f (x ) = {[(a x + a 1 )х + а 2 ]х + ...}х + а n
и последовательном графическом выполнении действий, начиная с выражения, заключённого во внутренние скобки.
Графическое решение уравнения f (x ) = 0 заключается в вычерчивании графика функции у = f (x ) и нахождении абсцисс точек пересечения кривой с осью Ox , которые и дают значения корней уравнения. Иногда решение можно значительно упростить, если представить уравнение в виде j1 (x ) = j2 (x ) и вычертить кривые y = j1 (x ) и y = j2 (x ). Корнями уравнения будут значения абсцисс точек пересечения этих кривых (на рис. 3 показано нахождение корня x ).
Так, для решения уравнения третьей степени z
3
+ az
2
+ bz
+ c
= 0 его приводят к виду x
3
+ px
+ q
= 0 заменой z
= х — а
/3, затем уравнение представляют в виде x
3
= —px — q
и вычерчивают кривую у
= х
3
и прямую у
=—px — q
. Точки их пересечения определяют корни x
1
, x
2
, x
3
уравнения. Построение удобно тем, что кубическая парабола у
= х
3
остаётся одной и той же для всех уравнений третьей степени. На рис. 4
решено уравнение x
3
— 2,67x
— 1 = 0. Его корни x
1
= —1,40, x
2
= —
0,40, x
3
= 1,80. Аналогично решается уравнение четвёртой степени z
4
+ az
3
+ bz
2
+ cz
+ d
= 0. Подстановкой z
= x — a
/4 его приводят к виду x
4
+ px
3
+ qx
+ s
= 0
и затем переходят к системе уравнений: у
= х
2
, (х – х
)2
+ (у — у
)2
= r
2
, вводя переменное y
. Здесь x
= —q
/2, у
= (1 – р
)/2 и
Первое уравнение даёт на плоскости параболу, одну и ту же для всех уравнений четвёртой степени, второе — окружность радиуса г
, координаты центра x
, y
которой легко подсчитать по коэффициенту данного уравнения. На рис. 5
решено уравнение x
4
—
2,6x
2
— 0,8х
— 0,6 = 0 (для него x
= 0,4; y
= 1,8, r
= 2). Его корни x
1
= —
1,55, x
2
= 1,80. Как видно из рис.
, уравнение др. действительных корней не имеет.
Графическое интегрирование.
Вычисление определенного интеграла
основано на замене графика подинтегральной функции y
= f
(x
) ступенчатой ломаной. На рис. 6
изображена криволинейная трапеция aABb
, площадь которой численно равна вычисляемому интегралу. Для построения ломаной криволинейную трапецию разрезают прямыми, параллельными оси Оу
, на ряд полос — элементарных криволинейных трапеций. В каждой из них отрезок кривой заменяют отрезком, параллельным оси Ox
, так, чтобы получающиеся прямоугольники имели примерно ту же площадь, что и соответствующие элементарные криволинейные трапеции (ломаная изображена на рис. 6
жирной линией). Площадь, ограниченная ломаной, равна сумме площадей построенных прямоугольников, т. е.
Dx
k
— длина основания k-
гo прямоугольника, y
k
—
одно из значений функции у
= f
(x
) на отрезке Dx
k
, равное высоте прямоугольника. Это выражение принимают за приближённое значение интеграла
Сумму
вычисляют графически так, как уже было указано. На рис. 7
выполнены все построения, необходимые для вычисления интеграла
где функция y
= f
(x
) задана графиком AC
...C
4
B
.
После разбиения криволинейной трапеции на части прямыми, проходящими через точки A
1
, ..., A4
, построены прямоугольники. Высоты их, ординаты точек C
, ..., C
4
, снесены на ось Оу
. Полученные точки P
,
..., P
4
соединены с точкой Р
(OP
= 1). Затем, начиная от точки а
,
построена ломаная aB
1
... B
5
, звенья которой параллельны соответствующим отрезкам PP
, PP
1
, ..., PP
4
. Величина интеграла численно равна ординате точки B
5
. Для построения графика первообразной функции y
= f
(x
), т. е.
достаточно соединить плавной кривой вершины ломаной, получаемой при вычислении
(на рис. 7
точки B
, B
1
, ..., B
5
).
Графическое дифференцирование
. График производной можно строить по значениям тангенса угла наклона касательной к графику данной функции в различных его точках. Точность такого построения мала из-за больших погрешностей при определении направлений касательных. График производной строят также по секущим, повторяя в обратном порядке процесс графического интегрирования, изображенный на рис. 7
. Для этого график функции (рис. 8
) разбивают на части прямыми, параллельными оси Оу
и проведёнными через равные расстояния Dx.
Через точки деления A
1
, A
2
, ... проводят отрезки AB
1
, A
2
B
2
, …, параллельные оси Ox
. Отрезки B
1
A1
, B
2
A
2
, ...
равны соответствующим приращениям функции. Их откладывают от оси Ox
. По полученным точкам
строят ступенчатую ломаную. Затем проводят кривую, следя за тем, чтобы криволинейные треугольники в пределах одной ступени ломаной имели равные площади. Эта кривая и является графиком производной.
Графическое интегрирование дифференциальных уравнений. Дифференциальное уравнение первого порядка dy /dx = f (x , у ) определяет на плоскости поле направлений. Задача интегрирования уравнения заключается в проведении кривых, касательные к которым имеют направления поля. Различные приёмы графического интегрирования состоят в последовательном построении интегральных кривых по касательным, направления которых заданы, и в известной мере повторяют численные методы интегрирования (см. Приближённое решение дифференциальных уравнений).
Лит.: Головинин Д. Н., Графическая математика, М. — Л., 1931; Рунге К., Графические методы математических вычислений, пер. с нем., М. — Л., 1932.