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Newton-Raphson 法求解非線性方程組

      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。

      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。

       解非線性方程f(x)=0的牛頓法是把非線性方程線性化的一種近似方法。把f(x)在x0點附近展開成泰勒級數 f(x) = f(x0)+(x-x0)f'(x0)+(x-x0)^2*f''(x0)/2! +… 取其線性部分,作為非線性方程f(x) = 0的近似方程,即泰勒展開的前兩項,則有f(x0)+f'(x0)(x-x0)=f(x)=0 設f'(x0)≠0則其解為x1=x0-f(x0)/f'(x0) 這樣,得到牛頓法的一個迭代序列:x(n+1)=x(n)-f(x(n))/f'(x(n))。

Metlab源程式:

function homework

[P,iter,err]=newton('f','JF',[7.8e-001;4.9e-001; 3.7e-001],0.01,0.001,1000);

    disp(P);

    disp(iter);

    disp(err);

function Y=f(x,y,z)

    Y=[x^2+y^2+z^2-1;

         2*x^2+y^2-4*z;

         3*x^2-4*y+z^2];

function y=JF(x,y,z)

    f1='x^2+y^2+z^2-1';

    f2='2*x^2+y^2-4*z';

    f3='3*x^2-4*y+z^2';

    df1x=diff(sym(f1),'x');

    df1y=diff(sym(f1),'y');

    df1z=diff(sym(f1),'z');

    df2x=diff(sym(f2),'x');

    df2y=diff(sym(f2),'y');

    df2z=diff(sym(f2),'z');

    df3x=diff(sym(f3),'x');

    df3y=diff(sym(f3),'y');

    df3z=diff(sym(f3),'z');

    j=[df1x,df1y,df1z;df2x,df2y,df2z;df3x,df3y,df3z];

    y=(j);

function [P,iter,err]=newton(F,JF,P,tolp,tolfp,max)

%輸入P為初始猜測值,輸出P則為近似解

%JF為相應的Jacobian矩陣

%tolp為P的允許誤差

%tolfp為f(P)的允許誤差

%max:迴圈次數

    Y=f(F,P(1),P(2),P(3));

    for k=1:max 

        J=f(JF,P(1),P(2),P(3));

        Q=P-inv(J)*Y;

        Z=f(F,Q(1),Q(2),Q(3));

        err=norm(Q-P);

        P=Q;

        Y=Z;

        iter=k;

        if (err<tolp)||(abs(Y)<tolfp||abs(Y)<0.0001)

            break

        end

    end 

來自Metlab官網的方法:

 

 

 

一個C程式例項: