(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton(Luận văn thạc sĩ) Về phương pháp Newton
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
-------------------------------
ĐINH THỊ HIỀN
VỀ PHƯƠNG PHÁP NEWTON
LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC
THÁI NGUYÊN - 2019
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
-------------------------------
ĐINH THỊ HIỀN
VỀ PHƯƠNG PHÁP NEWTON
Chuyên ngành: Toán ứng dụng
Mã số
: 8 46 01 12
LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TSKH. Đinh Nho Hào
THÁI NGUYÊN - 2019
i
Mục lục
Lời cảm ơn
iii
Mở đầu
1
1 Các khái niệm cơ bản về giải tích hàm
3
1.1. Không gian Euclide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2. Không gian Banach và toán tử liên tục . . . . . . . . . . .
4
1.2.1. Không gian Banach . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.2.2. Toán tử tuyến tính liên tục . . . . . . . . . . . . .
5
1.3. Đạo hàm theo nghĩa Fréchet . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2 Lịch sử phương pháp Newton
8
2.1. Phương pháp Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.1.1. Phương pháp Viète . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.1.2. Phương pháp dây cung . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.1.3. Phương pháp Newton- Công thức đầu tiên . . . . .
13
2.1.4. Các phương pháp khác cho phương trình phi tuyến
15
2.1.5. Công thức Raphson . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
2.2. Phương pháp Newton trong không gian hữu hạn chiều . .
17
2.2.1. Trường hợp một biến . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
2.2.2. Trường hợp nhiều biến . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3 Phương pháp Newton- Kantorovich
20
ii
3.1. Kết quả hội tụ cho phương trình trơn . . . . . . . . . . . .
21
3.2. Sai số ước lượng cho phương pháp Newton . . . . . . . . .
27
3.3. Sự hội tụ đơn điệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
3.4. Phương pháp Newton cho các phương trình không xác định 30
3.5. Phương pháp Newton tại các điểm suy biến . . . . . . . .
34
3.6. Phương pháp Newton liên tục . . . . . . . . . . . . . . . .
36
3.7. Phương pháp Newton cho phương trình không trơn . . . .
38
3.8. Sự hội tụ và phân kì của phương pháp Newton . . . . . . .
39
3.9. Phân tích sai số
40
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kết luận
43
Tài liệu tham khảo
44
iii
Lời cảm ơn
Luận văn này được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học - Đại học
Thái Nguyên và hoàn thành dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH. Đinh Nho
Hào. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới người
hướng dẫn khoa học của mình, người đã đặt vấn đề nghiên cứu, dành
nhiều thời gian hướng dẫn và tận tình giải đáp những thắc mắc của tác
giả trong suốt quá trình làm luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa
học - Đại học Thái Nguyên, Ban Chủ nhiệm Khoa Toán-Tin, cùng các
giảng viên đã tham gia giảng dạy, đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác
giả học tập và nghiên cứu. Đồng thời tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới
tập thể lớp cao học Toán K11C (khóa 2017-2019), cảm ơn gia đình bạn
bè đã động viên và giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình học tập.
1
Mở đầu
Isaac Newton (1642 − 1727) là một nhà vật lý, nhà thiên văn học, nhà
triết học tự nhiên và nhà toán học vĩ đại người Anh. Ông đã xây dựng
một công thức giải phương trình phi tuyến f (x) = 0 viết năm 1671 và
được công bố lần đầu tiên vào năm 1685. Newton tính toán một chuỗi
các đa thức sau đó ông đưa đến một nghiệm xấp xỉ của phương trình.
Joseph Raphson (1648−1715) đã coi phương pháp của Newton hoàn toàn
như là một phương pháp đại số và giới hạn việc sử dụng nó cho các đa
thức một biến. Tuy nhiên Raphson đã mô tả phương pháp thông qua dãy
các xấp xỉ kế tiếp thay vì các chuỗi đa thức phức tạp như Newton. Cách
giải thích của Raphson được xem như là đơn giản hơn của Newton và đã
được ông công bố vào năm 1690. Ngày nay chúng ta gọi là phương pháp
Newton (hay phương pháp Newton – Raphson) tìm nghiệm xấp xỉ của
phương trình phi tuyến f (x) = 0 bằng việc xây dựng một dãy lặp hội tụ
tới nghiệm của phương trình.
Phương pháp Newton – Raphson đóng vai trò quan trọng trong khoa
học và kĩ thuật, đặc biệt đối với ngành Toán học nói chung và phương
pháp số nói riêng. Trong thực tế nó có khả năng ứng dụng rất lớn.
Sau khi phương pháp Newton – Raphson ra đời, việc giải phương trình
phi tuyến phát triển rất mạnh mẽ và có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Giải các bài toán có ý nghĩa thực tế quan trọng, đặc biệt trong giai đoạn
hiện nay với sự hỗ trợ của máy tính điện tử việc này càng trở nên có hiệu
lực. Điều đó đã thu hút nhiều nhà khoa học tìm hiểu sâu hơn về phương
2
pháp này. Dựa trên cơ sở của phương pháp Newton – Raphson đã có, rất
nhiều bài báo được đăng trên các tạp chí nổi tiếng thế giới nói về cách
xây dựng những phương pháp cải tiến giải xấp xỉ phương trình phi tuyến
với tốc độ hội tụ cao, có thể thực hiện trên máy tính điện tử.
Luận văn bao gồm phần mở đầu, ba chương, kết luận và danh mục các
tài liệu tham khảo.
Chương 1 "Các khái niệm cơ bản về giải tích hàm"
Chương 2 " Lịch sử phương pháp Newton"
Chương 3 " Phương pháp Newton Kantorovich".
3
Chương 1
Các khái niệm cơ bản về giải tích
hàm
1.1.
Không gian Euclide
Định nghĩa 1.1
Cho E là không gian vectơ trên trường số thực R, một tích vô hướng
trên E là một ánh xạ <, >: E × E → R
(x, y) →< x, y >
thỏa mãn các điều kiện sau
1. < x, y >=< y, x >,
2. < x + y, z >=< x, z > + < y, z >,
3. < λx, y >= λ < x, y >,
4. < x, x >≥ 0 ∀x ∈ E và < x, x >= 0 ⇔ x = 0.
Định nghĩa 1.2
Không gian vectơ E trên trường số thực R được gọi là không gian vectơ
Euclide nếu trên E có một tích vô hướng.
4
Định nghĩa 1.3
Độ dài của một vectơ x của không gian vectơ Euclide E với tích vô
hướng <, > được xác định bởi:
kxk =
√
< x, x >
Định nghĩa 1.4
Đối với hai vectơ x và y của không gian vectơ Euclide thì ta gọi góc ϕ
giữa x và y được xác định bởi công thức:
< x, y >
cos ϕ =
kxkkyk
1.2.
Không gian Banach và toán tử liên tục
1.2.1.
Không gian Banach
Định nghĩa 1.5 (Không gian định chuẩn)
Một không gian định chuẩn (hay không gian tuyến tính định chuẩn) là
không gian tuyến tính X trên trường P (P = R hoặc P = C) cùng với
một ánh xạ từ X vào tập số thực R, được gọi là chuẩn và ký hiệu là k.k
thỏa mãn các tiên đề sau:
1. (∀x ∈ X) kxk ≥ 0, kxk = 0 ⇔ x = θ (ký hiệu phần tử không là θ);
2. (∀x ∈ X) , (∀α ∈ P ), kαxk = |α|.kxk;
3. (∀x, y ∈ X) kx + yk ≤ kxk + kyk.
Số kxk gọi là chuẩn của vectơ x . Ta cũng kí hiệu không gian định chuẩn
là X. Các tiên đề (1), (2), (3) được gọi là hệ tiên đề chuẩn.
Định nghĩa 1.6 (Sự hội tụ trong không gian định chuẩn)
Dãy điểm {xn } của không gian định chuẩn X được gọi là hội tụ tới
điểm x ∈ X nếu lim kxn − xk = 0 Kí hiệu lim xn = x hay xn → x khi
n→∞
n→∞
n→∞
5
Định nghĩa 1.7 (Dãy cơ bản)
Dãy {xn } trong không gian định chuẩn X được gọi là dãy cơ bản nếu
lim kxn − xm k = 0.
n,m→∞
Định nghĩa 1.8 (Không gian Banach)
Không gian định chuẩn X được gọi là không gian Banach nếu mọi dãy
cơ bản trong X đều hội tụ.
Ví dụ 1.1
Xét không gian véc tơ k - chiều Rk , vớiqmỗi x ∈ Rk , x = (x1 , x2 , . . . , xk )trong
Pk
2
đó xi ∈ R, i = 1, 2, . . . , k. Đặt kxk =
i=1 |xi | . Khi đó Rk là không
gian Banach.
Ví dụ 1.2
Cho không gian véc tơ C[a,b] . Đối với hàm số bất kì xt ∈ C[a,b] , ta đặt
kxk = max[a,b] |xt |. Khi đó C[a,b] là không gian Banach.
1.2.2.
Toán tử tuyến tính liên tục
Cho X, Y là hai không gian định chuẩn.
Định nghĩa 1.9 (Toán tử tuyến tính)
Một toán tử A : X → Y gọi là một toán tử tuyến tính nếu thỏa mãn
các điều kiện sau
1. (∀x, y ∈ X)A(x + y) = A(x) + A(y);
2. (∀x ∈ X)(∀α ∈ P )A(αx) = αA(x).
Ta viết Ax thay cho A(x). Nếu X ≡ Y ta nói A là toán tử trong X.
Ta kí hiệu
ImA = {y ∈ Y |y = Ax, ∀x ∈ X} là miền giá trị của toán tử A
KerA = {x ∈ X|Ax = 0} là hạch (hạt nhân) của toán tử A.
6
Ví dụ 1.3
X ≡ Y ≡ C[a,b] , Ax(t) =
Rb
a
K(t, s)x(s)ds, trong đó K(t, s) là hàm liên
tục theo hai biến t, s trong hình vuông a ≤ t, s ≤ b. A là toán tử tuyến
tính và được gọi là toán tử tích phân.
Định nghĩa 1.10 (Toán tử liên tục )
Giả sử X, Y là hai không gian định chuẩn. Toán tử A : X → Y gọi là
liên tục tại x0 ∈ X nếu
∀{xn } ⊂ X, xn → x0 (n → ∞)thì Axn → Ax0 (n → ∞)
Toán tử A được gọi là liên tục trên X nếu nó liên tục tại mọi điểm thuộc
X.
1.3.
Đạo hàm theo nghĩa Fréchet
Cho X, Y là hai không gian Banach. Toán tử f : X → Y (không nhất
thiết tuyến tính)
Định nghĩa 1.11
Cho x là một điểm cố định trong không gian Banach X. Toán tử
f : X → Y gọi là khả vi (theo nghĩa Fréchet) tại x nếu tồn tại một toán
tử tuyến tính liên tục A : X → Y sao cho
f (x + h) − f (x) = A(h) + φ(x, h), (∀h ∈ X)
kφ(x,h)k
khk→0 khk
và lim
kf (x+h)−f (x)−A(h)k
khk
khk→0
= 0 (hay tương đương lim
= 0). A(h)
gọi là vi phân cấp một của toán tử f tại x. Ký kiệu là df (x, h).Toán tử A
gọi là đạo hàm cấp một (theo nghĩa Fréchet) của f tại x. Kiệu là: f 0 (x).
Vậy df (x, h) = f 0 (x).h
Định lí 1.1
Nếu đạo hàm F tồn tại, nó là duy nhất.
7
Định lí 1.2
Nếu một toán tử được xác định trên một tập con mở của một không
gian Banach là khả vi Fréchet tại một điểm, thì nó liên tục tại điểm đó.
Định lí 1.3
Một toán tử tuyến tính A từ một không gian Banach vào một không
gian Banach là khả vi Fréchet nếu và chỉ nếu A là bị chặn. Trong trường
hợp đó, A0 ≡ A.
Định nghĩa 1.12 (Đạo hàm Fréchet cấp hai )
Nếu A : B1 → B2 là khả vi Fréchet trên một tập mở Ω ⊂ B1 và A0 là
khả vi Fréchet tại x ∈ Ω, thì A được gọi là khả vi Fréchet cấp hai tại x.
Đạo hàm Fréchet của A0 tại x được gọi là đạo hàm Fréchet cấp hai của
A và được kí hiệu là A00 (x).
8
Chương 2
Lịch sử phương pháp Newton
2.1.
Phương pháp Newton
Mục này trình bày lịch sử phát triển của phương pháp Newton- Raphson để giải các phương trình đại số phi tuyến thông qua các ấn phẩm,
thư từ và bản thảo còn sót lại của Isaac Newton, Joseph Raphson và
Thomas Simpson. Sự khác nhau giữa công thức Newton với quy trình lặp
của Raphson được nêu ra, khẳng định Simpson là người đầu tiên đưa ra
một công thức chung, về tính toán vi phân, áp dụng cho các phương trình
phi đa thức. Việc mở rộng phương pháp của Simpson cho các hệ phương
trình được trưng bày.
Thuật toán lặp
xk+1 = xk −
f (xk )
f 0 (xk )
(2.1)
để giải phương trình đại số phi tuyến f (x) = 0 thường được gọi là phương
pháp Newton. Đôi khi nó được gọi là phương pháp Newton-Raphson.
Phương pháp (2.1) được áp dụng để giải hệ phương trình phi tuyến, tạo
thành cơ sở cho hầu hết các kỹ thuật thường được sử dụng để giải các
phương trình đại số phi tuyến.
Phần sau chúng tôi chỉ ra rằng các phương pháp có thể được xem như
9
thay thế biểu thức f 0 (xk ) trong (2.1) bởi một xấp xỉ sai phân dạng
f 0 (xk ) ≈ h−1
k [f (xk + hk ) − f (xk )]
(2.2)
và cũng là phương pháp cát tuyến, trong đó
f 0 (xi ) ≈
f (xk ) − f (xk−1 )
,
xk − xk−1
(2.3)
là tiền thân của phương pháp (2.1) .
Từ quan điểm hiện đại, các phương pháp được mô tả bởi (2.1)–(2.3)
phát sinh tự nhiên từ sự tuyến tính hóa của phương trình f (x) = 0.
Chúng ta xem xét bản trình bày gốc của Newton về phương pháp của
ông, tương phản với phương pháp hiện tại (2.1) và với công thức lặp của
Raphson cho các phương trình đa thức. Không có bằng chứng rõ ràng
rằng Newton đã sử dụng bất kỳ phép tính vi phân nào trong việc tìm ra
phương pháp của mình, mặc dù trong Principia Mathematica, Newton
áp dụng kỹ thuật của mình trong cách lặp cho phương trình phi đa thức.
Công thức tổng quát của Simpson cho phương trình phi tuyến về mặt
tính toán vi phân được trình bày trong phần sau, và chúng ta thảo luận
về phần mở rộng của Simpson của quá trình cho các hệ phương trình phi
tuyến.
2.1.1.
Phương pháp Viète
Vào cuối năm 1664, ngay sau khi chuyển sang quan tâm đến toán
học, Isaac Newton đã được làm quen với công trình của nhà đại số học
người Pháp Francois Viète (1540 − 1603) (thường được gọi là "Vieta").
Công trình của Viète liên quan đến nghiệm số của phương trình đại số
phi tuyến, De numerosa potestatum, xuất bản ở Paris năm 1600, sau đó
được tái bản trong tuyển tập các tác phẩm của Viète Francisci Vietae
Opera Mathematica do Frans van Schooten ở Leiden sắp xếp và xuất bản
10
vào năm 1646. William Oughtred đã tóm tắt, đơn giản hóa và bổ sung
một số tài liệu và xuất bản trong các phiên bản khác nhau của Clavis
Mathematicae của từ năm 1647 trở đi. Mới đây bản dịch của tác phẩm
liên quan, bao gồm tiểu sử của Viète. Newton đã truy cập vào cả bộ sưu
tập của Schooten và ấn bản Latin thứ ba của cuốn sách của Oughtred
xuất bản ở Oxford năm 1652 và đã ghi chép rất cẩn thận các kết quả
này. Những ghi chép này là dấu hiệu đầu tiên của Newton quan tâm đến
nghiệm số của phương trình phi tuyến. Viète hạn chế sự chú ý của mình
vào các phương trình đa thức monic. Trong ký hiệu hàm số hiện đại,
chúng ta có thể viết các phương trình của Viète dưới dạng
p(x) = N
(2.4)
Trong đó, hằng số N xuất hiện bên phải của phương trình. Kỹ thuật Viète
có thể được đánh giá là mang lại các chữ số sau dấu phẩy của nghiệm x∗
của (2.4) như sau. Cho các chữ số thập phân có nghĩa liên tiếp của x∗ là
a0 , a1 , a2 , . . ., nghĩa là x∗ = a0 10k + a1 10k−1 + a2 10k−2 + · · · , và cho ước
lượng thứ i của x∗ được cho bởi xi = a0 10k + a1 10k−1 + · · · + ai 10k−i . Giả
sử xi cho trước, ta có xi+1 = xi + ai+1 10k−(i+1) , kỹ thuật lượng Viète để
tính toán ai+1 như phần nguyên của
N − 5(p(xi + 10k−i−1 ) + p(xi ))
,
p(xi + 10k−i−1 ) − p(xi ) − 10(k−i−1)n
(2.5)
Trong đó n là bậc của đa thức. Đôi khi đại lượng 5(p(xi +10k−i−1 )+p(xi ))
trong tử số của (2.5) được thay thế bằng giá trị của p(xi ) Số nguyên ai+l
trên thực tế có thể âm hoặc có một vài chữ số sau dấu phẩy, do đó cho
phép hiệu chỉnh hoặc sớm hơn ước lượng xi của x∗ Viết lại (2.4) dưới
dạng f (x) = 0 trong đó f (x) = p(x) − N , biểu thức (2.5) trở thành
−5(f (xi + 10k−i−1 ) + f (xi ))
,
f (xi + 10k−i−1 ) − f (xi ) − 10(k−i−1)n
11
Do đó, phương pháp Viète gần như tương đương với
f
(x
)
i
xi+1 = xi − 10k−i−1
.
f (xi + 10k−i−1 ) − f (xi )
Điều này gần giống với biểu thức được tạo ra bằng cách thay thế (2.2)
vào (2.1) với hi = 10k−i−1 . Theo nghĩa này, phương pháp của Viète là
tiền thân hoặc sơ đồ sai phân hữu hạn của (2.1)–(2.2), thường được trình
bày dưới dạng sửa đổi hoặc (2.1). Phép trừ của biểu thức 10(k−i−1)n trong
mẫu số của (2.5) có thể giải thích trong trường hợp p(x) = xn bằng cách
xem xét khai triển nhị thức của (xi + 10k−i−1 )n ; cho phương trình bậc hai
monic kết quả phương pháp chính xác với phương pháp Newton-Raphson
(2.1), nhưng trong thực tế thành phần này không đáng kể và thường được
bỏ qua. Một so sánh thú vị giữa kỹ thuật này và phương pháp NewtonRaphson cho trường hợp p(x) = xn được đưa ra trong phần sau. Kỹ thuật
này là được sử dụng rộng rãi cho đến khi được thay thế bằng phương pháp
Newton-Raphson.
2.1.2.
Phương pháp dây cung
Trong bộ sưu tập các bản thảo chưa được công bố có tên là "Newton’s
Waste Book" ([21, I, tr 489−−491 khoảng từ đầu năm 1665) kỹ thuật lặp
mà chúng ta có thể xác định là "phương pháp dây cung" để giải phương
trình phi tuyến. Trong ký hiệu hiện đại, phương pháp này để giải phương
trình f (x) = 0 là phương trình (2.1) với f 0 (xk ) thay thế bởi (2.3) đó là:
f (xk ) − f (xk−1 )
.
xk+1 = xk − f (xk )/
xk − xk−1
(2.6)
Một cuộc thảo luận lịch sử thú vị về phương pháp này và mối quan hệ
của nó có liên quan chặt chẽ tới phương pháp được gọi là Regula Falsi
của Maas. Một số khác nhau các số đối, tất cả từ phối cảnh hiện đại về
bản chất dựa trên tuyến tính hóa cơ bản hàm f (x), mang lại kỹ thuật
này. Cách tiếp cận dựa trên hình dưới đây phù hợp với tính toán của
12
Newton. Trong cả hai trường hợp được hiển thị trong hình vẽ, chúng tôi
lưu ý rằng, bằng sự tương tự của các tam giác được kí hiệu , a/b = c/d,
đó là (f (xi ) − f (xi−1 ))/(xi − xi−1 ) = ∓f (xi )/d; vậy với d ≈ ∓(x∗ − xi ),
chúng ta có được (với sự lựa chọn dấu hiệu thích hợp trong từng trường
hợp) công thức (2.6) cho xi+1 ≈ x∗
Hình 2.1: Phương pháp dây cung
Ví dụ 2.1 Tìm nghiệm dương của phương trình
13
f (x) := x3 − 0, 2x2 − 0, 2x − 1, 2 = 0
với độ chính xác ε = 0, 02. Vìf (1) = −0, 6; f (1, 5) = 1, 425 nên ξ ∈
(1; 1, 5).
Dễ thấy f 0 (x) = 3x2 − 0, 4x − 0, 2 > 0 và f 00 (x) = 6x − 0, 4 > 0 với mọi
x ∈ (1; 1, 5). Xấp xỉ ban đầu x0 = 1.
Điểm Fourier b = 1, 5.
Đặt fn = x3n − 0, 2x2n − 0, 2xn − 1, 2, ta có
fn
(1, 5 − xn ).
xn+1 = xn −
1, 425 − fn
Do x3 = 1, 198,f (x3 ) ' −0, 0072 và
f 00 (x) ≥ 3 × 1, 1982 − 0, 4 × 1, 5 − 0, 2 ' 3, 49
ta có ước lượng 0 < ξ − x3 <
0,0072
3,49
' 0, 002.
Nghiệm đúng ξ = 1, 2.
2.1.3.
Phương pháp Newton- Công thức đầu tiên
Trong tác phẩm De analysi per aequationes nurnero terminorurn infinitas của Newton, có lẽ xuất bản vào giữa năm 1669, một số ý tưởng về
vô cùng nhỏ, hay phép tính vi phân đã được đề cập. Đoạn trích từ cuốn
sách, trong bản dịch sang tiếng Anh của cuốn sách này là cuộc thảo luận
đầu tiên của Newton về những gì chúng ta có thể nhận ra như là một
ví dụ của phương pháp Newton, mặc dù công thức khác biệt đáng kể so
với dạng thông thường bây giờ, các tính toán cũng dài dòng hơn nhiều
so với công thức hiện đại và phương pháp chỉ được đưa ra trong phạm
vi giải phương trình đa thức. Không có Toán giải tích nào được sử dụng
trong bài thuyết trình cũng như tham chiếu đến đạo hàm cho thấy rằng
phương pháp Newton này hoàn toàn là một phương pháp đại số.
Trong một số các trường hợp khác, Newton được biết là đã sử dụng
các phương pháp và ký hiệu truyền thống hơn trong nỗ lực để làm cho ý
14
tưởng của ông ấy dễ tiếp cận hơn cho nhiều đối tượng, nhưng không có
bằng chứng rõ ràng nào về thời gian đó, ông nhận thấy kỹ thuật đặc biệt
này là một ứng dụng của phép tính hoặc bắt nguồn từ nó sử dụng các kĩ
thuật tính toán.
Kĩ thuật Newton có thể được mô tả trong kí hiệu hàm số hiện đại
như sau. Đặt x0 là ước lượng ban đầu của nghiệm x∗ của f (x) = 0. Viết
P
g0 (x) = f (x), và giả sử g0 (x) = ni=0 ai xi . Viết e0 = x∗ − x0 chúng ta thu
được bằng cách mở rộng nhị thức về x0 cho trước một phương trình đa
thức mới trong biến e0 :
0 = g0 (x∗ ) = g0 (x0 +e0 ) =
n
X
i=0
X
i
n
X
i j i−j
x0 e0
= g1 (e0 ).
ai (x0 +e0 ) =
ai
j
j=0
i=0
i
(2.7)
Bỏ qua các thuật ngữ liên quan đến bậc cao hơn của e0 (tuyến tính hóa
hiệu quả tính toán rõ ràng đa thức g1 ) tạo ra
X
X
n
n
n
X
i
i−1
i
i−1
0 = g1 (e0 ) ≈
ai [x0 + ix0 e0 ] =
ai x0 + e0
ai ix0
i=0
i=0
i=0
Từ đó, chúng ta suy luận rằng
X
X
n
n
i−1
i
ai ix0
e0 ≈ c0 = −
ai x0
i=0
i=0
Và đặt x1 = x0 + c0 . Chính thức, chỉnh sửa này có thể viết
c0 = −g0 (x0 )/g00 (x0 ) = −f (x0 )/f 0 (x0 ).
Bây giờ lặp lại quá trình, nhưng thay vì mở rộng đa thức ban đầu g0 về
x1 bằng cách mở rộng đa thức g1 thu được một cách rõ ràng trong (2.7)
về điểm c0 , tức là c0 được coi là ước lượng đầu tiên của nghiệm e0 của
phương trình mới g1 (x) = 0. Do đó, tương tự ta thu được 0 = g1 (e0 ) =
g1 (c0 + e1 ) = g2 (e1 ), trong đó đa thức g2 là tính toán rõ ràng. Tuyến
tính hóa lại tạo ra như trên một hiệu chỉnh chính thức tương đương với
e1 ≈ c1 = −g1 (c0 )/g10 (c0 ), tương ứng với c1 = −g0 (x0 + c0 )/g00 (x0 + c0 ) =
15
−f (x1 )/f 0 (x1 ) và x2 = x1 + c1 . Quá trình tiếp tục bằng cách mở rộng g2
về c1 và v. . .v. . ..
Qua trình mô tả bởi Newton đòi hỏi sự tính toán tường minh của các
đa thức kế tiếp g1 , g2 , . . ., điều này khá là tốn công sức. Rõ ràng tính toán
không được sử dụng trong bài thuyết trình của ông, mà nó hoàn toàn
dựa trên việc duy trì giới hạn bậc thấp nhất trong một nhị thức mở rộng.
Cũng lưu ý rằng ước lượng cuối cùng của x∗ chỉ được tính ở cuối quá
trình là x∗ = x0 + c0 + c1 + · · · thay vì ước lượng liên tiếp xi được cập
nhật và sử dụng liên tiếp .
Rõ ràng quá trình này khác biệt đáng kể so với kỹ thuật lặp hiện đang
sử dụng. Cuốn sách này gợi ý rằng Newton đã nhận thức được sự hội tụ
bậc hai của kỹ thuật như đặc trưng bởi sự nhân đôi gần đúng của số các
chữ số có nghĩa chính xác trong các bước kế tiếp: quan sát thấy rằng số
các chữ số được Newton giữ lại trong các bước nhân đôi liên tiếp.
2.1.4.
Các phương pháp khác cho phương trình phi tuyến
Newton đã gửi hai bức thư đến địa chỉ John Smith, ngày 24 tháng
7 và ngày 7 tháng 8 năm 1675. Smith đã chuẩn bị một bảng gồm các
hình vuông, hình lập phương, và căn bốn của toàn bộ số nguyên từ 1 đến
10000; trong bức thư ngày 8 tháng 5 năm 1675 Newton đề nghị rằng ông
ấy làm điều này bằng cách chỉ tính duy nhất căn của mỗi số nguyên thứ
một trăm đến số đủ của chữ số (10), sau đó là phép nội suy để tạo ra
toàn bộ số lượng muốn có đòi hỏi khác đến độ chính xác đòi hỏi ( 8 chữ
số ). Newton đã trình bày trong các bức thư của ông ấy gởi cho Smith
vài sơ đồ, chúng tôi có thể tổng hợp như
x1 = (1/n)[(n − 1)x0 + a/xn−1
0 ],
n = 2, 3, 4,
Ở đây Newton đang giải phương trình xn − A = 0, cho n = 2, 3, 4 bắt
đầu từ ước lượng ban đầu x0 = B và viết C = A − B n = a − xn0 . Trong
- Xem thêm -