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品牌网站建设案例,成都专业做网站公司哪家好,深圳创新投资公司官网,搭建好网站生情好域名后怎么做1. 不动点定理及其条件验证2. 收敛阶、收敛检测与收敛加速2.1 如何估计不动点迭代的收敛阶xk1g(xk){x}_{{k}1}{g}\left({x}_{{k}}\right)xk1​g(xk​)2.2 给定精度的情况下#xff0c;如何预测不动点迭代需要迭代的次数2.3 如何加快收敛的速度2.4 停止不定点迭代的条件2.5 不动…1. 不动点定理及其条件验证2. 收敛阶、收敛检测与收敛加速2.1 如何估计不动点迭代的收敛阶xk1g(xk){x}_{{k}1}{g}\left({x}_{{k}}\right)xk1​g(xk​)2.2 给定精度的情况下如何预测不动点迭代需要迭代的次数2.3 如何加快收敛的速度2.4 停止不定点迭代的条件2.5 不动点迭代的两个缺点3. 应用如何求解非线性方程组f(x)0f(x)0f(x)0的解3.1 二分法(Bisection Method of Bolzano)3.2 试位法(False Position Method)3.3 牛顿-拉夫逊方法(Newton-Raphson method)3.4 割线法(Secant Method)3.5 Aitken过程加速3.6 Muller方法Mullers method4. 其他问题4.1 如何寻找初值4.2 收敛条件4.3 算法的收敛速度对比4.4 算法的选择1. 不动点定理及其条件验证 不动点定义Pg(P){P}{g}({P})Pg(P) 不定点迭代xk1g(xk){x}_{{k}1}{g}\left({x}_{{k}}\right)xk1​g(xk​) 定理 如果g(xk)g({x_k})g(xk​)是连续的并且序列xk{x_k}xk​是收敛的xk{x_k}xk​收敛到方程的解xg(x){x}g({x})xg(x) x∗g(x∗)and xk−x∗{x}^{*}{g}\left({x}^{*}\right) \text { and } {x}_{{k}}-{x}^{*}x∗g(x∗) and xk​−x∗ 定理 假设 (1) 对于g(x)g(x)g(x)g′(x)∈C[a,b]g(x)\in C[a,b]g′(x)∈C[a,b]连续 (2) KKK是一个正的常数 (3) p0∈(a,b)p_0\in(a,b)p0​∈(a,b) (4) g(x)∈[a,b],∀x∈[a,b]g(x)\in[a,b],\forall x\in[a,b]g(x)∈[a,b],∀x∈[a,b] 那么 (a) 如果∣g′(x)∣≤K1∀x∈[a,b],xk1g(xk)\left|\mathrm{g}^{\prime}(x)\right| \leq \mathrm{K}1 \forall x \in[\mathrm{a}, \mathrm{b}], \mathrm{x}_{\mathrm{k}1}\mathrm{g}\left(\mathrm{x}_{\mathrm{k}}\right)∣g′(x)∣≤K1∀x∈[a,b],xk1​g(xk​)收敛。 (b) 如果∣g′(x)∣1∀x∈[a,b],xk1g(xk)\left|\mathrm{g}^{\prime}(x)\right|1 \forall x \in[\mathrm{a}, \mathrm{b}], \mathrm{x}_{\mathrm{k}1}\mathrm{g}\left(\mathrm{x}_{\mathrm{k}}\right)∣g′(x)∣1∀x∈[a,b],xk1​g(xk​)不收敛 曲线的切线斜率k∈(−1,1)k\in(-1,1)k∈(−1,1)看下面的图逐渐收敛 曲线的切线斜率k∈[−∞,−1)∪(1,∞]k\in[-\infty,-1)\cup (1,\infty]k∈[−∞,−1)∪(1,∞]看下面的图不收敛 综上所述不动点迭代满足最重要的是 (1)∣g′(x)∣≤K1,∀x∈[a,b]【g′(x)的边界条件】(2)g(x)∈[a,b]∀x∈[a,b]并且有g([a,b])⊂[a,b]【g(x)的边界条件】\begin{aligned}(1) \left|\mathrm{g}^{\prime}(x)\right| \leq \mathrm{K}1 ,\forall x \in[\mathrm{a}, \mathrm{b}] 【g(x)的边界条件】\\ (2) \mathrm{g}(x) \in[\mathrm{a}, \mathrm{b}] \forall x \in[\mathrm{a}, \mathrm{b}] 并且有g([a, b]) \subset[a, b] 【g(x)的边界条件】\end{aligned}​(1)∣g′(x)∣≤K1,∀x∈[a,b](2)g(x)∈[a,b]∀x∈[a,b]并且有g([a,b])⊂[a,b]​【g′(x)的边界条件】【g(x)的边界条件】​ 单调和非单调要分别判断边界条件单调的g(x)的范围看端点就可以了非单调还要看极值点。 2. 收敛阶、收敛检测与收敛加速 定义; ∣xk1−x∗∣≤C∣xk−x∗∣p,kM, for C0,p0\left|x_{k1}-x^{*}\right| \leq C\left|x_{k}-x^{*}\right|^{p}, kM \text {, for } C0, p0∣xk1​−x∗∣≤C∣xk​−x∗∣p,kM, for C0,p0 或 lim⁡k→∞∣xk1−x∗∣∣xk−x∗∣pC\lim _{k \rightarrow \infty} \frac{\left|x_{k1}-x^{*}\right|}{\left|x_{k}-x^{*}\right|^{p}}Ck→∞lim​∣xk​−x∗∣p∣xk1​−x∗∣​C 为ppp阶收敛 其中 p1p1p1 , 线性收敛linear convergence 1p21p21p2 , 超线性收敛superlinear convergence p2p2p2 , 平方收敛square convergence 2.1 如何估计不动点迭代的收敛阶xk1g(xk){x}_{{k}1}{g}\left({x}_{{k}}\right)xk1​g(xk​) 定理;设x∗x^*x∗是最优解如果g′(x∗)g′′(x∗)…g(p−1)(x∗)0g^{\prime}\left(x^{*}\right)g^{\prime \prime}\left(x^{*}\right)\ldotsg^{(p-1)}\left(x^{*}\right)0g′(x∗)g′′(x∗)…g(p−1)(x∗)0, g(p)(x∗)≠0g^{(p)}\left(x^{*}\right) \neq 0g(p)(x∗)0 xk1g(xk)x_{k1}g\left(x_{k}\right)xk1​g(xk​)是 ppp阶收敛。 证明 xk1g(xk)g(x∗)g′(x∗)(xk−x∗)…g(p−1)(x∗)(xk−x∗)p−1(p−1)!g(p)(ξ)(xk−x∗)pp!,【ξ∈[xk,x∗]或[x∗,xk]】⇒xk1x∗g(p)(ξ)(xk−x∗)pp!⇒xk1−x∗(xk−x∗)pg(p)(ξ)p!→g(p)(x∗)p!\begin{aligned} x_{k1}g\left(x_{k}\right)g\left(x^{*}\right)g^{\prime}\left(x^{*}\right)\left(x_{k}-x^{*}\right)\ldots\\\frac{g^{(p-1)}\left(x^{*}\right)\left(x_{k}-x^{*}\right)^{p-1}}{(p-1) !} \frac{g^{(p)}(\xi)\left(x_{k}-x^{*}\right)^{p}}{p !}, \quad【\xi \in\left[x_{k}, x^{*}\right] 或\left[x^{*}, x_{k}\right] 】\\ \Rightarrow x_{k1}x^{*}\frac{g^{(p)}(\xi)\left(x_{k}-x^{*}\right)^{p}}{p !} \\ \Rightarrow \frac{x_{k1}-x^{*}}{\left(x_{k}-x^{*}\right)^{p}}\frac{g^{(p)}(\xi)}{p !} \rightarrow \frac{g^{(p)}\left(x^{*}\right)}{p !} \end{aligned}xk1​⇒⇒​g(xk​)g(x∗)g′(x∗)(xk​−x∗)…(p−1)!g(p−1)(x∗)(xk​−x∗)p−1​p!g(p)(ξ)(xk​−x∗)p​,【ξ∈[xk​,x∗]或[x∗,xk​]】xk1​x∗p!g(p)(ξ)(xk​−x∗)p​(xk​−x∗)pxk1​−x∗​p!g(p)(ξ)​→p!g(p)(x∗)​​ 2.2 给定精度的情况下如何预测不动点迭代需要迭代的次数 定义Lmax⁡x∈[a,b]{∣g′(x)∣}1L\max _{x \in[a, b]}\left\{\left|g^{\prime}(x)\right|\right\}1Lmaxx∈[a,b]​{∣g′(x)∣}1 迭代的次数满足k≥ln⁡(ε(1−L)/∣x1−x0∣)/ln⁡Lk \geq \ln \left(\varepsilon(1-L) /\left|x_{1}-x_{0}\right|\right) / \ln Lk≥ln(ε(1−L)/∣x1​−x0​∣)/lnL 证明 xk1g(xk)g(x∗)g′(ξ)(xk−x∗)x∗g′(ξ)(xk−x∗)⇒∣xk1−x∗∣≤∣g′(ξ)∥(xk−x∗)∣≤L∣xk−x∗∣≤Lk∣x1−x∗∣\begin{aligned}x_{k1}g\left(x_{k}\right)g\left(x^{*}\right)g^{\prime}(\xi)\left(x_{k}-x^{*}\right)x^{*}g^{\prime}(\xi)\left(x_{k}-x^{*}\right)\\ \Rightarrow \left|x_{k1}-x^{*}\right| \leq\left|g^{\prime}(\xi) \|\left(x_{k}-x^{*}\right)\right| \leq L\left|x_{k}-x^{*}\right|\le L^{k}\left|x_{1}-x^{*}\right|\end{aligned}xk1​g(xk​)g(x∗)g′(ξ)(xk​−x∗)x∗g′(ξ)(xk​−x∗)⇒∣xk1​−x∗∣≤∣g′(ξ)∥(xk​−x∗)∣≤L∣xk​−x∗∣≤Lk∣x1​−x∗∣​ 又有 ∣xk1−xk∣∣g(xk)−g(xk−1)∣≤L∣xk−xk−1∣≤Lk∣x1−x0∣\left|x_{k1}-x_{k}\right|\left|g\left(x_{k}\right)-g\left(x_{k-1}\right)\right| \leq L\left|x_{k}-x_{k-1}\right| \leq L^{k}\left|x_{1}-x_{0}\right| ∣xk1​−xk​∣∣g(xk​)−g(xk−1​)∣≤L∣xk​−xk−1​∣≤Lk∣x1​−x0​∣ 于是有 ∣xkq−xk∣≤∣xkq−xkq−1∣∣xkq−1−xkq−2∣…∣xk1−xk∣≤(Lq−1Lq−2…1)∣xk1−xk∣(1LL2…Lq−1…)∣xk1−xk∣11−L∣xk1−xk∣≤Lk1−L∣x1−x0∣\begin{aligned} \left|x_{kq}-x_{k}\right| \leq\left|x_{kq}-x_{kq-1}\right|\left|x_{kq-1}-x_{kq-2}\right|\ldots\left|x_{k1}-x_{k}\right| \\ \leq\left(L^{q-1}L^{q-2}\ldots1\right)\left|x_{k1}-x_{k}\right|\\\left(1LL^{2}\ldotsL^{q-1}\ldots\right)\left|x_{k1}-x_{k}\right|\\ \frac{1}{1-L}\left|x_{k1}-x_{k}\right| \\\leq \frac{L^{k}}{1-L}\left|x_{1}-x_{0}\right| \end{aligned}​∣xkq​−xk​∣≤∣xkq​−xkq−1​∣∣xkq−1​−xkq−2​∣…∣xk1​−xk​∣≤(Lq−1Lq−2…1)∣xk1​−xk​∣(1LL2…Lq−1…)∣xk1​−xk​∣1−L1​∣xk1​−xk​∣≤1−LLk​∣x1​−x0​∣​ 让q→∞q \rightarrow \inftyq→∞有 ∣x∗−xk∣≤11−L∣xk1−xk∣≤Lk1−L∣x1−x0∣\left|x^{*}-x_{k}\right| \leq \frac{1}{1-L}\left|x_{k1}-x_{k}\right| \leq \frac{L^{k}}{1-L}\left|x_{1}-x_{0}\right|∣x∗−xk​∣≤1−L1​∣xk1​−xk​∣≤1−LLk​∣x1​−x0​∣ 于是 Lk1−L∣x1−x0∣≤ε⇒k≥ln⁡(ε(1−L)/∣x1−x0∣)/ln⁡L\frac{L^{k}}{1-L}\left|x_{1}-x_{0}\right| \leq \varepsilon \Rightarrow k \geq \ln \left(\varepsilon(1-L) /\left|x_{1}-x_{0}\right|\right) / \ln L1−LLk​∣x1​−x0​∣≤ε⇒k≥ln(ε(1−L)/∣x1​−x0​∣)/lnL 2.3 如何加快收敛的速度 xk1−x∗≈L(xk−x∗)xk2−x∗≈L(xk1−x∗)xk1−x∗xk2−x∗≈xk−x∗xk1−x∗⇒x∗≈xk−(xk1−xk)2xk2−2xk1xkxΔ\begin{aligned} x_{k1}-x^{*} \approx L\left(x_{k}-x^{*}\right) \\ x_{k2}-x^{*} \approx L\left(x_{k1}-x^{*}\right) \\ \frac{x_{k1}-x^{*}}{x_{k2}-x^{*}} \approx \frac{x_{k}-x^{*}}{x_{k1}-x^{*}} \Rightarrow\quad x^{*} \approx x_{k}-\frac{\left(x_{k1}-x_{k}\right)^{2}}{x_{k2}-2 x_{k1}x_{k}}x^{\Delta} \end{aligned}​xk1​−x∗≈L(xk​−x∗)xk2​−x∗≈L(xk1​−x∗)xk2​−x∗xk1​−x∗​≈xk1​−x∗xk​−x∗​⇒x∗≈xk​−xk2​−2xk1​xk​(xk1​−xk​)2​xΔ​ 根据上面的思路我们可以 Iterationxˉk1g(xk)Onemorex^k1g(xˉk1)Tospeedupxk1xk−(xˉk1−xk)2x^k1−2xˉk1xk\begin{aligned}Iteration \quad \bar{x}_{k1}g\left(x_{k}\right) \\ One more \quad \hat{x}_{k1}g\left(\bar{x}_{k1}\right) \\ To\, speed \,up \quad x_{k1}x_{k}-\frac{\left(\bar{x}_{k1}-x_{k}\right)^{2}}{\hat{x}_{k1}-2 \bar{x}_{k1}x_{k}} \end{aligned}IterationOnemoreTospeedup​xˉk1​g(xk​)x^k1​g(xˉk1​)xk1​xk​−x^k1​−2xˉk1​xk​(xˉk1​−xk​)2​​ 2.4 停止不定点迭代的条件 当Lmax⁡x∈[a,b]{∣g′(x)∣}1L\max _{x \in[a, b]}\left\{\left|g^{\prime}(x)\right|\right\}1Lmaxx∈[a,b]​{∣g′(x)∣}1时可以使用下面的条件 ∣xk1−xk∣eps\left|x_{\mathrm{k}1}-x_{\mathrm{k}}\right|\mathrm{eps}∣xk1​−xk​∣eps 2.5 不动点迭代的两个缺点 很难估计L(max⁡x∈[a,b]{∣g′(x)∣})L(\max _{x \in[a, b]}\left\{\left|g^{\prime}(x)\right|\right\})L(maxx∈[a,b]​{∣g′(x)∣})L1L1L1时无法收敛。 3. 应用如何求解非线性方程组f(x)0f(x)0f(x)0的解 3.1 二分法(Bisection Method of Bolzano) 算法的流程 用一个区间找到一个根。用中点分割该区间。选择其中的一个子区间作为新的位置。 ax0,bx0hcab2f(a)f(b)0,\begin{aligned} ax_{0}, \quad bx_{0}h \\ c\frac{ab}{2}\\ f(a) f(b)0, \end{aligned}​ax0​,bx0​hc2ab​f(a)f(b)0,​ 于是 [a,b]→[a1,b1]→[a2,b2]→…→[an,bn]aa0≤a1≤⋯≤an≤⋯≤r≤⋯≤bn≤⋯≤b1≤b0b\begin{aligned} {[{a}, {b}]\rightarrow\left[{a}_{1}, {~b}_{1}\right]\rightarrow \left[{a}_{2}, {~b}_{2}\right]\rightarrow\ldots\rightarrow\left[{a}_{{n}}, {b}_{{n}}\right]} \\ aa_{0} \leq a_{1} \leq \cdots \leq a_{n} \leq \cdots \leq r \leq \cdots \leq b_{n} \leq \cdots \leq b_{1} \leq b_{0}b \end{aligned}​[a,b]→[a1​, b1​]→[a2​, b2​]→…→[an​,bn​]aa0​≤a1​≤⋯≤an​≤⋯≤r≤⋯≤bn​≤⋯≤b1​≤b0​b​ 定义rrr是精确解。 ∣r−cn∣≤b−a2n1,for n0,1,2,…cnanbn2\begin{aligned} \left|r-c_{n}\right| \leq \frac{b-a}{2^{n1}}, \text { for } n0,1,2, \ldots \\ c_{n}\frac{a_{n}b_{n}}{2} \end{aligned}​∣r−cn​∣≤2n1b−a​, for n0,1,2,…cn​2an​bn​​​ 迭代次数N ∣r−cn∣≤b−a2n1δ2n1b−aδ(n1)ln⁡2ln⁡(b−a)−ln⁡δn1ln⁡(b−a)−ln⁡δln⁡2Nint⁡(ln⁡(b−a)−ln⁡δln⁡2)\begin{aligned} \left|r-c_{n}\right| \leq \frac{b-a}{2^{n1}}\delta \\ 2^{n1}\frac{b-a}{\delta} \\ (n1) \ln 2\ln (b-a)-\ln \delta \\ n1\frac{\ln (b-a)-\ln \delta}{\ln 2} \\ N\operatorname{int}\left(\frac{\ln (b-a)-\ln \delta}{\ln 2}\right) \end{aligned}​∣r−cn​∣≤2n1b−a​δ2n1δb−a​(n1)ln2ln(b−a)−lnδn1ln2ln(b−a)−lnδ​Nint(ln2ln(b−a)−lnδ​)​ 简单地利用二分法可以判断区间内有没有零点区间内有变号【可取最大值和最小值】 3.2 试位法(False Position Method) 算法的流程 用一个区间找到一个根。以割线与X轴的交点划分区间。(过程中仍然保证端点的异号让区间包含零点)选择其中一个子区间作为新的位置。 cb−f(b)(b−a)f(b)−f(a)c1→c2→…→r[an,bn]→[a,c]:[an1,bn1]cb-\frac{f(b)(b-a)}{f(b)-f(a)}\\ c_{1}\rightarrow c_{2}\rightarrow \ldots\rightarrow r\\ \left[a_{n}, b_{n}\right]\rightarrow [a, c]:\left[a_{n1}, b_{n1}\right]cb−f(b)−f(a)f(b)(b−a)​c1​→c2​→…→r[an​,bn​]→[a,c]:[an1​,bn1​] 缺点在凹函数下不适用不会收敛。 3.3 牛顿-拉夫逊方法(Newton-Raphson method) 我们知道不动点迭代能不能用到求解非线性方程组呢 使用泰勒展式 f(xk1)f(xk)f′(xk)(xk1−xk)O(∣d∣2)0f(x_{k1})f\left(x_{{k}}\right)f^{\prime}\left(x_{{k}}\right) (x_{k1}-x_k){O}\left(|d|^{2}\right)0f(xk1​)f(xk​)f′(xk​)(xk1​−xk​)O(∣d∣2)0 于是我们可以让 f(xk)f′(xk)(xk1−xk)0f\left(x_{\mathrm{k}}\right)f^{\prime}\left(x_{\mathrm{k}}\right)\left(x_{{k}1}-x_{{k}}\right)0f(xk​)f′(xk​)(xk1​−xk​)0 使得 xk1xk−f(xk)/f′(xk)g(xk)x_{\mathrm{k}1}x_{{k}}-f\left(x_{\mathrm{k}}\right) / f^{\prime}\left(x_{\mathrm{k}}\right)g(x_k)xk1​xk​−f(xk​)/f′(xk​)g(xk​) 总结Newton-Raphson方法即 f(x)0xg(x)x−f(x)f′(x)xk1g(xk)xk−f(xk)f′(xk)\begin{array}{l} f(x)0 \\ xg(x)x-\frac{f(x)}{f^{\prime}(x)} \\ x_{k1}g\left(x_{k}\right)x_{k}-\frac{f\left(x_{k}\right)}{f^{\prime}\left(x_{k}\right)} \end{array}f(x)0xg(x)x−f′(x)f(x)​xk1​g(xk​)xk​−f′(xk​)f(xk​)​​ 我们可以证明在解的附近Newton-Raphson方法是收敛的。 证明 g(x)x−f(x)/f′(x)g(x)x-f(x) / f^{\prime}(x)g(x)x−f(x)/f′(x) g′(x)1−f′(x)f′(x)−f(x)f′′(x)[f′(x)]2f(x)f′′(x)[f′(x)]2g^{\prime}(x)1-\frac{f^{\prime}(x) f^{\prime}(x)-f(x) f^{\prime \prime}(x)}{\left[f^{\prime}(x)\right]^{2}}\frac{f(x) f^{\prime \prime}(x)}{\left[f^{\prime}(x)\right]^{2}}g′(x)1−[f′(x)]2f′(x)f′(x)−f(x)f′′(x)​[f′(x)]2f(x)f′′(x)​ 我们知道不动点的条件是∣g′(x)∣K1\left|g^{\prime}(x)\right|K1∣g′(x)∣K1当我们取的邻域足够小条件g([a,b])⊂[a,b]g([a, b]) \subset[a, b]g([a,b])⊂[a,b]会满足注意到f(x∗)0f(x^*)0f(x∗)0在解的邻域附近因为f(x)0f(x)0f(x)0所以g′(x)0g(x)0g′(x)0。 各种条件下的推导不做要求想了解可以看一下 f′(x∗)0and f′′(x∗)0,g([x∗−δ,x∗δ])⊂[x∗−δ,x∗δ]f^{\prime}\left(x^{*}\right)0 \text { and } f^{\prime \prime}\left(x^{*}\right)0, \,\,\,\,g\left(\left[x^{*}-\delta, x^{*}\delta\right]\right) \subset\left[x^{*}-\delta, x^{*}\delta\right]f′(x∗)0 and f′′(x∗)0,g([x∗−δ,x∗δ])⊂[x∗−δ,x∗δ] x∗−δg(x∗−δ)(x∗−δ)−f(x∗−δ)f′(x∗−δ)⇔0−f(x∗−δ)f′(x∗−δ)⇔f(x∗−δ)f′(x∗−δ)0⇔f(x∗−δ)0⇔f(x∗)−f′(ξ)δ0【ξ∈[x∗−δ,x∗]】⇔−f′(ξ)δ0⇒∃δ10,f′(ξ)0,for x∗−ξδ1\begin{aligned} x^{*}-\deltag\left(x^{*}-\delta\right)\left(x^{*}-\delta\right)-\frac{f\left(x^{*}-\delta\right)}{f^{\prime}\left(x^{*}-\delta\right)} \\ \Leftrightarrow 0-\frac{f\left(x^{*}-\delta\right)}{f^{\prime}\left(x^{*}-\delta\right)} \\ \Leftrightarrow \frac{f\left(x^{*}-\delta\right)}{f^{\prime}\left(x^{*}-\delta\right)}0 \\ \Leftrightarrow f\left(x^{*}-\delta\right)0 \\ \Leftrightarrow f\left(x^{*}\right)-f^{\prime}(\xi) \delta0 【\xi\in[x^*-\delta,x^*]】\\ \Leftrightarrow-f^{\prime}(\xi) \delta0\\ \Rightarrow\exists \delta_10, f^{\prime}(\xi)0, \text { for } x^{*}-\xi\delta_1 \\ \end{aligned}⇔⇔⇔⇔⇔⇒​x∗−δg(x∗−δ)(x∗−δ)−f′(x∗−δ)f(x∗−δ)​0−f′(x∗−δ)f(x∗−δ)​f′(x∗−δ)f(x∗−δ)​0f(x∗−δ)0f(x∗)−f′(ξ)δ0【ξ∈[x∗−δ,x∗]】−f′(ξ)δ0∃δ1​0,f′(ξ)0, for x∗−ξδ1​​ 又有 f′′(x∗)0⇒∃δ20,f′′(x)0【保号性】⇒g′(x)f(x)f′′(x)[f′(x)]20,for x∗−xδ2【δ2足够小导数保号性f′(x)0,xx∗,f(x∗)0f(x)0】\begin{aligned} f^{\prime \prime}\left(x^{*}\right)0\\ \Rightarrow \exists \delta_20, f^{\prime \prime}(x)0 【保号性】\\ \Rightarrow g^{\prime}(x)\frac{f(x) f^{\prime \prime}(x)}{\left[f^{\prime}(x)\right]^{2}}0, \text { for } x^{*}-x\delta_2\\ 【\delta_2足够小导数保号性f(x)0,xx^*,f(x^*)0f(x)0】 \end{aligned}⇒⇒​f′′(x∗)0∃δ2​0,f′′(x)0【保号性】g′(x)[f′(x)]2f(x)f′′(x)​0, for x∗−xδ2​【δ2​足够小导数保号性f′(x)0,xx∗,f(x∗)0f(x)0】​ 当δmin⁡{δ1,δ2}\delta\min\{\delta_1,\delta_2\}δmin{δ1​,δ2​}有 x∗−δg(x∗−δ)g(x),for x∗−xδx^{*}-\deltag\left(x^{*}-\delta\right)g(x), \text { for } x^{*}-x\deltax∗−δg(x∗−δ)g(x), for x∗−xδf′(x∗)0and f′′(x∗)0,g([x∗−δ,x∗δ])⊂[x∗−δ,x∗δ]f^{\prime}\left(x^{*}\right)0 \text { and } f^{\prime \prime}\left(x^{*}\right)0, \,\,\,\,g\left(\left[x^{*}-\delta, x^{*}\delta\right]\right) \subset\left[x^{*}-\delta, x^{*}\delta\right]f′(x∗)0 and f′′(x∗)0,g([x∗−δ,x∗δ])⊂[x∗−δ,x∗δ] x∗−δg(x∗−δ)(x∗−δ)−f(x∗−δ)f′(x∗−δ)⇔0−f(x∗−δ)f′(x∗−δ)⇔f(x∗−δ)f′(x∗−δ)0⇔f(x∗−δ)0⇔f(x∗)−f′(ξ)δ0【ξ∈[x∗−δ,x∗]】⇔−f′(ξ)δ0⇒∃δ10,f′(ξ)0,for x∗−ξδ1\begin{aligned} x^{*}-\deltag\left(x^{*}-\delta\right)\left(x^{*}-\delta\right)-\frac{f\left(x^{*}-\delta\right)}{f^{\prime}\left(x^{*}-\delta\right)} \\ \Leftrightarrow 0-\frac{f\left(x^{*}-\delta\right)}{f^{\prime}\left(x^{*}-\delta\right)} \\ \Leftrightarrow \frac{f\left(x^{*}-\delta\right)}{f^{\prime}\left(x^{*}-\delta\right)}0 \\ \Leftrightarrow f\left(x^{*}-\delta\right)0 \\ \Leftrightarrow f\left(x^{*}\right)-f^{\prime}(\xi) \delta0 【\xi\in[x^*-\delta,x^*]】\\ \Leftrightarrow-f^{\prime}(\xi) \delta0\\ \Rightarrow\exists \delta_10, f^{\prime}(\xi)0, \text { for } x^{*}-\xi\delta_1 \\ \end{aligned}⇔⇔⇔⇔⇔⇒​x∗−δg(x∗−δ)(x∗−δ)−f′(x∗−δ)f(x∗−δ)​0−f′(x∗−δ)f(x∗−δ)​f′(x∗−δ)f(x∗−δ)​0f(x∗−δ)0f(x∗)−f′(ξ)δ0【ξ∈[x∗−δ,x∗]】−f′(ξ)δ0∃δ1​0,f′(ξ)0, for x∗−ξδ1​​ 又有 f′′(x∗)0⇒∃δ20,f′′(x)0【保号性】⇒g′(x)f(x)f′′(x)[f′(x)]20,for x∗−xδ2【δ2足够小导数保号性f′(x)0,xx∗,f(x∗)0f(x)0】\begin{aligned} f^{\prime \prime}\left(x^{*}\right)0\\ \Rightarrow \exists \delta_20, f^{\prime \prime}(x)0 【保号性】\\ \Rightarrow g^{\prime}(x)\frac{f(x) f^{\prime \prime}(x)}{\left[f^{\prime}(x)\right]^{2}}0, \text { for } x^{*}-x\delta_2\\ 【\delta_2足够小导数保号性f(x)0,xx^*,f(x^*)0f(x)0】 \end{aligned}⇒⇒​f′′(x∗)0∃δ2​0,f′′(x)0【保号性】g′(x)[f′(x)]2f(x)f′′(x)​0, for x∗−xδ2​【δ2​足够小导数保号性f′(x)0,xx∗,f(x∗)0f(x)0】​ 当δmin⁡{δ1,δ2}\delta\min\{\delta_1,\delta_2\}δmin{δ1​,δ2​}有 x∗−δx∗g(x∗)g(x),for x∗−xδ,xx∗x^{*}-\deltax^{*}g\left(x^{*}\right)g(x), \text { for } x^{*}-x\delta,xx^*x∗−δx∗g(x∗)g(x), for x∗−xδ,xx∗ 注意Newton-Raphson方法对于单根是二阶收敛(二次收敛)【quadratic convergence】 ∣En1∣≈∣f′′(p)∣2∣f′(p)∣∣En∣2n→∞\left|E_{n1}\right| \approx \frac{\left|f^{\prime \prime}(p)\right|}{2\left|f^{\prime}(p)\right|}\left|E_{n}\right|^{2}\quad n\rightarrow \infty∣En1​∣≈2∣f′(p)∣∣f′′(p)∣​∣En​∣2n→∞ 证明 而对于多重根是线性一次收敛收敛速度降低。 ∣En1∣≈M−1M∣En∣n→∞\left|E_{n1}\right| \approx \frac{M-1}{M}\left|E_{n}\right |\quad n\rightarrow \infty∣En1​∣≈MM−1​∣En​∣n→∞ 证明 如果出现了多重根p∗p^*p∗我们看到在f′(p∗)0f(p^*)0f′(p∗)0Newton-Raphson方法的分母会出现0.然而一般来说分子f(pk)f(p_k)f(pk​)要比分母f′(pk)f(p_k)f′(pk​)先出现0所以Newton-Raphson方法一般还是可以用的。 Newton-Raphson方法的问题 1.分母可能为0除以零是不允许的。 2.收敛到一个不同的根或发散。 3.产生一个循环序列。 4.产生一个发散的振荡序列。 由于多重根线性收敛的问题可以考虑Newton-Raphson方法加速 pkpk−1−Mf(pk−1)f′(pk−1)M1p_{k}p_{k-1}-\frac{M f\left(p_{k-1}\right)}{f^{\prime}\left(p_{k-1}\right)}\quad M1pk​pk−1​−f′(pk−1​)Mf(pk−1​)​M1 证明 3.4 割线法(Secant Method) 当Newton-Raphson的导数不好显式表达的时候可以通过两端点的直线的斜率来近似导数。 我们有 xk2g(xk,xk1)xk1−f(xk1)(xk1−xk)f(xk1)−f(xk)x_{k2}g\left(x_{k}, x_{k1}\right)x_{k1}-\frac{f\left(x_{k1}\right)\left(x_{k1}-x_{k}\right)}{f\left(x_{k1}\right)-f\left(x_{k}\right)}xk2​g(xk​,xk1​)xk1​−f(xk1​)−f(xk​)f(xk1​)(xk1​−xk​)​ 3.5 Aitken过程加速 使用不定点的迭代Aitken过程加速又称为史蒂芬森加速Steffensen’s acceleration.注意只对一阶方法有效。 lim⁡n→∞p−pn1p−pnA,p≈pn2pn−pn12pn2−2pn1pnqn\lim _{n \rightarrow \infty} \frac{p-p_{n1}}{p-p_{n}}A, \quad p \approx \frac{p_{n2} p_{n}-p_{n1}^{2}}{p_{n2}-2 p_{n1}p_{n}}q_{n}n→∞lim​p−pn​p−pn1​​A,p≈pn2​−2pn1​pn​pn2​pn​−pn12​​qn​ 3.6 Muller方法Muller’s method 给定三个初始值(p0,f(p0)),(p1,f(p1)),(p2,f(p2))\left(p_{0}, f\left(p_{0}\right)\right),\left(p_{1}, f\left(p_{1}\right)\right),\left(p_{2},f\left(p_{2}\right)\right)(p0​,f(p0​)),(p1​,f(p1​)),(p2​,f(p2​)) 令 tx−p2h0p0−p2,h1p1−p2\begin{aligned} tx-p_{2} \\ h_{0}p_{0}-p_{2}, h_{1}p_{1}-p_{2} \\ \end{aligned}​tx−p2​h0​p0​−p2​,h1​p1​−p2​​ 我们使用二次函数计算下一个点 yat2btcya t^{2}b tcyat2btc 则有 th0:ah02bh0cf0⇒ah02bh0f0−ce0th1:ah12bh1cf1⇒ah12bh1f1−ce1t0:a02b0cf2⇒cf2\begin{aligned} th_{0}: a h_{0}^{2}b h_{0}cf_{0} \Rightarrow a h_{0}^{2}b h_{0}f_{0}-ce_{0} \\ th_{1}: a h_{1}^{2}b h_{1}cf_{1} \Rightarrow a h_{1}^{2}b h_{1}f_{1}-ce_{1} \\ t0: a 0^{2}b 0cf_{2} \Rightarrow cf_{2} \end{aligned}th0​:ah02​bh0​cf0​th1​:ah12​bh1​cf1​t0:a02b0cf2​​⇒ah02​bh0​f0​−ce0​⇒ah12​bh1​f1​−ce1​⇒cf2​​ 解得 ae0h1−e1h0h1h02−h0h12,be1h02−e0h12h1h02−h0h12a\frac{e_{0} h_{1}-e_{1} h_{0}}{h_{1} h_{0}^{2}-h_{0} h_{1}^{2}}, \quad b\frac{e_{1} h_{0}^{2}-e_{0} h_{1}^{2}}{h_{1} h_{0}^{2}-h_{0} h_{1}^{2}}ah1​h02​−h0​h12​e0​h1​−e1​h0​​,bh1​h02​−h0​h12​e1​h02​−e0​h12​​ 于是得到 at2btc0:tz1,z2⇒zi−2cb±b2−4aczarg⁡min⁡{∣zi∣}【对于一个复数在计算中只保留其实数部分】\begin{aligned} a t^{2}b tc0: \quad tz_{1}, z_{2} \Rightarrow z_{i}\frac{-2 c}{b \pm \sqrt{b^{2}-4 a c}} \\ z\arg \min \left\{\left|z_{i}\right|\right\}【\text{对于一个复数在计算中只保留其实数部分}】 \end{aligned}​at2btc0:tz1​,z2​⇒zi​b±b2−4ac​−2c​zargmin{∣zi​∣}【对于一个复数在计算中只保留其实数部分】​ p3p2zp_{3}p_{2}zp3​p2​z 继续得到(pˉ1,pˉ2,p3)\left(\bar{p}_{1}, \bar{p}_{2}, p_{3}\right)(pˉ​1​,pˉ​2​,p3​)其中pˉ1,pˉ2\bar{p}_{1}, \bar{p}_{2}pˉ​1​,pˉ​2​是距离p3p_3p3​最近的两个点。 4. 其他问题 4.1 如何寻找初值 例如 可以有两个判断条件 【针对r1r_1r1​和r2r_2r2​】 f(xk−1)f(xk)0[a,b][xk−1,xk]f\left(x_{k-1}\right) f\left(x_{k}\right)0 \quad[{a}, {b}]\left[{x}_{{k}-1}, {x}_{{k}}\right]f(xk−1​)f(xk​)0[a,b][xk−1​,xk​] 【针对r3r_3r3​】 ∣f(xk)∣ε并且(f(xk)−f(xk−1))(f(xk1)−f(xk))0[a,b][xk−1,xk1]\left|f\left(x_{k}\right)\right|\varepsilon \text { 并且}\left(f\left(x_{k}\right)-f\left(x_{k-1}\right)\right) \left(f\left(x_{k1}\right)-f\left(x_{k}\right)\right)0\quad [{a}, {b}]\left[{x}_{{k}-1}, {x}_{{k}1}\right]∣f(xk​)∣ε 并且(f(xk​)−f(xk−1​))(f(xk1​)−f(xk​))0[a,b][xk−1​,xk1​] 4.2 收敛条件 可以有两个收敛条件 1. 根据纵坐标 ∣f(xk)∣ε\left|f\left(x_{k}\right)\right|\varepsilon∣f(xk​)∣ε 误差为Errorx∣xk−r∣\text{Error}_{x}\left|x_{k}-r\right|Errorx​∣xk​−r∣ 2. 根据横坐标 ∣xk−xk−1∣δ\left|x_{k}-x_{k-1}\right|\delta∣xk​−xk−1​∣δ 由以下推出 ∣xk−r∣δ⇒∣xk−xk−1∣δ\left|x_{k}-r\right|\delta \Rightarrow\left|x_{k}-x_{k-1}\right|\delta∣xk​−r∣δ⇒∣xk​−xk−1​∣δ 误差为Error fmax⁡{∣f(r−δ)∣,∣f(rδ)∣}\text { Error }_{f}\max \{|f(r-\delta)|,|f(r\delta)|\} Error f​max{∣f(r−δ)∣,∣f(rδ)∣} 3. 我们也可以把上面两个进行组合 ∣f(xk)∣ε并且∣xk−r∣δ\left|f\left(x_{k}\right)\right|\varepsilon \text{并且}\left|x_{k}-r\right|\delta∣f(xk​)∣ε并且∣xk​−r∣δ 如果针对Newton-Raphson问题我们还可以有如下的判断标准 ①f′(r)≠0f^{\prime}(r) \neq 0f′(r)0 ②x0∈[r−δ,rδ]x_{0} \in[r-\delta, r\delta]x0​∈[r−δ,rδ], δ\deltaδ足够小。 4.3 算法的收敛速度对比 4.4 算法的选择 单根 Newton-Raphson方法 双根当分母为0失效 Newton-Raphson方法 Steffensen’s method
http://www.laogonggong.com/news/118366.html

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