Deutsch
Quelltexte/ Codesnippets

Robuste Lösungen bei komplizierten Funktionen suchen: Der BiSection-Algorithmus

 

p.specht

Bei der rechnerischen Lösung einer u.U. sehr komplizierten Gleichung 'F(x)=Vorgabewert', also der Suche all jener x-Werte, bei denen diese Gleichung erfüllt bzw. 'wahr' ist, ordnet man üblicherweise die Gleichung um zu f(x) minus Vorgabewert = 0, und sucht nach den Nullstellen des y-Funktionswertes. Das BISECTION(Unterteilungs)-Verfahren war dabei einer der allerersten erfolgreich angewendeten Computeralgorithmen, und hat sich bis heute als sehr robuste Methode bewährt, soll heißen: Das Verfahren liefert - abhängig vom angebenen Suchbereich - mit Sicherheit genau einen exakten Nulldurchgang der Funktion als Lösung, falls eine solche Lösung existiert.

Weiterer Vorteil: Die gefundenen Lösungen gelten als "technisch stabil". Diese Stabilität wird aus Sicht der Mathematik-Puristen allerdings duch einen Nachteil erkauft: Es werden nur Lösungen gefunden, die die x-Achse tatsächlich schneiden, also in der Nähe der Lösungspunkte sowohl positive als auch negative y-Achsenwerte besitzen. Mit anderen Worten: Der Algorithmus kann keine Lösungen ermitteln, die durch bloße Berührung der x-Achse nur von oben oder nur von unten gegeben wären. In solchen Fällen wäre Verfahren wie "Regula falsi" oder "Newton-Raphson" geeigneter, beide haben allerdings auch wieder ihre Vor- und Nachteile.

Hinweis: Die Urheberrechte liegen bei ACM; hier wurde nur die Portierbarkeit nach XProfan demonstriert. Ohne jede Gewähr daher:
' ACM TOMS Algorithm 4 'BISECTION'
'{Depending on 4 start parameters, BISEC finds one x where Function y=F(x)=0
' Original Fortran Source by S. Gorn from https://www.netlib.org/toms/4.gz
' (C) Feb.1960 by ACM-TOMS Association of Computing Machinery
' ----------------------------------------------------------------------------
' (D) Demo-Migration to XProfan-11.2a in 2014-11 by P.Specht, Vienna (Austria)
' Es bestehen Urheberrechte Dritter! No Warranty Whatsoever! Ohne jede Gewähr!
' ----------------------------------------------------------------------------
' Description (F99): Date: Sun, 12 Feb 95 18:54:30 +0000
' Here is a transcription of algorithm #4 from Collected Algorithms
' from ACM. I had to modify some characters to make it fit into ASCII,
' specially the multiplicative operator has become * and greek letters
' are substituted by their equivalent names.
'         Jose R. Valverde, European Bioinformatics Institute, txomsy@ebi.ac.uk
' ------------------------------------------------------------------------------
' Original Algorithm 4: BISECTION ROUTINE
' by S. Gorn, Univeristy of Pennsylvania Computer Center, Philadelphia, Pa.
' ------------------------------------------------------------------------------
' Comment: This procedure evaluates a function at the end-points
' 	of a real interval, switching to an error exit (fools
' 	exit) FLSXT if there is no change of sign. Otherwise
' 	it finds a root by iterated bisection and evaluation
' 	at the midpoint, halting if either the value of the
' 	function is less than the free variable epsilon, or two
' 	successive approximations of the root differ by less
' 	than epsilon1. Epsilon should be chosen of the order of
' 	error in evaluating the function (otherwise time would be
' 	wasted), and epsilon1 of the order of desired accuracy.
' 	Epsilon1 must not be less than two units in the last place
' 	carried by the machine or else indefinite cycling will
' 	occur due to roundoff on bisection. Although this
' 	method is of 0 order, and therefore among the slow-
' 	est, it is applicable to any continuous function. The
' 	fact that no differentiability conditions have to be
' 	checked makes it, therefore, an 'old work-horse'
' 	among routines for finding real roots which have
' 	already been isolated. The free varaibles y1 and y2
' 	are (presumably) the end-points of an interval within
' 	which there is an odd number of roots of the real function F.
' 	Alpha is the temporary exit fot the evaluation of F.;
'---------------------------------------------------------------
'---------------------------------------------------------------
' CERTIFICATION OF ALGORITHM 4
' BISECTION ROUTINE (S. Gorn, _Comm._ACM_, March 1960), Program by
' Patty Jane Rader,* Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois
'
' Bisec was coded for the Royal Precision LGP-30 computer, using inter-
' pretive floating point system (24.2) with 28 bits of significance.
'
'  The following minor correction was found necessary.
'	alpha: go to gamma[1] should be go to gamma[i]
' After this correction was made, the program ran smoothly for
'  F(x) = cos x, using the following parameters:
'---------------------------------------------------------------
'	y1	 y2	 Epsilon	Epsilon1      Results
'---------------------------------------------------------------
' 0     1	  .001		.001		      FLSXT
' 0	    2	  .001		.001		      1.5703
'	1.5	  2	  .001		.001		      1.5703
'	1.55	2	  .1		  .1		        1.5500
'	1.5	  2	  .001		.1		        1.5625
'---------------------------------------------------------------
' These combinations test all loops of the program.
' *) Work supported by the U. S. Atomic Energy Commission.
'}
'---------------------------------------------------------------
'{TESTPROGRAMM
CLS
Font 2
Set("decimals",15)
print "\n Berechnete Testwerte bitte mit den im Kommentar"
print " angegebenen Tabellenresultaten vergleichen: \n"
print "   ";format$("%g",BiSec(0,1,0.001,0.001))
print "   ";format$("%g",BiSec(0,2,0.001,0.001))
print "   ";format$("%g",BiSec(1.5,2,0.001,0.001))
print "   ";format$("%g",BiSec(1.55,2,0.1,0.1))
print "   ";format$("%g",BiSec(1.5,2,0.001,0.1))
Waitinput
END
'}-------------------------------------------------------------------------
'Function F(x) HIER EINPORGRAMMIEREN!

proc F :parameters x!

    return cos(x!)

endproc

'-------------------------------------------------------------------------
'Bisec Routine:

proc BISEC :parameters y1!,y2!,epsilon!,epsilon1!

    declare x!,f!,f1!,i&,j&,k&,FLSXT!
    FLSXT!=-999999999'bedeutet ERROR, keine Nullstelle in diesem Bereich
    Bisec:
    i&=1:j&=1:k&=1:x!=y2!
    Alpha:
    f!=F(x!) : case abs(f!)<=epsilon!:return x!

    if i&=1:goto "First_val" : elseif i&=2:goto "Succ_val" :endif

        First_val:
        i&=2 : f1!=f! : x!=y1!
        goto "Alpha"
        Succ_val:

        if (f!*f1!)>=0

            if j&=1: Print "Keine Nullstelle in diesem Bereich! Error ";:return FLSXT!

            elseif j&=2: goto "Reg_delta"

            endif

        endif

        if k&=1:goto "Sec_val" : elseif k&=2:goto "Reg_etha" :endif

            Sec_val:
            j&=2:k&=2
            Midpoint:
            x!=(y1!+y2!)/2
            goto "Alpha"
            Reg_delta:
            y2!=x!
            Precision:
            case (abs(y1!-y2!)>=epsilon1!):goto "Midpoint"
            return x!
            Reg_etha:
            y1!=x!
            goto "Precision"

        EndProc

 
XProfan 11
Computer: Gerät, daß es in Mikrosekunden erlaubt, 50.000 Fehler zu machen, zB 'daß' statt 'das'...
16.05.2021  
 




p.specht

Michael Wodrich hat eine verbesserte Variante vorgestellt:

Sein Kommentar: "... und ein zweiter BiSec(t) ohne Goto aber mit Iterationen-Begrenzer (damit es nicht endlos läuft). Beides zusammen gemixt und eine Iteration vorher ausgebremst..."

Link:  [...] 
' ACM TOMS Algorithm 4 'BISECTION'
'{Depending on 4 start parameters, BISEC finds one x where Function y=F(x)=0
' Original Fortran Source by S. Gorn from https://www.netlib.org/toms/4.gz
' (C) Feb.1960 by ACM-TOMS Association of Computing Machinery
' ----------------------------------------------------------------------------
' (D) Demo-Migration to XProfan-11.2a in 2014-11 by P.Specht, Vienna (Austria)
' Es bestehen Urheberrechte Dritter! No Warranty Whatsoever! Ohne jede Gewähr!
' ----------------------------------------------------------------------------
' Description (F99): Date: Sun, 12 Feb 95 18:54:30 +0000
' Here is a transcription of algorithm #4 from Collected Algorithms
' from ACM. I had to modify some characters to make it fit into ASCII,
' specially the multiplicative operator has become * and greek letters
' are substituted by their equivalent names.
'         Jose R. Valverde, European Bioinformatics Institute, txomsy@ebi.ac.uk
' ------------------------------------------------------------------------------
' Original Algorithm 4: BISECTION ROUTINE
' by S. Gorn, Univeristy of Pennsylvania Computer Center, Philadelphia, Pa.
' ------------------------------------------------------------------------------
' Comment: This procedure evaluates a function at the end-points
' 	of a real interval, switching to an error exit (fools
' 	exit) FLSXT if there is no change of sign. Otherwise
' 	it finds a root by iterated bisection and evaluation
' 	at the midpoint, halting if either the value of the
' 	function is less than the free variable epsilon, or two
' 	successive approximations of the root differ by less
' 	than epsilon1. Epsilon should be chosen of the order of
' 	error in evaluating the function (otherwise time would be
' 	wasted), and epsilon1 of the order of desired accuracy.
' 	Epsilon1 must not be less than two units in the last place
' 	carried by the machine or else indefinite cycling will
' 	occur due to roundoff on bisection. Although this
' 	method is of 0 order, and therefore among the slow-
' 	est, it is applicable to any continuous function. The
' 	fact that no differentiability conditions have to be
' 	checked makes it, therefore, an 'old work-horse'
' 	among routines for finding real roots which have
' 	already been isolated. The free varaibles y1 and y2
' 	are (presumably) the end-points of an interval within
' 	which there is an odd number of roots of the real function F.
' 	Alpha is the temporary exit fot the evaluation of F.;
'---------------------------------------------------------------
'---------------------------------------------------------------
' CERTIFICATION OF ALGORITHM 4
' BISECTION ROUTINE (S. Gorn, _Comm._ACM_, March 1960), Program by
' Patty Jane Rader,* Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois
'
' Bisec was coded for the Royal Precision LGP-30 computer, using inter-
' pretive floating point system (24.2) with 28 bits of significance.
'
'  The following minor correction was found necessary.
'	alpha: go to gamma[1] should be go to gamma[i]
' After this correction was made, the program ran smoothly for
'  F(x) = cos x, using the following parameters:
'---------------------------------------------------------------
'	y1	 y2	 Epsilon	Epsilon1      Results
'---------------------------------------------------------------
' 0     1	  .001		.001		      FLSXT
' 0	    2	  .001		.001		      1.5703
'	1.5	  2	  .001		.001		      1.5703
'	1.55	2	  .1		  .1		        1.5500
'	1.5	  2	  .001		.1		        1.5625
'---------------------------------------------------------------
' These combinations test all loops of the program.
' *) Work supported by the U. S. Atomic Energy Commission.
'}
'---------------------------------------------------------------
'{TESTPROGRAMM
CLS
Font 2
Set("decimals",15)
print "---------------------------------------------------------------"
print Tab(2);"y1";  Tab(8);"y2";Tab(12);"Epsilon";Tab(21);"Epsilon1";Tab(31);"Results"
print "---------------------------------------------------------------"
print Tab(2);"0";   Tab(8);"1"; Tab(12);".001";   Tab(21);".001";    Tab(31);"FLSXT"
print Tab(2);"0";   Tab(8);"2"; Tab(12);".001";   Tab(21);".001";    Tab(31);"1.5703"
print Tab(2);"1.5"; Tab(8);"2"; Tab(12);".001";   Tab(21);".001";    Tab(31);"1.5703"
print Tab(2);"1.55";Tab(8);"2"; Tab(12);".1";     Tab(21);".1";      Tab(31);"1.5500"
print Tab(2);"1.5"; Tab(8);"2"; Tab(12);".001";   Tab(21);".1";      Tab(31);"1.5625"
print "---------------------------------------------------------------"
print "\n Berechnete Testwerte bitte mit den obigen"
print " Tabellenresultaten vergleichen: \n"
print format$("   BiSec(0,    1, .001, .001) = %g",BiSec(0,1,0.001,0.001))
print format$("   BiSec(0,    2, .001, .001) = %g",BiSec(0,2,0.001,0.001))
print format$("   BiSec(1.5,  2, .001, .001) = %g",BiSec(1.5,2,0.001,0.001))
print format$("   BiSec(1.55, 2, .1,   .1  ) = %g",BiSec(1.55,2,0.1,0.1))
print format$("   BiSec(1.5,  2, .001, .1  ) = %g",BiSec(1.5,2,0.001,0.1))
print "---------------------------------------------------------------"
print format$("   BiSect(0,    1, .001, .001) = %g",BiSect(0,1,0.001,0.001))
print format$("   BiSect(0,    2, .001, .001) = %g",BiSect(0,2,0.001,0.001,9))
print format$("   BiSect(1.5,  2, .001, .001) = %g",BiSect(1.5,2,0.001,0.001))
print format$("   BiSect(1.55, 2, .1,   .1  ) = %g",BiSect(1.55,2,0.1,0.1))
print format$("   BiSect(1.5,  2, .001, .1  ) = %g",BiSect(1.5,2,0.001,0.1))
Waitinput
END
'}-------------------------------------------------------------------------
'Function F(x) HIER EINPORGRAMMIEREN!

proc F :parameters x!

    return cos(x!)

endproc

'-------------------------------------------------------------------------
'Bisec Routine:

proc BISEC :parameters y1!,y2!,epsilon!,epsilon1!

    declare x!,f!,f1!,i&,j&,k&,FLSXT!,ii&
    FLSXT!=-999999999'bedeutet ERROR, keine Nullstelle in diesem Bereich
    Bisec:
    i&=1:j&=1:k&=1:x!=y2!:ii&=0
    Alpha:
    inc ii&':: print "(";ii&;")";
    f!=F(x!) : case abs(f!)<=epsilon!:return x!

    if i&=1:goto "First_val" : elseif i&=2:goto "Succ_val" :endif

        First_val:
        i&=2 : f1!=f! : x!=y1!
        goto "Alpha"
        Succ_val:

        if (f!*f1!)>=0

            if j&=1: Print "\nKeine Nullstelle in diesem Bereich! Error\n";:return FLSXT!

            elseif j&=2: goto "Reg_delta"

            endif

        endif

        if k&=1:goto "Sec_val" : elseif k&=2:goto "Reg_etha" :endif

            Sec_val:
            j&=2:k&=2
            Midpoint:
            x!=(y1!+y2!)/2
            goto "Alpha"
            Reg_delta:
            y2!=x!
            Precision:
            case (abs(y1!-y2!)>=epsilon1!):goto "Midpoint"
            return x!
            Reg_etha:
            y1!=x!
            goto "Precision"

        EndProc

        '-------------------------------------------------------------------------
        'Bisec Routine mit NMAX:

        Proc BiSect

            Declare float y1,y2,epsilon,epsilon1, long Durchlaeufe

            If %PCount = 5

                Parameters float y1_5,y2_5,e_5,e1_5, long NMAX
                y1 = y1_5 : y2 = y2_5 : epsilon = e_5 : epsilon1 = e1_5 : Durchlaeufe = NMAX

            Else

                Parameters float y1_4,y2_4,e_4,e1_4
                y1 = y1_4 : y2 = y2_4 : epsilon = e_4 : epsilon1 = e1_4 : Durchlaeufe = 100

            EndIf

            Declare float x,f0,f1
            Var long Iterationen = 0
            Var float KEINENULL = -999999999.0' bedeutet FEHLER; keine Nullstelle in diesem Bereich
            Var int First = 1
            x = y2

            Repeat

                Inc Iterationen':: print "(";Iterationen;")";
                f0 = F(x)' hier wird die Funktion aufgerufen
                Case Abs(f0) <= epsilon : Return x

                If Iterationen > 1

                    If (f0 * f1) >= 0

                        If First

                            Print "\nKeine Nullstelle in diesem Bereich! FEHLER"
                            Return KEINENULL

                        EndIf

                        y2 = x
                        Case (Abs(y1 - y2) < epsilon1): Return x

                    Else

                        IfNot First

                            y1 = x
                            Case (Abs(y1 - y2) < epsilon1): Return x

                        Else

                            Dec First

                        EndIf

                    EndIf

                    Case (Iterationen < Durchlaeufe) : x = (y1 + y2) / 2

                Else

                    ' der erste Durchlauf
                    f1 = f0
                    x = y1

                EndIf

            Until Iterationen >= Durchlaeufe

            Print "\nZu viele Durchläufe! (";Durchlaeufe;" sind erlaubt)"
            Return x

        EndProc

 
Computer: Gerät, daß es in Mikrosekunden erlaubt, 50.000 Fehler zu machen, zB 'daß' statt 'das'...
16.05.2021  
 




p.specht

Andere Umsetzung, von noch früher:
Windowtitle "Bisection-Algorithmus"
'Q: Fortran-IV Source aus 1962, nach XProfan portiert 2015-05 by PS
Cls:Font 2:randomize:AppendMenubar 200,\
"Eingabeln einer Nullstelle per Unterschiedliche_Vorzeichen-Regel"

Proc Fn :Parameters fn&,x!:Declare y!

    Select fn&

        caseof 0: y!=sqr(x!)+exp(x!)-2

        caseof 1: y!=cos(x!)

        caseof 2: y!=3-sin(x!)

        caseof 3: y!=40-exp(x!)

        caseof 4: y!=10

        Otherwise : y!=rnd(1000)
        Endselect :Return y!

    endproc

    Proc ShowFn :Parameters fn& :declare y$

        Select fn&

            caseof 0: y$="y=sqr(x)+exp(x)-2"

            caseof 1: y$="y=cos(x)"

            caseof 2: y$="y=3-sin(x)"

            caseof 3: y$="y=40-exp(x)"

            caseof 4: y$="y=10"

            Otherwise : y$="y=Undefined "
            Endselect :return y$

        endproc

        Proc Bisect

            ' Den Vorzeichenwechsel eingabeln
            Parameters fn&,xl!,xr!,epsx!,epsy!
            Declare yl!,ym!,yr!,xm!
            yl!=Fn(fn&,xl!)

            Repeat

                xm!=(xl!+xr!)*0.5
                ym!=Fn(fn&,xm!)
                case (abs(ym!)-epsy!)<=0:BREAK

                if (yl!*ym!)<0: xr!=xm!

                elseif (yl!*ym!)=0:BREAK

                    else : xl!=xm!

                endif

            Until 0

            Return xm!

        endproc

        '---------------------------------------------------------------
        'Hauptprogramm
        declare fn&,x1!,y1!,x2!,y2!,epsx!,epsy!,fakt!
        '---------------------------------------------------------------
        ' Erfolgs- und performanzkritische Parameter!:
        fn&=0'... Testfunktionsnummer
        epsx!=val("1e-16")
        epsy!=val("1e-16")'...Suchgenauigkeit
        x1!=0 : x2!=0.1'... Startintervall
        fakt!= -1.2'... klappt um und vergrößert Suchbereich
        '---------------------------------------------------------------
        'Eingabeln:
        y1!=Fn(fn&,x1!)
        H1:
        y2!=Fn(fn&,x2!)
        case (y1!*y2!)<0:goto "H4"
        case (y1!*y2!)=0:goto "H5"
        '>0:' gleiche Vorzeichen ==> Bereich erweitern durch ...
        H2:
        x2!=x2!*fakt!'Vergrößerung und Spiegelung an 0-Punkt
        case abs(x2!)<val("1.1e35"):goto "H1"
        H3:
        Print " Sorry, keine Nullstelle gefunden!":goto "H6"
        H4:
        x2!=Bisect(fn&,x1!,x2!,epsx!,epsy!)
        Print "\n Nullstelle der Funktion  ";upper$(ShowFn(Fn&));"\n"
        Print " gefunden bei x = ";format$("%g",x2!);"\n"
        Print " Nullprobe:   y = ";format$("%g",Fn(fn&,x2!));"\n"
        Print " ----------------------------------------------------------"
        H6:
        waitinput
        END
 
XProfan 11
Computer: Gerät, daß es in Mikrosekunden erlaubt, 50.000 Fehler zu machen, zB 'daß' statt 'das'...
19.05.2021  
 



Zum Quelltext


Thementitel, max. 100 Zeichen.
 

Systemprofile:

Kein Systemprofil angelegt. [anlegen]

XProfan:

 Beitrag  Schrift  Smilies  ▼ 

Bitte anmelden um einen Beitrag zu verfassen.
 

Themenoptionen

1.401 Betrachtungen

Unbenanntvor 0 min.
Ernst21.07.2021
Uwe ''Pascal'' Niemeier13.06.2021
R.Schneider04.06.2021
p.specht04.06.2021
Mehr...

Themeninformationen

Dieses Thema hat 1 Teilnehmer:

p.specht (3x)


Admins  |  AGB  |  Anwendungen  |  Autoren  |  Chat  |  Datenschutz  |  Download  |  Eingangshalle  |  Hilfe  |  Händlerportal  |  Impressum  |  Mart  |  Schnittstellen  |  SDK  |  Services  |  Spiele  |  Suche  |  Support

Ein Projekt aller XProfaner, die es gibt!


Mein XProfan
Private Nachrichten
Eigenes Ablageforum
Themen-Merkliste
Eigene Beiträge
Eigene Themen
Zwischenablage
Abmelden
 Deutsch English Français Español Italia
Übersetzungen

Datenschutz


Wir verwenden Cookies nur als Session-Cookies wegen der technischen Notwendigkeit und bei uns gibt es keine Cookies von Drittanbietern.

Wenn du hier auf unsere Webseite klickst oder navigierst, stimmst du unserer Erfassung von Informationen in unseren Cookies auf XProfan.Net zu.

Weitere Informationen zu unseren Cookies und dazu, wie du die Kontrolle darüber behältst, findest du in unserer nachfolgenden Datenschutzerklärung.


einverstandenDatenschutzerklärung
Ich möchte keinen Cookie