Метод Ньютона

Метод Ньютона застосовується до розв’язування задачі (1), де f(x) є неперервно-диференційованою функцією. На початку обчислень вибирається початкове наближення x₀. Наступні наближення обчислюються за формулою

. (23)

З геометричної точки зору x_n+1 є значенням абсциси точки перетину дотичної до кривої y=f(x) в точці (x_n, f(x_n)) з віссю абсцис. Тому метод Ньютона називають також методом дотичних.

Теорема 2.Якщо не змінює знака на [a,b], то виходячи з початкового наближення , що задовольняє умові , можна обчислити методом Ньютона єдиний корінь рівняння (1) з будь-якою степінню точності.

Теорема 3. Нехай - простий дійсний корінь рівняння (1) і , де ,

, (24)

причому

. (25)

Тоді для метод Ньютона збігається, причому для похибки справедлива оцінка

. (26)

З оцінки (26) видно, що метод Ньютона має квадратичну збіжність, тобто похибка на (n+1)-й ітерації пропорційна квадрату похибки на n-й ітерації.

Модифікований метод Ньютона

(27)

дозволяє не обчислювати похідну на кожній ітерації, а отже і позбутися можливого ділення на нуль. Однак цей алгоритм має тільки лінійну збіжність.

Кількість ітерацій, які потрібно провести для знаходження розв’язку задачі (1) з точністю e задовольняє нерівності

. (28)

Приклад 1. Розв’язати рівняння

(29)

методом ділення проміжку навпіл з точністю e=10^-4.

Розв’язання. Спочатку знайдемо проміжок, де рівняння має єдиний корінь. Оскільки похідна функції не змінює знак, то корінь у рівнянні (29) буде один. Легко бачити, що f(0)=-1<0, а . Отже корінь належить проміжку . Виберемо . Згідно з формулою (6), отримаємо, що для знаходження кореня з точністю 10^-4 необхідно провести 13 інтеграцій. Відповідні значення x_n наведені в табл. 1.

Табл.1

n	xn	f(xn)
	0785398E+00	0492505E+00
	0392699E+00	0224617E+00
	0589049E+00	0144619E+00
	0490874E+00	0377294E-01
	0539961E+00	0540639E-01
	0515418E+00	0831580E-02
	0503146E+00	0146705E-01
	0509282E+00	0316819E-02
	0512350E+00	0257611E-02
	0510816E+00	0295467E-03
	0511583E+00	0114046E-02
	0511199E+00	0422535E-03
	0511007E+00	0635430E-04
	0510911E+00	0116016E-03

Приклад 2. Знайти додатні корені рівняння

x³-x-1=0 (30)

методом простої ітерації з точністю e=10^-4.

Розв’язання. Графічне дослідження рівняння (30) показує, що існує єдиний дійсний додатній корінь цього рівняння і він належить проміжку [1,2]. Оскільки на цьому проміжку , то рівняння (30) можна подати у вигляді

. (31)

Позначимо . Перевіримо виконання умов теореми про збіжність методу простої ітерації. Виберемо x₀=1,5, тоді d=0,5. Розглянемо

,

тобто .

тоді ,

а отже умова (12) виконується. З формули (15) маємо, що кількість ітерацій, які необхідно провести для знаходження кореня з точністю e=10^-4 повинна задовольняти умові . Відповідні значення x_n та x_n-j(x_n) наведені в табл.2.

Табл.2

n	xn	xn-j(xn)
	0150000E+01	0209006E+00
	0129099E+01	0411454E-01
	0133214E+01	0901020E-02
	0132313E+01	0193024E-02
	0132506E+01	0415444E-03
	0132464E+01	0892878E-04
	0132473E+01	0191927E-04
	0132471E+01	0417233E-05
	0132472E+01	0953674E-06

Виходячи з нерівності (16) і отриманих результатів видно, що для досягнення заданої точності достатньо було провести 5 ітерацій (n=5). Взагалі слід відзначити, що апостеріорна оцінка (16) є більш точною і її використання може заощадити деяку кількість обчислень.

Приклад 3. Методом релаксації знайти найменший за модулем від’ємний корінь рівняння

x³-3x²-1=0 (32)

з точністю e=10^-4.

Розв’язання. Спочатку виділимо корені рівняння (32) користуючись наступною таблицею

Табл.3

x	-4	-3	-2	-1
signf(x)	-	-	+	+	-	+	+	+

З даної таблиці видно, що рівняння має три корені розташовані на проміжках [-3;-2], [-1;0], [0;1]. Будемо знаходити корінь на проміжку [-1;0]. Обчисливши значення f(-0,5)=-0,375 можна уточнити проміжок існування кореня [-1;-0,5].

Позначимо f(x)=x³-3x²-1. Тоді і є монотонно зростаючою функцією на [-1;-0,5] (оскільки ).

Тому ,

.

Тоді, відповідно до формул (20) і (21), будемо мати вигляд

. (33)

Вибравши за початкове наближення точку x₀=-0,5 будемо мати оцінку , а кількість ітерацій, які потрібно провести для знаходження розв’язку з точністю e=10^-4 буде дорівнювати 5 (див. (22)). В табл. 4 наведені відповідні дані ітераційної послідовності:

Табл.4

n	xn	f(xn)
	0500000E+00	0142857E+00
	0642857E+00	0985700E-02
	0652714E+00	0105500E-04
	0652704E+00	0596046E-07
	0652704E+00	0000000E+00
	0652704E+00	0000000E+00

Із наведених даних видно, що необхідна точність досягається раніше 5-ї ітерації. Це досить характерно для апріорних оцінок типу (22).

Приклад 4. Методом Ньютона знайти найменший додатній корінь рівняння

x³+3x²-1=0 (34)

з точністю e=10^-4.

Розв’язання. З табл. 3 видно, що рівняння (34) має єдиний додатній корінь, що належить проміжку [0;1]. обчислимо f(0,5)=-0,125. Тепер будемо шукати корінь на проміжку [0,5;1]. Нехай f(x)=x³+3x²-1. Тоді .

,

.

Виберемо x₀=1, тоді . З формули (25) маємо

.

Тобто всі умови теореми про збіжність методу Ньютона виконані. З формули (28) маємо, що для досягнення заданої точності достатньо провести 7 ітерацій. Відповідні обчислення наведені в табл. 5.

Табл.5

n	xn	f(xn)
	01000000E+01	03000000E+01
	06666667E+00	06296297E+00
	05486111E+00	06804019E-01
	05323902E+00	01218202E-02
	05320890E+00	04395228E-06
	05320889E+00	04230802E-07
	05320889E+00	04230802E-07
	05320889E+00	04230802E-07

Задачі

Знайти одним з ітераційних методів дійсні корені рівнянь з точністю e (наприклад e=10^-4).

1)

2)

3)

4)

5)

6)

7)

8)

9)

10)

11)

12)

13)

14)

15)

16)

17)

18)

19)

20)

21)

22)

23)

24)

25)

26)

27)

28)

29)

30)

31)

32)

33)

34)

35)

36)

37)

38)

39)

40)

41)

42)

43)

44)

45)

46)

47)