牛顿法求方程根

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牛顿法

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牛顿法（Newton's method）又称为牛顿-拉弗森方法（Newton-Raphson method），它是一种在实数域和复数域上近似求解方程的方法。方法使用函数 $f(x)$ 的泰勒级数的前面几项来寻找方程 $f(x)=0$ 的根。

起源

牛顿法最初由艾萨克·牛顿在《流数法》（Method of Fluxions，1671年完成，在牛顿死后的1736年公开发表）。约瑟夫·拉弗森也曾于1690年在Analysis Aequationum中提出此方法。

方法说明

蓝线表示方程f而红线表示切线. 可以看出x_n+1比x_n更靠近f所要求的根x.

首先，选择一个接近函数 $f(x)$ 零点的 $x_0$ ，计算相应的 $f(x_0)$ 和切线斜率 $f'(x_0)$ （这里 $f'$ 表示函数 $f$ 的导数）。然后我们计算穿过点 $(x_0, f(x_0))$ 并且斜率为 $f'(x_0)$ 的直线和 $x$ 轴的交点的 $x$ 坐标，也就是求如下方程的解：

$f(x_0)= (x_0-x)\cdot f'(x_0)$

我们将新求得的点的 $x$ 坐标命名为 $x_1$ ，通常 $x_1$ 会比 $x_0$ 更接近方程 $f(x)=0$ 的解。因此我们现在可以利用 $x_1$ 开始下一轮迭代。迭代公式可化简为如下所示：

$x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)}$

已经证明，如果 $f'$ 是连续的，并且待求的零点 $x$ 是孤立的，那么在零点 $x$ 周围存在一个区域，只要初始值 $x_0$ 位于这个邻近区域内，那么牛顿法必定收敛。并且，如果 $f'(x)$ 不为0, 那么牛顿法将具有平方收敛的性能. 粗略的说，这意味着每迭代一次，牛顿法结果的有效数字将增加一倍。

其它例子

第一个例子

求方程f(x) = cos(x) − x³的根。两边求导，得f '(x) = −sin(x) − 3x²。由于-1 ≤ cos(x) ≤ 1（对于所有x），则-1 ≤x³ ≤ 1,即-1 ≤ x ≤ 1，可知方程的根位于0和1之间。我们从x₀ = 0.5开始。

$\begin{matrix} x_1 & = & x_0 - \frac{f(x_0)}{f'(x_0)} & = & 0.5 - \frac{\cos(0.5) - 0.5^3}{-\sin(0.5) - 3 \times 0.5^2} & = & 1.112141637097 \\ x_2 & = & x_1 - \frac{f(x_1)}{f'(x_1)} & = & \vdots & = & \underline{0.}909672693736 \\ x_3 & = & \vdots & = & \vdots & = & \underline{0.86}7263818209 \\ x_4 & = & \vdots & = & \vdots & = & \underline{0.86547}7135298 \\ x_5 & = & \vdots & = & \vdots & = & \underline{0.8654740331}11 \\ x_6 & = & \vdots &= & \vdots & = & \underline{0.865474033102}\end{matrix}$