用牛頓法求方程的根(重點是平方根)

2021-08-31 03:46:51 字數 1634 閱讀 8115

牛頓迭代法(newton's method)又稱為牛頓-拉夫遜方法(newton-raphson method),它是牛頓在17世紀提出的一種在實數域和複數域上近似求解方程的方法。多數方程不存在求根公式,因此求精確根非常困難,甚至不可能,從而尋找方程的近似根就顯得特別重要。方法使用函式f(x)的泰勒級數的前面幾項來尋找方程f(x) = 0的根。牛頓迭代法是求方程根的重要方法之一,其最大優點是在方程f(x) = 0的單根附近具有平方收斂,而且該法還可以用來求方程的重根、復根。另外該方法廣泛用於計算機程式設計中。

設r是f(x) = 0的根,選取x0作為r初始近似值,過點(x0,f(x0))做曲線y = f(x)的切線l,l的方程為y = f(x0)+f'(x0)(x-x0),求出l與x軸交點的橫座標 x1 = x0-f(x0)/f'(x0),稱x1為r的一次近似值。

過點(x1,f(x1))做曲線y = f(x)的切線,並求該切線與x軸交點的橫座標 x2 = x1-f(x1)/f'(x1),稱x2為r的二次近似值。重複以上過程,得r的近似值序列,其中x(n+1)=x(n)-f(x(n))/f'(x(n)),稱為r的n+1次近似值,上式稱為牛頓迭代公式。

根據牛頓迭代的原理,可以得到以下的計算sqrt(n)的迭代公式:x(n+1)=[x(n)+p/xn]/2。詳細解釋見下文。

一般性的程式設計方法如下:

double sqr(double n)  

return k;

}

這種演算法的原理很簡單,我們僅僅是不斷用(x,f(x))的切線來逼近方程x^2-a=0的根。根號a實際上就是x^2-a=0的乙個正實根,這個函式的導數是2x。也就是說,函式上任一點(x,f(x))處的切線斜率是2x。那麼,x-f(x)/(2x)就是乙個比x更接近的近似值。代入f(x)=x^2-a得到x-(x^2-a)/(2x),也就是(x+a/x)/2。

過程如下:

首先隨便猜乙個近似值x,然後不斷令x等於x和a/x的平均數,迭代個六七次後x的值就已經相當精確了。

例如,我想求根號2等於多少。假如我猜測的結果為4,雖然錯的離譜,但你可以看到使用牛頓迭代法後這個值很快就趨近於根號2了:

(       4  + 2/   4     ) / 2 = 2.25

(    2.25  + 2/   2.25  ) / 2 = 1.56944..

( 1.56944..+ 2/1.56944..) / 2 = 1.42189..

( 1.42189..+ 2/1.42189..) / 2 = 1.41423..

下面用c語言實現一遍:

#include "stdio.h"

#include "math.h"

int main(void)

printf("平方根為%f\n",y);

return 0;

}

請輸入乙個需要求其平方根的數:2

y=1.500000

y=1.416667

y=1.414216

平方根為1.414216

請輸入乙個需要求其平方根的數:3

y=2.000000

y=1.750000

y=1.732143

y=1.732051

平方根為1.732051

更快的方法:

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