Numerical Computation Solving Equations
Multiplicity
若函数
则称
当
三重根示例
方程:
在
说明
Newton 法此时满足:
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
误差估计:
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
公式:
收敛条件:
若
误差关系:
Newton’s Method
Idea: Newton 法利用函数的切线近似(linearization)来迭代逼近方程
在当前点
近似代替
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
若初值
收敛性(Convergence)
- 对于单根(Simple Root,
) 若 在 附近连续可导且 ,则 Newton 法具有局部二次收敛(Quadratic Convergence)。 设误差 ,则有:
这意味着:
若当前误差为
- 对于重根(Multiple Root,
) 若根 的重数为 ,即:
则 Newton 法的收敛性会退化为线性收敛。
定理(Theorem):
若
因此:
当
: ,为二次收敛; 当
: ,为线性收敛; 当
:收敛速度进一步减慢。
Example
单根示例
设
Newton 迭代式为:
从初值
重根示例
若
误差递推式为:
仅线性收敛,收敛率为
| 情况 | 收敛阶 | 误差关系 | 收敛速率 |
|---|---|---|---|
| 单根 ( | 二次 | 快 | |
| 重根 ( | 线性 | 慢,随 |
Secant Method
思想:用割线代替切线,避免计算导数。 公式:
特征:
- 无需导数;
- 需要两个初始值;
- 收敛阶
(超线性收敛)。
误差关系:
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 | 线性 | 否 | 慢 | 保证收敛 | 慢、需符号变化 | |
| 不动点迭代 | 线性 | 否 | 依赖 | 简单易实现 | 收敛条件苛刻 | |
| 牛顿法 | 二次 | 是 | 快 | 收敛快 | 需导数、易发散 | |
| 割线法 | 超线性 | 否 | 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
以 Fixed-Point Iteration(不动点迭代法) 为例:
若
因此方法局部线性收敛(locally linearly convergent),收敛速率约为
示例: 方程
: ,发散 : ,线性收敛 : ,极快收敛(近似二次)
Quadratic Convergence
若
则称该方法具有二次收敛性。Newton 法满足此条件,当
即误差在每次迭代中近似平方级减小。
例如:若上次误差为
Superlinear Convergence
割线法的收敛阶介于 1 与 2 之间:
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
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