matlab roots求根及其數學原理


Problem

用Matlab軟件包求解下列方程的全部實根:
f(x)=-26+ 85x-91x^2 + 44x^3 - 8x^4+x^5


Methods

roots函數

  • 使用方法: r = roots(p)
    以列向量的形式返回 p 表示的多項式的根。輸入 p 是一個包含 n+1 多項式系數的向量,以 xn 系數開頭。0 系數表示方程中不存在的中間冪。例如:p = [3 2 -2] 代表多項式 3x^2+2x?2
    roots 函數對 p_1x^n+...+p_nx+p_n+1=0 格式的多項式方程求解。包含帶有非負指數的單一變量的多項式方程。

算法原理

roots 函數將 p 視為一個具有 n+1 個元素的向量,代表 n×n 矩陣 A 的 n 次特征多項式。多項式的根通過計算伴隨矩陣 A 的特征值得出。

A = diag(ones(n-1,1),-1);
A(1,:) = -p(2:n+1)./p(1);
r = eig(A)

數學原理

已知 a_nx^n+...+a_1x+a_0=0
p = [a_n a_{n-1} \cdots a_0]

  1. 構造矩陣
    ~A_{n*n}= \left[ \begin{matrix} -\frac{a_{n-1}}{a_n} &-\frac{a_{n-2}}{a_n} & \cdots & -\frac{a_{0}}{a_n}\\ 1 & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & 1 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \vdots \\ 0 & \cdots& 0 &1 \end{matrix} \right]

  2. Ax =λx(x為該方程的解)
    ~x= \left[ \begin{matrix} x_1 \\ x_2 \\ \vdots\\ x_n \end{matrix} \right]

  3. 下面我們以3項來說明方便理解:
    原式: a_3x^3+a_2x^2+a_1x^1+a_0=0
    ~A= \left[ \begin{matrix} -\frac{a_{2}}{a_3} & -\frac{a_1}{a_3} & -\frac{a_0}{a_3} \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 &1&0 \end{matrix} \right]
    ~x= \left[ \begin{matrix} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{matrix} \right]
    -\frac{a_{2}}{a_3}*x_1 -\frac{a_1}{a_3} *x_2 -\frac{a_0}{a_3} *x_3 = λx_1,
    x_1 = λx_2, x_2 = λx_3

聯立以上3個方程得:
a_3λ^3+a_2λ^2+a_1λ^1+a_0=0

結論
  • 因此,只要解出λ(特征根)的值,就得到a_3x^3+a_2x^2+a_1x^1+a_0=0 的解。從而,我們把解方程的根轉化成了特征根的求解。
  • 只算3個容易理解,實際上n個也是同理的。
  • 需要注意的是,a_n不能為0

4.特征根的求解:
|A-λE| = 0 然后用線性代數的知識解出來即可。(利用余子式的性質)
可以求得n個λ,得到n個解(包括復數)

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