöityvä, löydetään ehto, joka johtaa Newton-Raphsonin menetelmän palautuskaavaan ja samalla menetelmän konstruktiiviseen perusteluun. Oleellisesti Newtonin menetelmä perustuu derivaatan käyttöön, jolloin graafisesti seuraava nollakohdan likiarvo löydetään funktion kuvaajalle piirretyn tangentin ja x-akselin leikkauskohdasta. Ylilineaarisesti suppenevat jänne- ja sekanttimenetelmä esitellään lyhyesti, mutta itsenäisinä menetelminä läpikäymisen sijasta lähinnä Newtonin menetelmän käytännöllisinä sovelluksina, kun funktion derivaatan arvoa on hankala laskea tai ylipäänsä derivaatta on vaikea muodostaa.
first_indexed 2023-03-22T09:58:06Z
format Pro gradu
free_online_boolean 1
fullrecord [{"key": "dc.contributor.advisor", "value": "Lehrb\u00e4ck, Juha", "language": null, "element": "contributor", "qualifier": "advisor", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.author", "value": "Arvio, Ville", "language": null, "element": "contributor", "qualifier": "author", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.accessioned", "value": "2018-01-23T16:12:49Z", "language": null, "element": "date", "qualifier": "accessioned", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.available", "value": "2018-01-23T16:12:49Z", "language": null, "element": "date", "qualifier": "available", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.issued", "value": "2017", "language": null, "element": "date", "qualifier": "issued", "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.other", "value": "oai:jykdok.linneanet.fi:1815569", "language": null, "element": "identifier", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.uri", "value": "https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/56870", "language": null, "element": "identifier", "qualifier": "uri", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.abstract", "value": "T\u00e4m\u00e4n tutkielman tavoitteena on k\u00e4sitell\u00e4 numeerisia yht\u00e4l\u00f6nratkaisumenetelmi\u00e4 matematiikan aineenopettajan n\u00e4k\u00f6kulmasta ja toimia lukion numeerisen matematiikan kurssin opettajan taustamateriaalina. Keskeinen sis\u00e4lt\u00f6 k\u00e4sittelee Lipschitz-jatkuvuutta, iteraatiota sek\u00e4 Newton-Raphsonin menetelm\u00e4\u00e4.\n\nYht\u00e4l\u00f6nratkaisu ja kahden lausekkeen yht\u00e4suuruuksien vertailu palautuu aina matematiikan klassiseen ongelmaan funktion nollakohdan etsimisest\u00e4. Keskeiset numeerisen yht\u00e4l\u00f6nratkaisun metodit ovat rekursio ja iteraatio. Rekursio tarkoittaa oleellisesti toistoa. Iteraatiossa edellinen likiratkaisu ohjaa tarkentavasti seuraavan likiratkaisun laskentaa. T\u00e4ll\u00f6in muodostuu tarkentuvien likiratkaisuiden lukujono, joka suotuisassa tapauksessa suppenee kohti alkuper\u00e4isen funktion nollakohtaa. Iteraatiossa yhteys alkuper\u00e4isen funktion nollakohtayht\u00e4l\u00f6n f(x) = 0 sek\u00e4 iteraattifunktion iterointiyht\u00e4l\u00f6n x = phi(x) v\u00e4lill\u00e4 on oleellinen, sill\u00e4 iterointiyht\u00e4l\u00f6n kiintopiste on my\u00f6s alkuper\u00e4isen funktion nollakohta. Siten iterointi toimii ty\u00f6v\u00e4lineen\u00e4 nollakohdan likiarvon m\u00e4\u00e4ritt\u00e4misess\u00e4.\n\nIteraattifunktio ei ole yksik\u00e4sitteinen. Jotkin iteraatiomenetelm\u00e4t toimivat paremmin kuin toiset. Oleellista suppenemiselle on riitt\u00e4v\u00e4n l\u00e4helt\u00e4 nollakohtaa valittu alkuarvaus. Huonosti valittu alkuarvaus ja sopimaton iteraatiomenetelm\u00e4 johtavat suppenemisen sijaan likiratkaisulukujonon hajaantumiseen. Iteraation suppenemisesta voidaan kuitenkin varmistua, jos pystyt\u00e4\u00e4n osoittamaan, ett\u00e4 iteraattifunktio on ratkaisun l\u00e4hiymp\u00e4rist\u00f6ss\u00e4 kutistavasti Lipschitz-jatkuva. T\u00e4ll\u00f6in Lipschitz-ehto takaa, ett\u00e4 funktio k\u00e4ytt\u00e4ytyy nollakohdan l\u00e4hiymp\u00e4rist\u00f6ss\u00e4 maltillisesti ja \"pomppimatta\". K\u00e4yt\u00e4nn\u00f6llisen\u00e4 apuv\u00e4lineen\u00e4 Lipschitz-jatkuvuuden tutkimiseen hy\u00f6dynnet\u00e4\u00e4n usein Lipschitz-jatkuvuuden derivoituvuusehtoa.\n\nYksinkertaisimmillaan yht\u00e4l\u00f6nratkaisumenetelm\u00e4 on rekursiivinen puolitushaku, joka tarkentuu tarkasteluv\u00e4li\u00e4 puolittaen ja samalla nollakohdan v\u00e4lin sis\u00e4puolella s\u00e4ilytt\u00e4en. Yksinkertaisin iteraatio on kiintopistemenetelm\u00e4, joka suppenee lineaarisesti. Tutkittaessa suppenemisnopeuden kiihdytt\u00e4mist\u00e4 p\u00e4\u00e4dyt\u00e4\u00e4n Aitkenin kaavaan, jolla saadaan likiratkaisuiden poikkeaman eli liki- ja tosiratkaisun v\u00e4lisen et\u00e4isyyden suppenemiseen huomattava parannus. Kysymykseen voidaanko yleisesti m\u00e4\u00e4ritell\u00e4 iteraattifunktio, jonka suppenemisnopeus on v\u00e4hint\u00e4\u00e4n neli\u00f6ityv\u00e4, l\u00f6ydet\u00e4\u00e4n ehto, joka johtaa Newton-Raphsonin menetelm\u00e4n palautuskaavaan ja samalla menetelm\u00e4n konstruktiiviseen perusteluun. Oleellisesti Newtonin menetelm\u00e4 perustuu derivaatan k\u00e4ytt\u00f6\u00f6n, jolloin graafisesti seuraava nollakohdan likiarvo l\u00f6ydet\u00e4\u00e4n funktion kuvaajalle piirretyn tangentin ja x-akselin leikkauskohdasta. Ylilineaarisesti suppenevat j\u00e4nne- ja sekanttimenetelm\u00e4 esitell\u00e4\u00e4n lyhyesti, mutta itsen\u00e4isin\u00e4 menetelmin\u00e4 l\u00e4pik\u00e4ymisen sijasta l\u00e4hinn\u00e4 Newtonin menetelm\u00e4n k\u00e4yt\u00e4nn\u00f6llisin\u00e4 sovelluksina, kun funktion derivaatan arvoa on hankala laskea tai ylip\u00e4\u00e4ns\u00e4 derivaatta on vaikea muodostaa.", "language": "fi", "element": "description", "qualifier": "abstract", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Submitted using Plone Publishing form by Ville Arvio (vijuarvi) on 2018-01-23 16:12:48.504250. Form: Pro gradu -lomake (https://kirjasto.jyu.fi/julkaisut/julkaisulomakkeet/pro-gradu-lomake). JyX data: [jyx_publishing-allowed (fi) =True]", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Submitted by jyx lomake-julkaisija (jyx-julkaisija.group@korppi.jyu.fi) on 2018-01-23T16:12:49Z\nNo. of bitstreams: 2\nURN:NBN:fi:jyu-201801231313.pdf: 2965135 bytes, checksum: d53bb502c1d76dc94b3d2fdfcab937ef (MD5)\nlicense.html: 4791 bytes, checksum: d0a29abd8750324d684ea69d59b12a01 (MD5)", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Made available in DSpace on 2018-01-23T16:12:49Z (GMT). No. of bitstreams: 2\nURN:NBN:fi:jyu-201801231313.pdf: 2965135 bytes, checksum: d53bb502c1d76dc94b3d2fdfcab937ef (MD5)\nlicense.html: 4791 bytes, checksum: d0a29abd8750324d684ea69d59b12a01 (MD5)\n Previous issue date: 2017", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.extent", "value": "1 verkkoaineisto (133 sivua)", "language": null, "element": "format", "qualifier": "extent", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.mimetype", "value": "application/pdf", "language": null, "element": "format", "qualifier": "mimetype", "schema": "dc"}, {"key": "dc.language.iso", "value": "fin", "language": null, "element": "language", "qualifier": "iso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights", "value": "In Copyright", "language": "en", "element": "rights", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "Lipschitz-jatkuvuus", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "Newton-Raphsonin menetelm\u00e4", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.title", "value": "Numeeriset yht\u00e4l\u00f6nratkaisumenetelm\u00e4t", "language": null, "element": "title", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.type", "value": "master thesis", "language": null, "element": "type", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.urn", "value": "URN:NBN:fi:jyu-201801231313", "language": null, "element": "identifier", "qualifier": "urn", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.ontasot", "value": "Pro gradu -tutkielma", "language": "fi", "element": "type", "qualifier": "ontasot", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.ontasot", "value": "Master\u2019s thesis", "language": "en", "element": "type", "qualifier": "ontasot", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.faculty", "value": "Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "faculty", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.faculty", "value": "Faculty of Sciences", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "faculty", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.department", "value": "Matematiikan ja tilastotieteen laitos", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "department", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.department", "value": "Department of Mathematics and Statistics", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "department", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.organization", "value": "University of Jyv\u00e4skyl\u00e4", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "organization", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.organization", "value": "Jyv\u00e4skyl\u00e4n yliopisto", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "organization", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.discipline", "value": "Matematiikka", "language": "fi", "element": "subject", "qualifier": "discipline", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.discipline", "value": "Mathematics", "language": "en", "element": "subject", "qualifier": "discipline", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.updated", "value": "2018-01-23T16:12:49Z", "language": null, "element": "date", "qualifier": "updated", "schema": "dc"}, {"key": "yvv.contractresearch.funding", "value": "0", "language": null, "element": "contractresearch", "qualifier": "funding", "schema": "yvv"}, {"key": "dc.type.coar", "value": "http://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc", "language": null, "element": "type", "qualifier": "coar", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights.accesslevel", "value": "openAccess", "language": "fi", "element": "rights", "qualifier": "accesslevel", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.publication", "value": "masterThesis", "language": null, "element": "type", "qualifier": "publication", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.oppiainekoodi", "value": "4041", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "oppiainekoodi", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "matematiikka", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "numeeriset menetelm\u00e4t", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "iterointi", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "oppimateriaali", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "lukio", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "opetus", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.content", "value": "fulltext", "language": null, "element": "format", "qualifier": "content", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights.url", "value": "https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/", "language": null, "element": "rights", "qualifier": "url", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.okm", "value": "G2", "language": null, "element": "type", "qualifier": "okm", "schema": "dc"}]
id jyx.123456789_56870
language fin
last_indexed 2025-02-18T10:54:47Z
main_date 2017-01-01T00:00:00Z
main_date_str 2017
online_boolean 1
online_urls_str_mv {"url":"https:\/\/jyx.jyu.fi\/bitstreams\/bb99477b-d751-4091-b188-1c7bf1ea92a3\/download","text":"URN:NBN:fi:jyu-201801231313.pdf","source":"jyx","mediaType":"application\/pdf"}
publishDate 2017
record_format qdc
source_str_mv jyx
spellingShingle Arvio, Ville Numeeriset yhtälönratkaisumenetelmät Lipschitz-jatkuvuus Newton-Raphsonin menetelmä Matematiikka Mathematics 4041 matematiikka numeeriset menetelmät iterointi oppimateriaali lukio opetus
title Numeeriset yhtälönratkaisumenetelmät
title_full Numeeriset yhtälönratkaisumenetelmät
title_fullStr Numeeriset yhtälönratkaisumenetelmät Numeeriset yhtälönratkaisumenetelmät
title_full_unstemmed Numeeriset yhtälönratkaisumenetelmät Numeeriset yhtälönratkaisumenetelmät
title_short Numeeriset yhtälönratkaisumenetelmät
title_sort numeeriset yhtälönratkaisumenetelmät
title_txtP Numeeriset yhtälönratkaisumenetelmät
topic Lipschitz-jatkuvuus Newton-Raphsonin menetelmä Matematiikka Mathematics 4041 matematiikka numeeriset menetelmät iterointi oppimateriaali lukio opetus
topic_facet 4041 Lipschitz-jatkuvuus Matematiikka Mathematics Newton-Raphsonin menetelmä iterointi lukio matematiikka numeeriset menetelmät opetus oppimateriaali
url https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/56870 http://www.urn.fi/URN:NBN:fi:jyu-201801231313
work_keys_str_mv AT arvioville numeerisetyhtälönratkaisumenetelmät