牛顿迭代法.doc

  1. 1、本文档共6页,可阅读全部内容。
  2. 2、有哪些信誉好的足球投注网站(book118)网站文档一经付费(服务费),不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
  3. 3、本站所有内容均由合作方或网友上传,本站不对文档的完整性、权威性及其观点立场正确性做任何保证或承诺!文档内容仅供研究参考,付费前请自行鉴别。如您付费,意味着您自己接受本站规则且自行承担风险,本站不退款、不进行额外附加服务;查看《如何避免下载的几个坑》。如果您已付费下载过本站文档,您可以点击 这里二次下载
  4. 4、如文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“版权申诉”(推荐),也可以打举报电话:400-050-0827(电话支持时间:9:00-18:30)。
查看更多
牛顿迭代法

§3.4 牛顿迭代法 牛顿迭代法也称为牛顿-拉夫森(Newton-Raphson)迭代法,它是数值分析中最重要的方法之一,它不仅适用于方程或方程组的求解,还常用于微分方程和积分方程求解。 3.4.1 牛顿迭代法 用迭代法解非线性方程时,如何构造迭代函数是非常重要的,那么怎样构造的迭代函数才能保证迭代法收敛呢?牛顿迭代法就是常用的方法之一,其迭代格式的来源大概有以下几种方式: 1设,对在点作泰勒展开: 略去二次项,得到的线性近似式:。 由此得到方程0的近似根(假定0), 即可构造出迭代格式(假定0): 公式(3.4.1) 这就是牛顿迭代公式,若得到的序列{}收敛于,则就是非线性方程的根。 2 牛顿迭代法也称为牛顿切线法,这是由于的线性化近似函数=是曲线=过点的切线而得名的,求的零点代之以求的零点,即切线与轴交点的横坐标,如右图所示,这就是牛顿切线法的几何解释。实际上,牛顿迭代法也可以从几何意义上推出。利用牛顿迭代公式,由得到,从几何图形上看,就是过点作函数的切线,切线与轴的交点就是,所以有,整理后也能得出牛顿迭代公式: 。 3 要保证迭代法收敛,不管非线性方程0的形式如何,总可以构造: 作为方程求解的迭代函数。因为: 而且在根附近越小,其局部收敛速度越快,故可令: 若0(即根不是0的重根),则由得:, 因此可令,则也可以得出迭代公式:。 4 迭代法的基本思想是将方程改写成等价的迭代形式,但随之而来的问题却是迭代公式不一定收敛,或者收敛的速度较慢。运用前述加速技巧,对于简单迭代过程,其加速公式具有形式: ,其中 记,上面两式可以合并写成: 这种迭代公式称作简单的牛顿公式,其相应的迭代函数是:。 需要注意的是,由于是的估计值,若取,则实际上便是的估计值。假设,则可以用代替上式中的,就可得到牛顿法的迭代公式:。 牛顿迭代法实质上是一种线性化方法,其基本思想是将非线性方程逐步归结为某种线性方程来求解。 3.4.2 牛顿迭代法的收敛性 牛顿迭代公式可以看成是由而获得的不动点迭代格式。这样就可以应用不动点迭代的收敛原则,只须证明在根附近的迭代函数是一个压缩映象。由于:, 这里的根是单根,即且,于是:。 那么由的连续性可知,存在一个邻域,对这个邻域内的一切,有:,其中O<<1,因此为区间上的一个压缩映象,于是有以下结论: 定理 3.4.1 设,是的精确解,且,则存在的邻域,对于任何迭代初值,迭代序列收敛于。 牛顿迭代法具有较高的收敛速度,它的收敛阶数为=2;而牛顿迭代法的局部收敛性较强,只有初值充分地接近,才能确保迭代序列的收敛性。为了放宽对局部收敛性的限制,必须再增加条件建立以下收敛的充分条件。 定理 3.4.2 设,且满足:在区间上, ⑴ ;⑵ ; ⑶ 不变号;⑷ ,满足条件: 则牛顿迭代序列,单调地收敛于方程的唯一解。 由条件⑴至条件⑷可归结为四种情形: ① ,,,; ② ,,,; ③ ,,,; ④ ,,,。 对定理的几何意义作如下说明:条件⑴保证了根的存在性;条件⑵表明函数单调变化,在区间内有惟一的根;条件⑶表示函数图形在区间上的凹向不变。条件⑶和条件⑷一起保证了每一次迭代值都界于区间内。 在不满足上述收敛充分条件时,有可能导致迭代值远离所求根的情况或死循环的情况(如下图所示)。 【例3.4.1】对于给定的正数,用牛顿法建立求平方根的收敛迭代公式。 解 令,(>0),则的正根就是。 用牛顿法求解的迭代公式是:, 公式(3.4.2) 由于当>0时,>0,>0,故由收敛定理可知,对于任意满足条件的初始近似值,由选代公式所产生的序列必定收敛于平方根。公式(3.4.2)是计算平方根的准确而有效的计算方法。 3.4.3 牛顿迭代法的变形 用牛顿法解方程,虽然在单根附近具有较快的收敛速度,但它有个明显的缺点,就是每次都要计算导数,当比较复杂时,计算可能很困难。下面介绍两种克服这种困难的方法,另外还介绍一种扩大牛顿迭代法初值选择范围的方法,它们统称为变形的牛顿迭代法。 1 简化牛顿法 为避免频繁地计算导数值,可将它取为固定值,比如在牛顿迭代公式中用代替,即在迭代过程中始终保持分母不变,则有简化牛顿迭代公式(或固定斜率切线法): 公式(3.4.3) 其几何意义如下图所示,这时除第一次迭代仍为曲线的切线外,其余皆为该切线的平行线。简化牛顿法避免了每次计算导数值。 更一般地,若取,则迭代公式成为:,称为推广的简化切线法。这时值应满足下式: 满足上式的为:,可见当与同号且满足上述不等式时,推广的简化切线法是收敛的。该迭代形式在参数法里也曾得到过。 2 由牛顿法的收敛性定理知,牛顿法对初始值的选取要求是很高的。一般地说,牛顿法只有局部收敛性。当初始值取得离根太远时,迭代将不收敛,而一

文档评论(0)

rovend + 关注
实名认证
内容提供者

该用户很懒,什么也没介绍

1亿VIP精品文档

相关文档