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``Newtonquer''-Iteration

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Aufgabe

Das Newtonsche Näherungsverfahren zum Bestimmen der Nullstellen kann man verändern, in dem man anstelle der Tangente in einem Kurvenpunkt (x0 |f(x0))  die Normale zur Tangente zeichnet. Die x  -Koordinate des Schnittpunktes der Normalen mit der x  -Achse liefert analog zur Netwoniteration den nächsten Iterationswert x1  . Wiederholtes Iterieren liefert dann eine Iterationsfolge x0  , x1  , x2  , x3  , ... .

  1. Wie lautet die Iterationsvorschrift der “Newtonquer-Iteration”?
  2. Wie lauten die ersten 5 Werte der Iterationsfolge für die Funktion f (x) = sinx  ausgehend vom Startwert x0 = p/6  ?
  3. Ein Fixpunkt einer solchen Iteration ist ein Wert x  , der sich im nächsten Iterationsschritt nicht mehr verändert. Bei der klassischen Newtoniteration sind die Nullstellen gerade Fixpunkte.
    1. Warum sind die Nullstellen auch Fixpunkte der Newtonquer-Iteration? Warum eignet sich aber die Newtonquer-Iteration trotzdem nicht zur Bestimmung der Nullstellen?
    2. Welche weiteren Kurvenpunkte sind ebenfalls Fixpunkte der Newtonquer-Iteration und können in vielen Fällen mit der Newtonquer-Iteration näherungsweise sehr elegant bestimmt werden?

Lösung

  1. Allgemeine Iterationsvorschrift
    x   = x  + f'(x )f˙(x )
 n+1   n      n    n
  2. Iterationsvorschrift
    xn+1 = xn + cosxn .sinxn
    1. Die Normale im Schnittpunkt des Graphen einer Funktion mit der x  -Achse schneidet die x  -Achse natürlich wieder im gleichen Punkt. In der näheren Umgebung einer Nullstelle führt die Newtonquer-Iteration aber in der Regel dazu, dass sich die Werte der Iterationsfolge von der Nullstelle entfernen.
    2. Punkte bei lokalen Minima oder Maxima lassen sich mit der Newtonquer-Iteration oft einfach berechnen.