Метод Ньютона (метод касательных)

Графическая интерпретация метода представлена на рис.3.5. Предположим, что каким-либо способом найдено начальное приближение х₀ к истинному корню. Например, при использовании отделения корней, в качестве х₀ можно взять левую или правую границу промежутка, содержащего корень уравнения F(x) = 0, либо любую другую точку из этого промежутка. В точке х₀ вычислим значение функции F(x), а также значение ее производной F ^‘(x). Следующее приближение к корню, т.е. точку х₁ определим, как пересечение оси ОХ с касательной к кривой F(x) в точке х₀:

Аналогичным образом, вычислив значения F(x) и F ^‘(x), в точке х₁, можно получить приближение х₂:

В общем случае вычислительный процесс метода Ньютона выражается формулой:

(3.6)

где каждое новое значение х_k (k=1, 2, 3, …) будет располагаться все ближе к истинному корню х*., т.е. будет представлять собой все более точное приближение к решению уравнения F(x) = 0.

Рис.3.5. Метод Ньютона

Рис.3.6. Модифицированный метод Ньютона

Процесс уточнения корня по формуле (3.6) следует прекращать, когда выполнится условие , т.е. когда расстояние между двумя соседними приближениями станет меньше заранее за­данной точности .

Метод Ньютона обладает высокой скоростью сходимости. Обычно абсолютная точность решения 10^-5 – 10^-6 достигается за 4-5 итераций. Недостатком метода является необходимость вычисления на каждом шаге не только левой части F(x) уравнения, но и ее первой производной.

Алгоритм метода Ньютона представлен на рис. 3.7. Из формулы (3.6) видно что для вычисления каждого нового (текущего) приближения требуется знать лишь од­но предыдущее приближение. Эти две величины в блок-схеме названы соответственно хТ и хП. После ввода исходных данных переменной хП присваивается значение ( ) для того, чтобы первая проверка условия | хТ – хП | > обязательно дала значение True.

Рис.3.7. Алгоритм метода Ньютона

На практике иногда применяется так называемый модифицированный метод Ньютона, который отличается от метода Ньютона тем, что первая производная от F(x) вычисляется лишь один раз в точке х₀. Вычислительный процесс модифицированного метода Ньютона описывается формулой:

(3.7)

а его геометрическая иллюстрация приведена на рис. 3.6.