![Page 1: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/1.jpg)
Das Newtonverfahren zurNullstellenbestimmung
![Page 2: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/2.jpg)
Inhalt:
1. Die Idee des Newtonverfahrens
2. Herleitung der allgemeinen Iterationsformel
3. Beispiele
4. Analyse der Konvergenzgeschwindigkeit
![Page 3: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/3.jpg)
Inhalt:
1. Die Idee des Newtonverfahrens
2. Herleitung der allgemeinen Iterationsformel
3. Beispiele
4. Analyse der Konvergenzgeschwindigkeit
![Page 4: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/4.jpg)
1. Die Idee des Newtonverfahrens
Das Newtonverfahren ist ein numerisches Verfahren zur Bestimmung
von Nullstellen von Funktionen.
Es ist einfach zu implementieren und konvergiert in der Regel sehr
schnell.
Die Idee ist die folgende:
![Page 5: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/5.jpg)
1. Die Idee des Newtonverfahrens
Waehle einen Startwert x0 und berechne f(x0) :
Newton Iteration
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
0 1 2 3 4 5
x
y
f(x)
x0
f(x0)
![Page 6: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/6.jpg)
1. Die Idee des Newtonverfahrens
Berechne die Tangente t0(x) an f(x0) :
Newton Iteration
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
0 1 2 3 4 5
x
y
f(x)
t0(x)
x0
f(x0)
![Page 7: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/7.jpg)
1. Die Idee des Newtonverfahrens
Berechne die Nullstelle x1 der Tangente t0(x) und berechne f(x1) :
Newton Iteration
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
0 1 2 3 4 5
x
y
f(x)
t0(x)
x0 x1
f(x0)
f(x1)
![Page 8: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/8.jpg)
1. Die Idee des Newtonverfahrens
Berechne die Tangente t1(x) an f(x1) :
Newton Iteration
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
0 1 2 3 4 5
x
y
f(x)
t0(x)
t1(x)
x0 x1
f(x1)
![Page 9: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/9.jpg)
1. Die Idee des Newtonverfahrens
Berechne die Nullstelle x2 der Tangente t1(x) und berechne f(x2) :
Newton Iteration
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
0 1 2 3 4 5
x
y
f(x)
t0(x)
t1(x)f(x2)
x0 x1 x2
![Page 10: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/10.jpg)
1. Die Idee des Newtonverfahrens
Berechne die Tangente t2(x) an f(x2) :
Newton Iteration
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
0 1 2 3 4 5
x
y
f(x)
t0(x)
t1(x)
t2(x)
x0 x1 x2
f(x2)
![Page 11: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/11.jpg)
1. Die Idee des Newtonverfahrens
Berechne die Nullstelle x3 der Tangente t2(x) und berechne f(x3) :
Newton Iteration
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
0 1 2 3 4 5
x
y
f(x)
t0(x)
t1(x)
t2(x)
x0 x1 x2 x3
f(x3)
![Page 12: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/12.jpg)
1. Die Idee des Newtonverfahrens
Berechne die Tangente t3(x) an f(x3) und so weiter...
Newton Iteration
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
0 1 2 3 4 5
x
y
f(x)
t0(x)
t1(x)
t2(x)
t3(x)
x0 x1 x2 x3
f(x3)
![Page 13: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/13.jpg)
Inhalt:
1. Die Idee des Newtonverfahrens
2. Herleitung der allgemeinen Iterationsformel
3. Beispiele
4. Analyse der Konvergenzgeschwindigkeit
![Page 14: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/14.jpg)
2. Herleitung der allgemeinen Iterationsformel
Waehle einen Startwert x0 und berechne f(x0) .
Berechne die Tangente t0(x) an f(x0) :
die Tangente ist der lineare Teil der Taylorentwicklung:
f(x) = f(x0) + f´(x0) (x-x0) + 1/2 f´´(x0) (x-x0)2 + 1/6 f´´´(x0) (x-x0)
3 + ...
Tangentengleichung:
t(x) = t0(x) = f(x0) + f´(x0) (x-x0)
![Page 15: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/15.jpg)
2. Herleitung der allgemeinen Iterationsformel
f(x) = f(x0) + f´(x0) (x-x0) + 1/2 f´´(x0) (x-x0)2 + 1/6 f´´´(x0) (x-x0)
3 + ...
Taylor Approximations for f(x), x_0 = 2
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
0 1 2 3 4 5
f(x)
linear
quadratic
cubic
quartic
f(x0)
x0
![Page 16: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/16.jpg)
2. Herleitung der allgemeinen Iterationsformel
Bestimme die Nullstelle der Tangente:
Berechne jetzt die Tangente an f(x1)
und bestimme die Nullstelle dieser Tangente:
![Page 17: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/17.jpg)
2. Herleitung der allgemeinen Iterationsformel
Nach n Iterationen: Berechne die Tangente an f(xn) und bestimme
die Nullstelle dieser Tangente:
Also lautet die allgemeine Iterationsformel:
![Page 18: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/18.jpg)
Inhalt:
1. Die Idee des Newtonverfahrens
2. Herleitung der allgemeinen Iterationsformel
3. Beispiele
4. Analyse der Konvergenzgeschwindigkeit
![Page 19: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/19.jpg)
3. Beispiele
Beispiele mit schneller Konvergenz (das ist der Standard-Fall):
f_a(x) = 1 - a / x^2
a 2 3 4 9 16sqrt(a) 1.4142135624 1.7320508076 2.0000000000 3.0000000000 4.0000000000
n x_n x_n x_n x_n x_n0 1.0000000000 1.0000000000 1.0000000000 1.0000000000 1.00000000001 1.2500000000 1.3333333333 1.3750000000 1.4444444444 1.46875000002 1.3867187500 1.6049382716 1.7375488281 1.9992379210 2.10411167143 1.4134169370 1.7184002238 1.9505992616 2.5549202962 2.86505800754 1.4142128894 1.7318898577 1.9981847452 2.9058502777 3.56264972785 1.4142135624 1.7320507851 1.9999975294 2.9956142793 3.93088597386 1.4142135624 1.7320508076 2.0000000000 2.9999903874 3.99821903627 1.4142135624 1.7320508076 2.0000000000 3.0000000000 3.99999881078 1.4142135624 1.7320508076 2.0000000000 3.0000000000 4.00000000009 1.4142135624 1.7320508076 2.0000000000 3.0000000000 4.0000000000
10 1.4142135624 1.7320508076 2.0000000000 3.0000000000 4.000000000011 1.4142135624 1.7320508076 2.0000000000 3.0000000000 4.000000000012 1.4142135624 1.7320508076 2.0000000000 3.0000000000 4.000000000013 1.4142135624 1.7320508076 2.0000000000 3.0000000000 4.000000000014 1.4142135624 1.7320508076 2.0000000000 3.0000000000 4.000000000015 1.4142135624 1.7320508076 2.0000000000 3.0000000000 4.0000000000
![Page 20: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/20.jpg)
3. Beispiele
Ein Beispiel ohne Konvergenz (das ist die Ausnahme):
Newton Iteration: Oszillating Behaviour g(x) = x^3 - 2x + 2
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
x
y
g(x)
t0(x)
t1(x)
g(x) = x^3 - 2x + 2
n x_n0 0.001 1.002 0.003 1.004 0.005 1.006 0.007 1.008 0.009 1.00
10 0.0011 1.0012 0.0013 1.0014 0.0015 1.00
![Page 21: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/21.jpg)
Inhalt:
1. Die Idee des Newtonverfahrens
2. Herleitung der allgemeinen Iterationsformel
3. Beispiele
4. Analyse der Konvergenzgeschwindigkeit
![Page 22: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/22.jpg)
4. Analyse der Konvergenzgeschwindigkeit
Das Newtonverfahren konvergiert sehr schnell (wenn es konvergiert),
es hat eine ‘‘quadratische Konvergenz``:
mit einer Konstanten
BEWEIS: Mit Taylorentwicklung 2. Ordnung:
![Page 23: Das Newtonverfahren zur Nullstellenbestimmunghsrm-mathematik.de/SS2019/semester4/ExcelVBA/Newtonverfa... · 2019. 3. 25. · 1. Die Idee des Newtonverfahrens Das Newtonverfahren ist](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022071421/611ab1e418d6da78197ae11f/html5/thumbnails/23.jpg)
4. Analyse der Konvergenzgeschwindigkeit
Fortsetzung BEWEIS: Sei xNullstelle eine Nullstelle, f(xNullstelle) = 0 .
Dann:
Also:
mit einer Konstanten BEWEISENDE