background image

 

 

NEWTONS METHOD

Roots of a Nonlinear Equation

is perhaps the best known method for finding successively 
better approximations to the zeros (or 

roots

) of a 

real

-valued 

function

. 

background image

 

 

INTRO 

a teeny weeny bit of numerical analysis

background image

 

 

Never in the history of mankind 

has it been possible to produce so 

many wrong answers so quickly!” 

Carl-Erik Fröberg*

background image

 

 

The generation and propagation of errors

The study of errors forms an important part of numerical 
analysis. There are several ways in which error can be 
introduced in the solution of the problem.
One of them: the round-off errors, arise because it is 
impossible to represent all real numbers exactly on a finite-state 
machine (which is what all practical digital computers are).

‘Small’ numbers
On a pocket calculator, if one enters ‘

0.0000000000001

’ (or the 

maximum number of zeros possible), then a ‘

+

’, and then 

100000000000000

’ (again, the maximum number of zeros 

possible), one will obtain the number 100000000000000 again, 
and not 100000000000000.0000000000001. The calculator's 
answer is incorrect because of  roundof  in the calculation.

‘Large’ numbers
What about adding  

9999999

999999999999

 + 

888888888888

88888888888888888

 ?

You can’t write the exact result, it’s too large (no computer 
exists).

background image

 

 

Example of quadratic equation   

ax

2

 + bx + c = 0

 

Some occurrences can vastly increase the round-off errors. 

Generally they can be traced to the the subtraction of two very 
nearly equal numbers, giving a result whose only significant bits 
are those (few) low order ones in which the operands differed. 

For example in the formula for the solution of  a quadratic 
equation. The addition becomes "round-off-prone"  whenever   ac 
 <<  b

2

  ('a times c' is much smaller than 'b square'). 

ac

b

4

2

background image

 

 

background image

 

 

(2)

(2 )

 

 

(2)

(2)

(1)

(2)

background image

 

 

Newton’s Method

background image

 

 

Newtons Method

)

x

f

x

f

 - 

 = x

x

i

i

i

i

(

)

(

1

initial 
guess

(x)

http://math.furman.edu/~dcs/java/newton.html

 

 

(x)

 

 (x

i

)

 

 

(x

i+1

)

 

x

i+2

x

i+1

x

i

x

 

  

is a simple iterative numerical method to 
approximate roots of equations. 

The sequence of 
approximate roots x

0

x

1

, x

2

, x

3

, ... is created 

by the rule:

 

background image

 

 

Theorem (

Newton's method

)

Let  f  be a function twice differentiable in an interval [a, 
b
]. If  the following conditions are satisfied
(1) f (a) · f (b) < 0,
(2) the function f '  does not change sign on [a, b],
(3) the function f ''  does not change sign on [a, b],
then an equation  (x) = 0 has in the interval [a, b
exactly one solution c, and for every point x

0

 < x

b such that f (x

0

· f '' (x

0

) > 0, all elements of a 

sequence (x

n

) defined by a recursive formula

are in the interval [a, b] and this sequence converges to the number c
Additionally:
if there exist  real  constants  m, M such that
' (x)| > m > 0 for every x,  a  < x < b  and 
'' (x)| ≤ M for every  x,  a < x < b  then

2

1

c

x

2m

M

c

x

n

n

)

x

(

'

f

)

(x

f

x

x

n

n

n

n

1

m

)

(x

f

c

x

and

x

x

2m

M

c

x

n

n

n

n

n

2

1

and

background image

 

 

 

FAMOUS BABYLONIAN METHOD

2

3

,

2

2

0

1

1

x

x

x

x

n

n

n

background image

 

 

Let us find an approximation to       to ten 
decimal places. 

5

Let us start this process by 
taking  x

1

 = 2. 

the results stabilise for more than ten decimal places after only 5 iterations! 

In this example, 
we stop when 
the digits start 
to repeat. 

Example

5

)

(

2

x

x

f

20 correct digits

background image

 

 

Consider the problem of finding the positive number x with 
cos(x) = x

3

. We can rephrase that as finding the zero of (x

= cos(x) − x

3

. We have 

f '(x) = −sin(x) − 3x

2

Since cos(x) ≤ 1 for all x and x

3

 > 1 for x>1, we know that 

our zero lies between 0 and 1. We try a starting value of x

0

 = 

0.5. 

The correct digits are underlined in the above example, 
illustrating the quadratic convergence. 

Example 

 

background image

 

 

Example :

 

x

3

 - 4x - 9 = 0  on  [2, 3],    3 steps of the Newton's method.

We have:

f (x) = x

3

 - 4x - 9,

f ' (x) = 3x

2

 - 4 ³   3· 4 - 4 > 0,

f '' (x) = 6x ³        6 · 2 > 0,

(2) · f (3) = (-9) · 6 < 0, 

f (3) · f '' (3) = 6 · 18 > 0,

which means that the assumptions of the last theorem are 
satisfied, and thus for x

0

 = 3  the sequence 

               

converges to the unique root of the equation in question, 
which  lies in the interval [2, 3]. We compute:

x

1

  = 3 - (6/23) ≈ 2,7391,  x

2

 ≈ 2,7070,  x

3

 ≈ 2,7065.

)

(

'

)

(

1

n

n

n

n

x

f

x

f

x

x

4

3

9

4

2

3

1

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

background image

 

 

Algorithm for Newton-Method

background image

 

 

Step 1

Evaluate f

 (x

symbolically

background image

 

 

)

(

)

(

1

i

i

i

i

x

f

x

f

 - 

 = x

x

100

1

1

 

x

- x

x

 = 

i

i

i

a

Calculate the next estimate of the root

Find the absolute relative approximate error

Step 2

background image

 

 

Step 3

• Find if the absolute relative approximate 
error  is greater than the pre-specified 
relative error tolerance.  

• If so, go back to step 2, else stop the 
algorithm.

• Also check if the number of iterations has 
exceeded the maximum number of iterations

background image

 

 

Advantages

• Converges fast (if it 
converges)
• Requires only one guess
• Is simple

background image

 

 

Division by zero

f(x) has a horizontal 
tangent line

 

0

10

4

.

2

03

.

0

6

2

3

x

x

x

f

Drawbac
ks 

background image

 

 

The x-values may run away

This might occur 

when the x-axis is an asymptote. 

Drawbacks (continued)

background image

 

 

Inflection Point  - 

Divergence 

Drawbacks (continued)

background image

 

 

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-2

0

2

4

6

8

10

x

f(x)

 -0.0630690.54990

4.462

 7.53982

Root Jumping

 – local extrema 

in [a,b], you don’t get the root 

you expect

 

0

 

sin 

x

x

f

Drawbacks (continued)

background image

 

 

Cycle - the iteration jumps from one point to the same, forever. 

Drawbacks (continued)

background image

 

 

Finally, an example in which the starting value     gives a  point of period 6 ( below).

Drawbacks (continued)

CYCLE

background image

 

 

Oscillations near Local Maxima or Minima – no root

 

0

2

 

2

x

x

f

x

f(x)

Drawbacks (continued)

background image

 

 

-20

-15

-10

-5

0

5

10

-2

-1

0

1

2

 

1

 

2

 

3

 f(x)

 x

Inflection Point -  

Slow convergence at inflection point 

  

0

1

3

 x

x

f

e.g.

Drawbacks (continued)

background image

 

 

Good Newton;

http://www.math.umn.edu/~garrett/qy/Newton.html

Pathological Newton Method:

http://www.math.umn.edu/~garrett/qy/BadNewton.ht
ml

Newton Animations

http://math.fullerton.edu/mathews/a2001/Anima
tions/RootFinding/NewtonMethod/NewtonMetho
d.html

The Newton applet:

http://www.math.ucla.edu/~ronmiech/crew/euge
ne/java/Newton/Newton.html

http://www.win.tue.nl/~stephanh/toolbench/dicta
at1.html
 

background image

 

 

background image

 

 

Generalisations

Newton Method for Complex Numbers

When dealing with complex functions, however, Newton's 
method can be directly applied to find their zeros. For many 
complex functions, the boundary of the set (also known as the 
basin of attraction) of 

all starting values

 that cause the method 

to converge to the true zero is a 

fractal 

Basins of attraction for x

5

 − 1 = 0; darker means more iterations to converge.

background image

 

 

Newton fractal for three degree-3 roots (p(z) = z

3

 − 1), 

coloured by number of iterations required 

background image

 

 

Newton fractal for x

8

 + 15x

4

 − 16 

background image

 

 

Never in the history of mankind 

has it been possible to produce so 

many wrong answers so quickly!” 

Carl-Erik Fröberg*

background image

 

 

J. Stewart  pp 328

1. Explain why Newtons method doesn’t work for finding the root of the 
equation 

x

3

 - 3x + 6 = 0, i the initial approximation is chosen to be x

0

 = 1.

2. a) Use Newton’s method with x

= 1 to find the root of the equation x

3

 

– x = 1 correct to six decimal places.

b) Solve the equation in part a) using x

=  0.6 as the initial 

approximation,

c) Solve the equation in part a) using x

= 0.57. (you definitely need a 

programmable calculator for this part),

d) Graph f(x) = x

3

 – x  

 1 and its tangent lines at x

0

= 1, 0.6, and 0.57  to 

explain why Newton’s method is so sensitive to the value of the initial 
approximation.

3. Expain why Newton’s method fails when applied to the 
equation               

with any initial approximation           . Illustrate your explanation 
with a sketch. 

0

x

3

0

x

0

When Newton’s method fails – i.e. works slowly or does not work at all.

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 


Document Outline