2.4.3.1 Сходимость метода Ньютона

Выясним основные условия сходимости последовательности значений , вычисляемых по формуле (2.15), к корню уравнения (2.1). Предполагая, что дважды непрерывно дифференцируема, разложим в ряд Тейлора в окрестности k-го приближения

.

Разделив последнее соотношение на и перенеся часть слагаемых из левой части в правую, получим:

.

Учитывая, что выражение в квадратных скобках согласно (2.15) равно , переписываем это соотношение в виде

.

Отсюда

. (2.16)

Из (2.16) следует оценка

, (2.17)

где , .

Очевидно, что ошибка убывает, если

. (2.18)

Полученное условие означает, что сходимость зависит от выбора начального приближения.

Оценка (2.17) характеризует скорость убывания погрешности для метода Ньютона: на каждом шаге погрешность пропорциональна квадрату погрешности на предыдущем шаге. Следовательно, метод Ньютона обладает квадратичной сходимостью.

2.4.3.2 Выбор начального приближения в методе Ньютона

Как следует из условия (2.18) сходимость итерационной последовательности, получаемой в методе Ньютона, зависит от выбора начального приближения . Это можно заметить и из геометрической интерпретации метода. Так, если в качестве начального приближения взять точку (рис. 2.9), то на сходимость итерационного процесса рассчитывать не приходится.

Если же в качестве начального приближения выбрать точку , то получим сходящуюся последовательность.

В общем случае, если задан отрезок , содержащий корень, и известно, что функция монотонна на этом отрезке, то в качестве начального приближения можно выбрать ту границу отрезка , где совпадают знаки функции и второй производной . Такой выбор начального приближения гарантирует сходимость метода Ньютона при условии монотонности функции на отрезке локализации корня.

2.4.4 Модифицированный метод Ньютона

Рассмотренный выше метод Ньютона требует вычисления производной на каждом шаге. В некоторых случаях это может существенно снизить эффективность метода (в смысле затрат машинного времени). Поэтому в тех случаях, когда вычисление производной сопряжено с существенными затратами машинного времени, используют модифицированный метод Ньютона, в котором производная вычисляется только в точке начального приближения :

. (2.19)

2.4.5 Метод секущих

Еще одна модификация метода Ньютона связана с приближенным вычисление производной в окрестности точки по формуле

.

Подставляя это выражение в формулу Ньютона (2.15), приходим к формуле

, , (2.20)

которая определяет метод секущих. Название метода связано с его геометрической интерпретацией (см. рис. 2.10).

Секущая, проведенная через точки и , пересекает ось абсцисс в точке , значение которой определяется формулой (2.20).

Для того, чтобы начать итерационный процесс в методе секущих необходимо задать два начальных приближения: нулевое и первое .

На практике, как правило, поступают следующим образом: нулевое приближение выбирают аналогично выбору начального приближения в методе Ньютона, а в качестве первого приближения выбирают величину , где  – заданная погрешность. Эти значения используются для нахождения последующего (второго) приближения по формуле (2.20).

Затем, значения и используют для определения третьего приближения и т.д. Альтернативно, в качестве нулевого и первого приближений могут быть выбраны границы отрезка локализации корня, если они известны. В этом случае первая итерация метода секущий даст результат, аналогичный методу хорд. Для завершения итерационного процесса можно воспользоваться условием (2.14). Метод секущих несколько уступает методу Ньютона в скорости сходимости, однако он не требует вычисления производной и поэтому оказывается особенно полезным в тех случаях, когда получение аналитического выражения для производной затруднено или невозможно, например, если функции получена в ходе численных расчетов, а не задана аналитически.

По алгоритму метод секущих близок к методу хорд, однако в отличие от последнего начальные приближения в методе секущих могут располагаться как с разных сторон от корня, так и с одной стороны; кроме того при уточнении корня не проверяются знаки функции .