A-Level数值方法:Newton迭代在0和1之间来回,为什么不是正在接近根?

数值求根写出迭代公式之后,还要检查它产生的数列是否真的接近某个根。下面是自行编写的分析练习,涉及的具体课程要求仍应对照自己的考试局和大纲版本,不把某种迭代方法说成所有试卷的固定内容。

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先确定原方程确实有实根

考虑f(x)=x³−2x+2。由于f(−2)=−2、f(−1)=3,且多项式连续,区间(−2,−1)中至少有一个根。这个存在判断来自符号变化与连续性,不依赖我们后面选择的初值,也不能反过来保证任意初值的Newton迭代都会找到它。

把导数和更新规则写完整

导数为f′(x)=3x²−2。Newton更新为x下一步=x−f(x)/f′(x),前提是当前导数不为零。取初值x₀=0,代入得x₁=0−2/(−2)=1。再取x₁=1,有f(1)=1、f′(1)=1,因此x₂=1−1/1=0。

第三步以后会重复已有状态

从0出发再次得到1,所以数列为0、1、0、1不断重复。两个点的导数都不为零,公式每次都能算,但数列并不收敛。若只看步数增加、显示器持续输出数字,就称为“越来越准确”,会忽略数值序列的实际行为。

残差与相邻项差都要结合判断

在这两个点上,残差分别为2和1,并没有趋于零;相邻项差的绝对值一直是1,也没有缩小。因此这不是舍入造成的最后几位抖动。对于其他题目,相邻项接近也不单独保证残差足够小,停止条件应结合方程、精度要求和方法适用条件。

从失败例子得到可操作的复盘

可以先用图像或变号区间了解根的位置,再讨论合适初值或其他有保障的区间方法,而不是盲目重复同一循环。完整学习记录应保留函数、导数、初值、两步代入和失败原因。这个例子说明“根存在”“迭代合法”“数列收敛”是三个需要分别支持的判断。

延伸阅读:A-Level反函数:同一个二次式,为什么限制定义域后会选不同根号分支?。

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