超越方程(英语:transcendental equation)是包含
超越函数的
方程,也就是方程中有无法用自变数的多项式或开方表示的函数,与超越方程相对的是
代数方程。超越方程的求解无法利用
代数几何来进行。大部分的超越方程求解没有一般的公式,也很难求得
解析解。
解法
这类方程除极少数情形(如简单的三角方程)外,只能近似地数值求解,此种数值解法的研究至今仍是计算数学的主要课题。超越方程的数值解法也适用于
代数方程。
求解超越方程的近似解法有很多,
图象法虽然形象,但得到的解误差太大了。常用的近似解法有
牛顿切线法、
幂级数解法等等,也可以编制一段程序用计算机求解,或者利用现成的软件求解,例如大多数电脑都安装的
EXCEL也可以用来求解超越方程。
matlab软件是获得
数值解的一个最强大的工具。常用的命令有fsolve, fzero 等,但超越
方程的解很难有精确的表达式,因此在matlab中常用eval()函数得到近似数值解,再用vpa()函数控制精度。
二分法,如图1
迭代法:解超越方程的主要方法,既适用于求实根,也适用于求复根。使用这类方法时一般需要知道根的足够好的近似值。最常用的方法有牛顿法、割线法、二次插值法、双曲插值法、切比雪夫迭代法、艾特肯δ2加速方法和斯梯芬森方法等。
牛顿法:也称
切线法,其计算公式为z0为事先选定的根的初始近似。设z为 ƒ(z)的根,若ƒ(z)在z的某邻域内二次可微,且ƒ┡(z)≠0,则当z0与z充分接近时,牛顿法至少是
二阶收敛的,即当k充分大时有估计式成立,C为确定的常数。一般说来,牛顿法只具有
局部收敛性,即仅当初始近似与根充分接近时才收敛。但是,当ƒ(x)为实函数,且于[α,b]上ƒ┡(x)和 ƒ″(x)不
变号时,若ƒ(x)于[α,b]上有根,则只要初始近似x0满足条件ƒ(x0) ƒ″(x0)>0,牛顿法就收敛。一般情形,为减弱对初始近似的限制,可利用牛顿下降算法,其算式为ωk>0为迭代参数,由条件│ƒ(zk+1)│zk)│确定,牛顿法的k+1次近似zk+1是ƒ(z)在zk处的泰勒展开式的线性部分的根。
割线法:又称弦位法,其算式为z0、z1为初始近似。若ƒ(z)于其根z的某邻域二次
连续可微,且ƒ┡(z)≠0,则z0、z1与z充分接近时,割线法收敛于z,并当k充分大时有估计式式中C为常数,割线法的k+1次近似zk+1是以zk、zk-1为插值节点的线性插值函数的根,如果利用更精确的近似表达式则可构造出更高阶的迭代法。
二次插值法:亦称缪勒方法,是利用二次插值多项式构造的迭代算法。设已确定了zk、zk-1、zk-2,则zk+1就取为以zk、zk-1、zk-2为节点的二次插值多项式两个根中与zk最接近者,其算式为式中“±”号选成使分母的模为最大者,而
式中当分母为0,则λk=1。
双曲插值法 :利用线性分式插值构造的迭代算法,其算式为式中μk、δk、Δzk和ƒk的意义与二次插值法相同。
若ƒ(z)在其根z的某邻域内三次可微,并且z0、z1、z2与z充分接近,则二次插值法和双曲插值法均收敛。此外,如果ƒ┡(z)≠0,对充分大的k,有估计式式中C为确定常数,τ为方程式t3-t2-t-1=0的惟一正根,τ=1.839…。
切比雪夫迭代法 :三阶收敛的方法,其算式为当ƒ(z)在其根z的邻域内三次可微且ƒ┡(z)≠0时,对充分大的k,有C为确定常数。
艾特肯δ2加速方法 :提高迭代法收敛速度的有效算法,设{zk}为迭代序列,δ2加速的算式为若ƒ(z)在其根z处充分光滑,且ƒ(z)≠0,则对充分大的k,有并且若zk是p(p>1)阶收敛,即C0均为常数。当ƒ┡(z)=0时也有加速作用。此算法可以循环使用。
斯梯芬森方法:不算微商而二阶收敛的方法,其算式为它可由迭代算法循环使用 δ2程序导出。
所有的迭代法用于求重根(即ƒ┡(z)=0)时, 其收敛速度将变慢,收敛阶将降低。
为求得达到所需精度的解而花费的代价是评价迭代法优劣的依据,效能指数是其重要指标,它定义为p1/宝,p为收敛阶,μ为每步需要计算的函数值和微商值的总数。效能指数越大,说明方法越好。二分法及上述各种迭代法的收敛阶(单根时和重根时)和效能指数如表。
只有当初始近似与解充分接近时,迭代法才收敛,这是所述算法的共同特点。减弱对初始近似的限制是提高迭代法有效性的重要措施,例如,牛顿法中引进下降因子。对一些特殊函数类(如单调函数,只有实根的解析函数等)的
大范围收敛迭代算法也有一些研究工作。
举例
以下的方程分别因为有
指数函数、
三角函数等超越函数,因此均为超越方程。
在
天文学中,有关轨道偏近点角E的
开普勒方程也是超越方程:
其中: