收稿日期 :2007‐12‐19 ;修改稿收到日期 :2008‐07‐19畅
基金项目 :国家自然科学基金(50175093)资助项目 畅
作者简介 :冯 春
倡
(1970‐) ,男 ,博士 ,教授
(E‐mail :ifengchun@ 163 .com) ;
张 怡(1970‐) ,女 ,硕士 ,副教授 .
第26卷第6期
2009 年 12 月
计 算 力 学 学 报
Chinese Journal of Computational Mechanics
Vol .26 ,No .6
December 2009
文章编号 :1007‐4708(2009)06‐0846‐05
求 解 非 线 性 方 程 组 的 混 沌 分 形 方 法
冯 春
倡 1
, 张 怡
2
(1 .西南交通大学 物流学院 ,成都 610031 ;2 .西南交通大学 电气工程学院 ,成都 610031)
摘 要 :混沌分形是动力系统普遍出现的一种现象 ,牛顿‐拉夫森 NR(New ton‐Raphson)方法是重要的一维及多维
迭代技术 ,其迭代本身对初始点非常敏感 ,该敏感区是牛顿‐拉夫森法所构成的非线性离散动力系统 Julia 集 ,在
Julia 集中迭代函数会呈现出混沌分形现象 ,提出了一种寻找牛顿‐拉夫森函数的 Julia 点的求解方法 ,利用非线性
离散动力系统在其 Julia 集出现混沌分形现象的特点 ,提出了一种基于牛顿‐拉夫森法的非线性方程组求解的新方
法 ,计算实例表明了该方法的有效性和正确性 。
关键词 :非线性方程组 ;混沌 ;分形 ;牛顿迭代法 ;全部解
中图分类号 :TP18 文献标识码 :A
1 引 言
混沌现象是本世纪最重要的发现之一 ,早在
19 世纪末 ,法国数学家 Poincare 就曾预言过混沌
的一些行为 ,但是直到 1963 年 Lorenz 研究了大气
流动中的混沌之后 ,混沌的研究才有了巨大的发
展 ,本文探讨混沌在优化设计领域的应用 。
在工程领域复杂非线性方程组的数值求解 ,特
别是全部解的数值求解是数学工作者和工程专家
都十分关注的问题 。 求解其多个/全部解 ,目前主
要采用代数消元法 、连续法和区间分析法
[1]
。
代数消元法包括基于结式的消元法 、基于吴方
法的消元法和基于 Grobner 基的消元法 ,通过运用
适当的代数变换规则消去部分变量 ,推导出只含一
个变量的符号系统多项式方程 ,即封闭形式的解 。
这种方法能够推导出的解是稀少而冗长的 。
区间分析法虽然能在较大范围内收敛到可判
断为有无解的给定区域 ,并在有解区间内求出其中
的全部解 ,但因初值区间较难确定使其实际应用受
到限制 。
最具有代表性的方法是三种风格的同伦连续
算法 ,即系数同伦法 、齐次同伦法和同伦迭代法 ,它
们属于数值迭代法 。现在只有基于系统局部微分
特性的同伦连续算法通过跟踪所有同伦路径能够
求出非线性方程组的全部解 。 由于工程问题中许
多大目标系统的高亏欠度特点 ,影响同伦函数的构
造和同伦路径跟踪等等 ,因此计算效率低 。 所以目
前在商用软件中 ,这种方法还没有被广泛使用 。
牛顿‐拉夫森 NR(Newton‐Raphson)方法是求
解非线性方程及非线性方程组常用的搜索技术 ,它
具有二次收敛性 ,收敛速度较快 ,但对初始点的选
择较为敏感 ,而且一次迭代过程只能求出一个数值
解
[2‐4]
。
将 NR 方法作为一种非线性的离散动力系统
进行研究 ,利用混沌和分形理论研究了 NR 方法对
初始点敏感的原因 ,建立了求解 NR 方法混沌分形
点的优化模型 ,利用 NR 方法的敏感分形区域 ,提
出了一种求解非线性方程全部解的新方法 。
2 复 Newton‐Raphson 法的混沌现象
通常采用 NR 方法求非线形方程组 F(X ) = 0 ,
F ,X
∈
R
n
的根 ,设 F(X ) 为定义在复平面的连续
可导的函数 ,则 NR 法的迭代函数为
X
n
+
1
=
N(X
n
) = X
n
-
A (X
n
)
-
1
f
(X
n
) (1)
式中 F(X
n
) 为方程组左边函数 ,A (X
n
) 为方程组
左边函数的 Jacobian 矩阵 :
X
n
+
1
,X
n
∈
R
n
对于一元非线性方程的 NR 法迭代函数为
x
n
+
1
=
N(x
n
) = x
n
-
f
(x
n
)/
f
′
(x
n
) (2)
式中
f
′
(x) 为
f
(x) 的一阶导数 :
f
,x
n
+
1
,x
n
∈
R
1