求根與非線性方程
用變號區間夾住根(bracketing a sign change)
如果你從海平面以下的山谷一路爬到海平面以上的山峰,那麼沿途某處你必定恰好越過海平面——不可能不經過就從下方到達上方。這個常識化為精確說法,就是介值定理,它是每一個夾根求根法的根基。
形式上:若 f 在區間 [a, b] 上連續,且 f(a) 與 f(b) 正負號相反,則 (a, b) 中至少存在一點 c 使 f(c) = 0。滿足 f(a) * f(b) < 0 的一對 (a, b) 稱為一個夾根區間(bracket):它是一張「根被困在內部」的保證書。夾根法(二分法、regula falsi、Brent)成敗全繫於維持這個不變量——每一步都保留一個兩端仍跨越零的子區間,使根無從逃脫。實務上要找起始夾根區間,你會在一格格點上掃描 f,觀察相鄰兩點之間正負號何時翻轉。
誠實之處藏在細節裡。連續性不可或缺:有跳躍的函數(如 0 附近的 1/x)可以變號卻從不為零,所以表面上的夾根區間可能夾住的是極點而非根。正負號檢驗也會漏掉只觸碰零而不穿越的根——偶重根如 (x - 2)^2 在兩側保持同號,沒有任何夾根區間能偵測到它。此外,一次變號保證區間內有奇數個根,未必恰好一個;要分開靠得很近的根可能需要更細的掃描。
對 f(x) = x^3 - x - 1,掃描整數:f(1) = -1(負)、f(2) = 5(正)。正負號在 1 與 2 之間翻轉,於是在 (1, 2) 內夾住一個根。這個夾根區間就是二分法或 Brent 法的發射台。
連續的 f 出現變號,即可保證有一個被困住的根。
夾根區間證明根「存在」,卻不保證唯一性或數量。反過來,沒有變號也不代表沒有根——偶數階的根,或一格內的兩個根,可能躲過粗略的掃描。
又称
另见