牛顿迭代法(Newton’s Method)迭代求根的Python程序

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牛顿迭代法(Newton’s Method)迭代求根的Python程序

2023-10-12 12:54| 来源: 网络整理| 查看: 265

迭代法的作用

许多复杂的求解问题,都可以转换成方程f(x)=0的求解问题。这一系列的解叫做方程的根。对于非线性方程的求解,在自变量范围内往往有多个解,我们将此变化区域分为多个小的子区间,对每个区间进行分别求解。我们在求解过程中,选取一个近似值或者近似区间,然后运用迭代方法逐步逼近真实解。 方程求根的常用迭代法有:二分法、不动点迭代、牛顿法、弦截法。

牛顿迭代法

牛顿迭代法(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。方法使用函数的泰勒级数的前面几项来寻找方程的根。

参考链接: 用python算微积分及牛顿迭代求解高阶方程

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牛顿迭代法基本思想

考察一般形式的函数方程f(x)=0,首先运用校正技术建立迭代公式,设已知它的近似根xk,则自然要求校正值x(k+1)=xk+∆x能更好的满足所给方程,即 f(xk+∆x)≈0,将其左端用线性主部f(xk)+f’(xk)* ∆x代替,而令f(xk)+f’(xk)*∆x=0,这是关于增量∆x的线性方程,据此定出∆x=-f(xk)/f’(xk),从而关于校正值x(k+1)=xk+∆x有如下计算公式:X(k+1)=xk-f(xk)/f’(xk)

这就是著名的牛顿公式。Newton法的突出优点是速度快,但它有个明显的缺点是每一步迭代需要提供导数值f’(xk),如果函数f(x)比较复杂,致使导数的计算比较困难,那么使用牛顿公式是不方便的。

牛顿迭代法优缺点

通常最高效的方法:牛顿法。它是求解方程f(x)=0的一种重要方法,它的最大优点是方程在单根附近具有较高的收敛速度,且算法逻辑简单。它还可以用于求代数方程的重根、复根。但是由于牛顿法是局部收敛的,它的收敛性依赖于初值x0的选取。并且每一步迭代除了需要计算f(Xk)外,还需要计算f(Xk)的导数,当f(x)比较复杂时(缺点明显),该方法是不方便的。

例题

求方程式:x = exp(-x)在0.5附近的根 即求方程式xexp(x)-1=0在0.5附近的根

约定一个误差,当误差小于某个数值的时候,迭代停止

代码如下:

from sympy import * x = symbols('x') x0 = 0.5 x_list = [x0] i = 0 def f(x): f = x * exp(x) - 1 return f while True: if diff(f(x),x).subs(x,x0) == 0: print('极值点:',x0) break else: x0 = x0 - f(x0)/diff(f(x),x).subs(x,x0) x_list.append(x0) if len(x_list) > 1: i += 1 error = abs((x_list[-1] - x_list[-2]) / x_list[-1]) if error


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