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利用压缩映射原理证明方程x⁵-5x+1=0在[-1,1]内存在唯一解并求误差小于10⁻³的近似解

利用压缩映射原理证明方程x⁵-5x+1=0在[-1,1]内存在唯一解并求误差小于10⁻³的近似解

你已经算出导数$f'(x)=5x^4−5$并找到临界点1和-1,这个切入思路很靠谱!不过既然要用到压缩映射原理(Banach不动点定理),咱们换个方向,把原方程改写成「不动点形式」来推导会更直接~

步骤1:构造符合要求的压缩映射

首先把原方程$x^5 -5x +1=0$移项变形,得到:
$$x = \frac{x^5 + 1}{5}$$
记映射$T(x) = \frac{x^5 + 1}{5}$,我们需要验证两点:

  • 映射封闭性:当$x \in [-1,1]$时,$x^5 \in [-1,1]$,因此$x^5 +1 \in [0,2]$,那么$T(x) = \frac{x^5+1}{5} \in [0, 0.4]$,显然这个区间完全包含在$[-1,1]$内,说明$T$是从$[-1,1]$到自身的映射。
  • 压缩性:对$T(x)$求导得$T'(x) = x^4$。在区间$[-1,1]$内,虽然端点处$|T'(±1)|=1$,但原方程在端点处不成立($f(1)=-3≠0$,$f(-1)=5≠0$),解必然在$(-1,1)$内。取解所在的子区间$[0,0.4]$(由封闭性可知$T$的值域在此),此时$|T'(x)| = x^4 ≤ (0.4)^4 = 0.0256 < 1$,满足压缩映射的条件(存在常数$k \in [0,1)$,使得$|T(x)-T(y)| ≤ k|x-y|$)。

步骤2:证明解的存在唯一性

根据Banach不动点定理:完备度量空间上的压缩映射必有唯一不动点
这里$[-1,1]$是完备的(闭区间),$T$是压缩映射,因此存在唯一的$x^* \in [-1,1]$,使得$T(x^*) = x*$,也就是$x{5} -5x^ +1=0$。
另外你之前用导数分析单调性的思路也能辅助验证:$f'(x)=5x^4-5 ≤0$在$[-1,1]$上恒成立,$f(x)$单调递减,结合$f(-1)=5>0$、$f(1)=-3<0$,也能直接得出原方程在$[-1,1]$内仅有一个解,和压缩映射的结论一致~

步骤3:求误差小于$10^{-3}$的近似解

用迭代法求解,选初始值$x_0=0$(也可选其他在$[-1,1]$内的值,这里选0计算最方便):

  • $x_1 = T(x_0) = \frac{0^5 +1}{5} = 0.2$
  • $x_2 = T(x_1) = \frac{(0.2)^5 +1}{5} = \frac{0.00032 +1}{5} = 0.200064$
  • $x_3 = T(x_2) = \frac{(0.200064)^5 +1}{5} ≈ \frac{0.0003205 +1}{5} ≈ 0.2000641$

此时$|x_3 - x_2| ≈ 1.024×10^{-7} < 10^{-3}$,完全满足误差要求。所以近似解可取$\boldsymbol{0.200}$(或更精确的$\boldsymbol{0.2001}$)。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Rika

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