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PostNumerical Computation / Lecture

Numerical Computation Solving Equations

2025-10-03
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Numerical Computation Solving Equations

Multiplicity

若函数 f(x)x=r 处满足:

f(r)=f(r)==f(m1)(r)=0,f(m)(r)0,

则称 rf(x)重根(multiple root)重数为 m

m=1 时,称为单根(simple root)

三重根示例

方程:

f(x)=sinx+x2cosxx2x

x=0 附近:

f(0)=f(0)=f(0)=0,f(0)=1

说明 r=0三重根(m=3)

Newton 法此时满足:

ei+123ei

即线性收敛,约需 36 步 才能达到 6 位有效数字。


Bisection Method

思想:不断缩小区间 [a,b],保证 f(a)f(b)<0公式

cn=an+bn2

误差估计

|xnr|<ba2n+1

收敛性:线性收敛,速率约为 1/2。 优点是绝对收敛,但速度较慢。


Fixed-Point Iteration

思想:将 f(x)=0 改写为 x=g(x),并不断迭代。

公式

xi+1=g(xi)

收敛条件

|g(r)|<1,则局部线性收敛。

误差关系

ei+1g(r)ei

Newton’s Method

Idea: Newton 法利用函数的切线近似(linearization)来迭代逼近方程 f(x)=0 的根。

在当前点 xi 处,用切线方程:

y=f(xi)+f(xi)(xxi)

近似代替 f(x)。令 y=0 得到切线与 x-轴的交点,即下一个迭代点:

xi+1=xif(xi)f(xi)

Newton 法只需一次函数值与一次导数值,即可得到新的近似解。

几何解释(Geometric Meaning) 在图形上,Newton 法通过不断作切线并取其与 x-轴交点来逐步逼近根。

若初值 x0 足够接近真根 r,切线逼近精度高,收敛速度极快。

收敛性(Convergence)

  • 对于单根(Simple Root, m=1) 若 f(x)r 附近连续可导且 f(r)0,则 Newton 法具有局部二次收敛(Quadratic Convergence)。 设误差 ei=xir,则有:
ei+1Mei2,M=f(r)2f(r)

这意味着:

|ei+1|M|ei|2

若当前误差为 103,则下一次迭代误差约为 106 —— 收敛速度极快。

  • 对于重根(Multiple Root, m>1) 若根 r 的重数为 m,即:
f(r)=f(r)==f(m1)(r)=0,f(m)(r)0,

则 Newton 法的收敛性会退化为线性收敛

定理(Theorem):

f(x)m+1 次连续可导,且 rf(x) 的重数为 m 的根,则:

limiei+1ei=S,S=m1m.

因此:

  • m=1S=0,为二次收敛;

  • m=2S=1/2,为线性收敛;

  • m:收敛速度进一步减慢。


Example

单根示例

f(x)=x3+x1,则 f(x)=3x2+1

Newton 迭代式为:

xi+1=xixi3+xi13xi2+1=2xi3+13xi2+1.

从初值 x0=0.7 出发,6 步即可收敛至 x0.6823,表现出典型的二次收敛。

重根示例

f(x)=x2,则根 r=0,重数 m=2

xi+1=xixi22xi=12xi,

误差递推式为:

ei+1=12ei,

仅线性收敛,收敛率为 S=1/2


情况收敛阶误差关系收敛速率
单根 (m=1)二次ei+1Mei2
重根 (m>1)线性ei+1m1mei慢,随 m 增大而变慢

Secant Method

思想:用割线代替切线,避免计算导数。 公式

xi+1=xif(xi)xixi1f(xi)f(xi1)

特征

  • 无需导数;
  • 需要两个初始值;
  • 收敛阶 α1.62(超线性收敛)。

误差关系

ei+1Meiα,M=|f(r)2f(r)|α1

各方法综合比较

方法迭代公式收敛阶是否需导数收敛速度优点缺点
二分法cn=(an+bn)/2线性保证收敛慢、需符号变化
不动点迭代xn+1=g(xn)线性依赖 g(r)简单易实现收敛条件苛刻
牛顿法xn+1=xnf(xn)f(xn)二次收敛快需导数、易发散
割线法xn+1=xnf(xn)xnxn1f(xn)f(xn1)超线性中等无需导数需两初值

  • 二分法最稳但最慢;
  • Fixed-Point方法简单但依赖函数形式;
  • 牛顿法最快,但要求精确导数;
  • 割线法是折中方案:不需导数且速度较快。

Convergence

Linear Convergence

Fixed-Point Iteration(不动点迭代法) 为例:

xi+1=g(xi)

g(r) 连续且满足 |g(r)|<1,则误差满足:

ei+1g(r)ei

因此方法局部线性收敛(locally linearly convergent),收敛速率约为 |g(r)|

示例: 方程 x3+x1=0

  • g(x)=1x3|g(r)|>1,发散
  • g(x)=1x3|g(r)|=0.716<1,线性收敛
  • g(x)=1+2x32+3x2|g(r)|=0,极快收敛(近似二次)

Quadratic Convergence

M=limiei+1ei2<,

则称该方法具有二次收敛性。Newton 法满足此条件,当 f(r)0 时有:

ei+1f(r)2f(r)ei2

即误差在每次迭代中近似平方级减小。

例如:若上次误差为 103,下一次约为 106,收敛极快。


Superlinear Convergence

割线法的收敛阶介于 1 与 2 之间:

ei+1=Meiα,α1.62

因此称为超线性收敛(superlinear convergence)


Local Convergence

若算法仅在初始猜测点足够接近真根 r 时收敛,则称为局部收敛(locally convergent)

在 Newton 或 FPI 中:

  • 初值若离真根过远 → 可能震荡或发散;
  • 可能收敛到其他根或非根点。

例如 FPI 的不同 g(x) 形式会导致完全不同的收敛表现。