解方程

代数基础

jiě fāng chéng

解方程是指运用逆运算把变量分离出来,从而找出使方程成立的变量取值。

Visualization

Definition

解方程是指找出使方程两边相等的变量值,方法是使用相反(逆)运算,一层一层剥去附加在变量上的东西,直到变量单独留下;对方程一边所做的任何操作,都必须对另一边做同样的操作,就像保持天平两端平衡一样。对于线性方程,这意味着按运算顺序(先算括号乘方,再乘除,最后加减)的相反次序逐步撤销运算,同时保持两边相等,这一方法在形式上由等式的代入性质来支撑:若 $a = b$,则 $a + c = b + c$。更一般地,在定义域 $D$ 上解方程,就是要找出解集 $\{x \in D : f(x) = g(x)\}$;对于域上的线性方程组,高斯消元法可以高效求解,而当非线性方程没有闭式解时,可能需要使用牛顿迭代法等数值方法。

Example

求解 $x - 3 = 8$:两边同时加 $3$ 得到 $x = 11$,验证 $11 - 3 = 8$。求解 $3(x + 2) = 21$:两边同时除以 $3$ 得到 $x + 2 = 7$,再减 $2$ 得到 $x = 5$。用牛顿迭代法求解 $f(x) = 0$ 时使用公式 $x_{n+1} = x_n - f(x_n)/f'(x_n)$;对 $f(x) = x^2 - 2$ 从 $x_0 = 2$ 出发,得到 $x_1 = 1.5$,$x_2 = 1.4167$,逐步收敛到 $\sqrt{2} = 1.4142\ldots$

Key Insight

对方程一边所做的任何操作,都必须对另一边做同样的操作,就像保持天平两端平衡一样。牛顿迭代法在单根附近具有二次收敛速度,意味着每迭代一次,正确的小数位数大约会翻倍,这使它成为数值分析中快速求根的黄金标准。