6.2 Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmung. x für k
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- Götz Hochberg
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1 6. Das Newtoverahre zur Nullstellebestimmug Gesucht sid Nullstelle eier ichtlieare stetig di bare Futio :RR, also R mit = 0! Zurücührug des Nullstelleproblems au das izwische beate Fiputproblem. Also gesucht: ür Betrachte dazu die Tayloretwiclug i letzter Iterierte : wird igoriert 0. Aulöse ach + lieert die Newto-Iteratio: : alls 0 3
2 6... Geometrische Iterpretatio des Newtoverahres Ersetze loal a der Stelle durch bestmögliche Gerade = Tagete, etspricht liearem Ateil der Taylorreihe. Die Nullstelle dieser Gerade g ist geau + = /, ud wird als ächste Näherug ür die echte Nullstelle vo gewählt. 4
3 Probleme des Newtoverahres, we 0 : Divisio durch Null! Geometrisch: Ist ahe eiem Put mit waagrechter Tagete, so ist die Gerade g ast parallel zur -Achse, ud die ächste Iterierte liegt weit etert vo Kei overgetes Verhalte! 5
4 Beispiel ür Iteratioe beim Newtoverahre Futio: = ep - Nullstelle: = 0 Startwert: 0 = 6
5 0 Newtoverahre: Tagete t Nullstelle vo 0
6 Newtoverahre: Nullstelle vo Tagete t
7 Newtoverahre: Nullstelle vo Tagete t 3
8 30. 0 Newto-Verahre als Fiputiteratio: alls = 0 : Gesuchte Nullstelle vo ist gleichzeitig Fiput vo Damit sid die Resultate über Iteratiosutioe ud dere Fipute awedbar Fiputsatz, L<, usw.: Dazugehörige Iteratiosutio ist
9 ud alls eiache Nullstelle vo gilt: = 0 <. Daher ist die gesuchte Nullstelle vo da ei azieheder Fiput vo! 6... Satz: Das Newtoverahre ür eie stetig di bare Futio mit eiacher Nullstelle ist loal quadratisch overget. Beweis: Loal overget ach Baach schem Fiputsatz! Startwert ahe geug bei Fiput lieare Kovergez im Itervall U = [ -h, +h ] Zum Beweis der quadratische Kovergez: 3
10 3 0 z mit Zwischestelle z Tayloretwiclug. L Ist = 0, so a C loal durch eie Kostate L ach obe beschrät werde. Daher olgt: z, C z Umormug:
11 Der Abstad vo der gesuchte Lösug verrigert sich i jedem Schritt quadratisch we ma ahe geug a der Lösug ist, so dass - <<. z.b. Abstad vo der Lösug i jedem Schritt - z.b. wie 0, 0, 0 4, 0 8, Also schelle Kovergez! Voraussetzuge ür quadratische Kovergez: - eiache Nullstelle, d.h. = 0, aber = 0, oder =-g mit g=0 - Startwert 0 ahe bei 33
12 a heißt m-ache Nullstelle, we: j a = 0 ür j=0,,m-, aber m a 0 oder = -a m g mit ga 0 Graphisch: 34
13 35 L ud L p L Deiitio der Kovergezordug: Liear overget: Koverget vo Ordug p > : 0 g mit g m g g m g m m m Falls a der Stelle eie m-ache Nullstelle hat mit m >, so ist das Newtoverahre ur och loal liear overget: Ist ämlich eie m-ache Nullstelle, so olgt ud die Iteratiosutio lautet
14 Die Ableitug der Iteratiosutio ist daher g m g m Nach dem Baach sche Fipusatz olgt: ist loal otrahiered ud es liegt lieare Kovergez vor! Variatioe bei m-acher Nullstelle, um quadratische Kovergez zu erreiche: Wede Newtoverahre a au m- te Ableitug vo / m-te Wurzel vo oder modiiziere Newtoormel bei beatem m zu m. 36
15 37 g Verwadte Verahre Seateverahre: Ersetze Tagete i letztem Put durch die Seate, die die beide letzte Pute verbidet; verwede dere Nullstelle! Nullstelle der Seate als ächste Iterierte:
16 38 Lieert loale Kovergez wie beim Newtoverahre. Vorteil: eie Ableituge beötigt, jeweils ur die letzte beide Futioswerte! Billiger! Aber Problem, alls Neer gleich Null ist! Kovergezordug p ur mit <p<, aber daür pro Schritt ur eie eue Futiosauswertug ötig bei Newto ud pro Schritt
17 Bisetiosverahre: Starte mit zwei Werte ud y, ür die gilt, dass *y < 0 ist, ür die also verschiedee Vorzeiche hat. Daher liegt ür stetiges zwische ud y garatiert eie Nullstelle! Setze z:=+y/ de Wert geau i der Mitte zwische ud y: 39
18 Bereche z. Ist z = 0: ertig Ist *z > 0, so setze :=z, y bleibt Ist y*z > 0, so setze y:=z, bleibt Damit gilt wieder *y < 0, aber der Abstad zwische ud y hat sich halbiert. Daher liegt die gesuchte Nullstelle ach Schritte garatiert i eiem leiere Itervall der Größe cost/, ud es gilt: Bezeichug:, y z usw. y y 0.5 y 0.5 y <= ma {, y } 40
19 Daher schrumpt der Abstad der Nullstelle zu de beide Itervallgreze liear i jedem Schritt um de Fator 0.5, y y y / ma, y / ma + y + =y =y + Regula alsi durch Verbidug vo Bisetio ud Seatever.: Iteriere wieder Itervall-Eischließugsgreze. Neuer Kadidat ür Ober/Utergreze ist jetzt icht der Put i der Mitte, soder die Nullstelle der Seate. Ersetze eie der beide alte Greze durch diese eue Kadidate, so dass die gesuchte Nullstelle wieder garatiert i dem eue Itervall liegt! 4
20 Bisetiosverahre: Nullstelle im Itervall [,y] < 0 y > 0 z=+y/ y
21 Bisetiosverahre: alt [,y] [,z]:=[,y] eu Da y ud z das gleiche Vorzeiche habe, wird y durch z ersetzt. < 0 y > 0 z=+y/ y z > 0
22 Itervall [,y] z=+y/ y <0 y>0
23 [,y] [z,y]=:[,y] wird durch z ersetzt. z=+y/ y <0 z<0 y>0
24 Nullstelle i [,y] Neues Itervall ist ¼ so groß wie das Aagsitervall y <0 y>0
25 I der Prais wird häuig eie Kombiatio vo Bisetio ud Newto eigesetzt: Starte mit sicherer Bisetio, bis der Eizugsbereich der quadratische Kovergez des Newtoverahres erreicht ist. Dazu ötig sid Werte ud y mit y < 0 ; solche Werte erhält ma z.b. durch Auswertug vo a Zuallszahle oder a äquidistate Stelle. Falls solche ud y icht auidbar sid, liegt ev. eie Nullstelle vor oder eie Nullstelle gerader Ordug! Im letztere Fall a das Newtoverahre au agewedet werde. 47
26 ,...,,...,,..., Newtoverahre ud Miimierug: Nullstelle eier Futio : R R, J Jacobi-matri der Ableituge vo : : J iv Newtoverahre im R : I jedem Schritt ist ei eues Gleichugss. i J zu löse! Vetor = Vetor Matri * Vetor
27 Miimierugsproblem: Gegebe: F: R R, F,..., R Gesucht: relatives Miimum / Maimum Bestimme dazu Nullstelle der Ableitug etspricht waagrechter Tagete, also Etremwert. 0,...,,...,,...,! F F F Gradietevetor vo F:
28 50 j i J F H F j i, Jacobi-matri J der erste Ableituge vo etspricht der sog. Hesse-matri H der zweite Ableituge vo F: F H iv Newtoverahre zur Bestimmug der Nullstelle des Gradiete ergibt: Löse dazu i jedem Schritt ei lieares Gleichugssystem mit sog. Hesse-matri H! Problem, alls H a der Stelle sigulär. Billiger: Quasi-Newto-Verahre, ersetze H durch billiges B.
29 5 b m,...,,..., mi Nichtlieare Ausgleichsrechug: Gauss-Newto-Verahre h J Erster Schritt: Liearisierug mittels Jacobi-matri ud Taylorreihe b J mi Damit ergibt sich eue Iterierte + aus der Lösug des lieare Ausgleichsproblems Neue Liearisierug a der Stelle + ergibt eues lieares Ausgleichsproblem mit euer Matri J +., vgl. mi A-b
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