方程(equation)在数学之中有着很高的地位,我们常见的有一次、二次和三次方程等等,并且我们还能通过部分方程的求根公式来进行求解方程的根。本文主要针对的是一般性的一元 n 次复系数方程,即是满足下图的方程:
那么由高斯定理可知,满足上式该 n 次系数方程的根就有且仅有 n 个。注意:根据伽罗瓦群理论,五次及五次以上方程没有求根公式,即不能以代数数的形式写出方程的根,但是不是说这种方程没有解,使用超越函数(如三角函数、对数函数等)还是可以表示该方程的解。但是有的时候我们求解某些方程过于繁琐,且存在约束条件的情况下并不需要完全求解方程,而且若是含有超越数(如圆周率 π、自然常数 e 等)的方程,求解过程也会略显困难。因此人们想要另辟蹊径,想要找寻其他高效的方式来求解方程,在此期间涌现出了大量的求解方法如:二分法、不动点迭代等。本文主要介绍另一种优化的不动点迭代法——牛顿迭代法(Newton-Iterative-Method)。
牛顿迭代法也称为牛顿-拉夫森(Newton-Raphson)迭代法,它不仅适用于方程或方程组的求解,还常用于微分方程和积分方程求解,可见它的重要性。其方法基本原理如下:
设 f(x) ∈ C² [m,n],对 f(x) 在 x₀ ∈ [m,n] 领域内对其进行泰勒展开,得如下结果:
舍去二次项,得到 f(x) 的线性近似式:
这也是关于 x₀ 这一点的切线方程,由此得到方程 f(x) = 0 的近似解: