牛頓法
牛頓法(英語:Newton's method)又稱為牛頓-拉弗森方法(英語:Newton-Raphson method),它是一種在實數體和複數體上近似求解方程式的方法。方法使用函數的泰勒級數的前面幾項來尋找方程式的根。
起源
牛頓法最初由艾薩克·牛頓在《流數法》(Method of Fluxions,1671年完成,在牛頓去世後於1736年公開發表)中提出。約瑟夫·鮑易也曾於1690年在Analysis Aequationum中提出此方法。
方法說明
首先,選擇一個接近函數 零點的 ,計算相應的 和切線斜率 (這裡 表示函數 的導數)。然後我們計算穿過點 並且斜率為 的直線和 軸的交點的 坐標,也就是求如下方程式的解:
我們將新求得的點的 坐標命名為 ,通常 會比 更接近方程式 的解。因此我們現在可以利用 開始下一輪疊代。疊代公式可化簡為如下所示:
已有證明牛頓疊代法的二次收斂[1]必須滿足以下條件:
; 對於所有 ,其中 為區間[α − r, α + r],且 在區間其中 內,即 的;
對於所有 , 是連續的;
足夠接近根 α。
然而當 在 處有m重根時,這時牛頓法會降為線性收斂,雖然使用牛頓法也可以繼續算下去,但收斂速度會減慢。[2]
其它例子
第一個例子
求方程式 的根。令 ,兩邊求導,得 。由於 ,則 ,即 ,可知方程式的根位於 和 之間。我們從 開始。
第二個例子
牛頓法亦可發揮與泰勒展開式,對於函式展開的功能。
求 的 次方根。
設 ,
而a的m次方根,亦是x的解,
以牛頓法來疊代:
(或 )
應用
求解最值問題
牛頓法也被用於求函數的極值。由於函數取極值的點處的導數值為零,故可用牛頓法求導函數的零點,其疊代式為
求反曲點的公式以此類推
電腦程式
可以用程式寫出牛頓法:
例題: 求x
用Python:
from math import pow
def f(x):
y = pow(x,3)-(10*x*x)+x+1
return y
def dx(x):
y = (3*x*x)-(20*x)+1
return y
x = 1
for i in range(1000):
x = x - (f(x)/dx(x))
print(x)
用C語言:
#include <stdio.h>
#include <math.h>
double x = 1.0;
double f(double x){
double y = pow(x,3)-(10*x*x)+x+1;
return y;}
double dx(double x){
double y = (3*x*x)-(20*x)+1;
return y;}
int main (){
for(int i=0;i<1000;i++){
x = x - (f(x)/dx(x));}
printf(" %f",x);
return 0;
}
只要修改f(x)和dx(x)函數就可以解其他方程式
註解
- ^ 存档副本 (PDF). [2018-06-26]. (原始內容存檔 (PDF)於2021-04-24).
- ^ 張宏偉,金光日,施吉林,董波 (編). 计算机科学计算 2013年第2版. 北京: 高等教育出版社. 2005: 138. ISBN 9787040365955.
外部連結
- JAVA:牛頓勘根法 (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) (繁體中文)