Das Newton-Verfahren
Du fragst dich vermutlich, wieso diese allgemeine Formel des Newton-Verfahrens überhaupt gilt und wie man darauf gekommen ist. Also schauen wir uns doch gleich einmal die Herleitung an;sie ist auch gar nicht so schwierig.
Herleitung der Iterationsformel
Die Iterationsformel des Newtonverfahrens kann an Hand der folgenden Zeichnung ganz leicht hergeleitet werden.
Abb.:Zur Herleitung der Iterationsformel des Newton-Verfahrens
Von , dem zuletzt berechneten Näherungswert für die gesuchte Nullstelle a der Funktion
, geht man hoch zum Graphen
zu dem Kurvenpunkt
. Dieser Punkt hat die Koordinaten
. In
wird die Tangente an
eingezeichnet. Die Nullstelle dieser Tangente ergibt den nächsten Näherungswert
. Durch die Punkte
und
ist ein rechtwinkliges Dreieck festgelegt. (In der Abbildung oben rosa eingezeichnet.) Seine Katheten haben die Längen
und
. Des Weiteren ist der Winkel
eingezeichnet. Wie du hoffentlich weißt, gilt im rechtwinkligen Dreieck die Formel
. Bezüglich des Winkels
ist
die Gegenkathete und
die Ankathete.
liegt schließlich gegenüber von
und
liegt direkt an
d´ran. Somit gilt hier:
Der Winkel ist der Schnittwinkel zwischen eingezeichneter Tangente und x-Achse, also der sogenannte Neigungswinkel der Tangente. Für den Neigungswinkel
einer Geraden gilt die Formel
. Dabei steht m für die Steigung der Geraden. In unserem Fall ist die Gerade die Tangente an
im Kurvenpunkt
. Ihre Steigung m kann mit der ersten Ableitung der Funktion
an der Stelle
berechnet werden:
Daher gilt:
In den Formeln I. und II. steht jeweils auf der linken Seite der Ausdruck . Daher können wir die Ausdrücke, die jeweils auf der rechten Seite von I. bzw. II. stehen, gleich setzen:
Wenn man diese Gleichung nach auflöst, erhält man die Iterationsvorschrift des Newton-Verfahrens.
Das ist genau die bereits weiter oben gezeigte Iterationsvorschrift des Newton-Verfahrens. Nun müsste dir klar sein, warum diese Formel stimmt.
Alternative Schreibweise der Iterationsvorschrift
In manchen Büchern bzw. von manchen Lehrern wird auch die folgende Schreibweise der Iterationsvorschrift des Newton-Verfahrens verwendet:
mit n
ℕ
Im Prinzip bedeuten beide gezeigten Iterationsvorschriften das Gleiche;sie unterscheiden sich allerdings in der Schreibweise der Indices (das sind die kleinen, tiefer gestellten „Zahlen“).
Bei der zuerst gezeigten Form gilt für den Index n
;der Index n durchläuft dabei also alle natürlichen Zahlen einschließlich der Zahl Null.