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Newton-Verfahren: Beispiele, Lösungen und Übungen

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Newton-Verfahren: Beispiele, Lösungen und Übungen
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Das Newton-Verfahren ist eine fortgeschrittene mathematische Methode zur Annäherung von Nullstellen nichtlinearer Gleichungen. Diese detaillierte Zusammenfassung erklärt die Grundlagen und praktische Anwendung.

Hauptpunkte:

  • Entwickelt von Sir Isaac Newton als iteratives Verfahren zur Nullstellenbestimmung
  • Basiert auf der Verwendung von Tangenten zur schrittweisen Annäherung
  • Besonders nützlich bei komplexen nichtlinearen Gleichungen
  • Erfordert die Berechnung von Ableitungen und iterative Anwendung der Newton-Verfahren Formel
  • Konvergiert unter bestimmten Voraussetzungen schnell zur gesuchten Nullstelle

23.3.2021

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O Das Newtonsche Näherungsverfahren Funktion f(x) = 0.2x²-1 Gerade a: x = 6.4 b: y = 2.56x - 9.2 C: x= 3.59 d: y = 1.44x3.58 e: x= 2.49 g: y

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Das Newton-Verfahren

Idee des Newton-Verfahrens

Das Newton-Verfahren ist eine mathematische Methode zur Lösung nichtlinearer Gleichungen und Gleichungssysteme. Es wird eingesetzt, um sich Nullstellen anzunähern, die nicht exakt berechnet werden können.

Definition: Das Newton-Verfahren ist ein iteratives Verfahren zur Approximation von Nullstellen einer Funktion.

Die grundlegende Idee besteht darin, die Funktion durch ihre Tangente an einem Punkt zu ersetzen und den Schnittpunkt dieser Tangente mit der x-Achse als verbesserte Näherung für die Nullstelle zu verwenden.

Anwendung des Newton-Verfahrens

Um das Newton-Verfahren anzuwenden, wird eine Wertetabelle erstellt. Die Newton-Verfahren Formel lautet:

x_(n+1) = x_n - f(x_n) / f'(x_n)

Dabei ist:

  • x_n der aktuelle Näherungswert
  • f(x_n) der Funktionswert an der Stelle x_n
  • f'(x_n) der Wert der ersten Ableitung an der Stelle x_n

Beispiel: Bei der Anwendung des Newton-Verfahrens wird die Berechnung so lange fortgesetzt, bis sich die ersten drei Dezimalstellen bei zwei aufeinanderfolgenden Werten nicht mehr ändern.

Es ist wichtig zu beachten, dass das Newton-Verfahren nicht in jedem Fall zur Lösung führt. Die Konvergenz hängt von der Funktion und dem gewählten Startwert ab.

Highlight: Das Newton-Verfahren konvergiert in der Regel quadratisch, was es zu einem sehr effizienten Verfahren macht.

O Das Newtonsche Näherungsverfahren Funktion f(x) = 0.2x²-1 Gerade a: x = 6.4 b: y = 2.56x - 9.2 C: x= 3.59 d: y = 1.44x3.58 e: x= 2.49 g: y

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Herleitung des Newton-Verfahrens

Die Herleitung des Newton-Verfahrens basiert auf der Idee, die Funktion f(x) durch ihre Tangente in einem Punkt x_0 zu approximieren.

  1. Die Tangentengleichung lautet: y = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0)

  2. Um die Nullstelle der Tangente zu finden, wird diese Gleichung gleich Null gesetzt: 0 = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0)

  3. Durch Umformung erhalten wir: x = x_0 - f(x_0) / f'(x_0)

Dies ist die grundlegende Newton-Verfahren Formel.

Highlight: Die Herleitung zeigt, dass das Newton-Verfahren auf der linearen Approximation der Funktion durch ihre Tangente basiert.

Das Verfahren wird iterativ fortgesetzt, indem der berechnete x-Wert als neuer Startwert für den nächsten Schritt verwendet wird:

x_(n+1) = x_n - f(x_n) / f'(x_n)

Vocabulary: Iteration bezeichnet die wiederholte Anwendung einer Rechenvorschrift.

O Das Newtonsche Näherungsverfahren Funktion f(x) = 0.2x²-1 Gerade a: x = 6.4 b: y = 2.56x - 9.2 C: x= 3.59 d: y = 1.44x3.58 e: x= 2.49 g: y

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Beispiel für die rechnerische Anwendung des Newton-Verfahrens

Um die praktische Anwendung des Newton-Verfahrens zu demonstrieren, betrachten wir ein konkretes Beispiel:

Gegeben sei die Funktion f(x) = x³ - x - 2

Ziel ist es, die Nullstelle dieser Funktion mithilfe des Newton-Verfahrens zu berechnen.

Schritte:

  1. Ableitung der Funktion bilden: f'(x) = 3x² - 1

  2. Startwert wählen (z.B. x_0 = 2)

  3. Iterationsformel anwenden: x_(n+1) = x_n - (x_n³ - x_n - 2) / (3x_n² - 1)

  4. Berechnung durchführen bis zur gewünschten Genauigkeit

Example: x_1 = 2 - (2³ - 2 - 2) / (3·2² - 1) = 1,6666... x_2 = 1,6666... - (1,6666...³ - 1,6666... - 2) / (3·1,6666...² - 1) = 1,5457... x_3 = 1,5457... - (1,5457...³ - 1,5457... - 2) / (3·1,5457...² - 1) = 1,5321...

Die Berechnung wird fortgesetzt, bis sich die ersten drei Dezimalstellen nicht mehr ändern.

Highlight: In diesem Beispiel konvergiert das Newton-Verfahren schnell gegen die Nullstelle der Funktion.

O Das Newtonsche Näherungsverfahren Funktion f(x) = 0.2x²-1 Gerade a: x = 6.4 b: y = 2.56x - 9.2 C: x= 3.59 d: y = 1.44x3.58 e: x= 2.49 g: y

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Eigenständigkeitserklärung

Die Eigenständigkeitserklärung ist ein wichtiger Bestandteil wissenschaftlicher Arbeiten. Sie bestätigt, dass der Autor die Arbeit selbstständig und ohne unerlaubte Hilfe angefertigt hat.

Quote: "Ich erkläre, dass ich die vorliegende Arbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur die im Literaturverzeichnis aufgeführten Quellen und Hilfsmittel verwendet habe."

Diese Erklärung unterstreicht die akademische Integrität und ist ein wesentlicher Teil der wissenschaftlichen Praxis.

Highlight: Die Eigenständigkeitserklärung ist ein wichtiges Element zur Sicherstellung der akademischen Redlichkeit.

O Das Newtonsche Näherungsverfahren Funktion f(x) = 0.2x²-1 Gerade a: x = 6.4 b: y = 2.56x - 9.2 C: x= 3.59 d: y = 1.44x3.58 e: x= 2.49 g: y

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Seite 6: Praktische Anwendung

Die Seite demonstriert die konkrete Anwendung des Newton-Verfahrens anhand eines Beispiels.

Example: Die schrittweise Berechnung einer Nullstelle wird mit Hilfe einer Wertetabelle durchgeführt.

Highlight: Die Bedeutung der ersten Ableitung für das Verfahren wird hervorgehoben.

O Das Newtonsche Näherungsverfahren Funktion f(x) = 0.2x²-1 Gerade a: x = 6.4 b: y = 2.56x - 9.2 C: x= 3.59 d: y = 1.44x3.58 e: x= 2.49 g: y

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Seite 7: Abschluss und Eigenständigkeitserklärung

Die letzte Seite enthält die formale Eigenständigkeitserklärung der Arbeit.

Highlight: Die Arbeit wurde selbstständig und unter Verwendung der angegebenen Quellen erstellt.

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Seite 7: Eigenständigkeitserklärung

Diese Seite enthält die formale Eigenständigkeitserklärung und beginnt mit dem Quellenverzeichnis.

Quote: "Ich erkläre, dass ich die vorliegende Arbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur die im Literaturverzeichnis aufgeführten Quellen und Hilfsmittel verwendet habe."

O Das Newtonsche Näherungsverfahren Funktion f(x) = 0.2x²-1 Gerade a: x = 6.4 b: y = 2.56x - 9.2 C: x= 3.59 d: y = 1.44x3.58 e: x= 2.49 g: y

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Isaac Newton und seine Bedeutung für die Mathematik

Sir Isaac Newton war ein herausragender englischer Wissenschaftler des 17. Jahrhunderts, der die Mathematik und Physik revolutionierte. Er wurde 1643 geboren und studierte am Trinity College in Cambridge. Zu seinen wichtigsten Leistungen gehören:

  • Entdeckung des Gravitationsgesetzes
  • Entwicklung des ersten Spiegelteleskops
  • Veröffentlichung der "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica"
  • Präsidentschaft der Royal Society

Newtons Beiträge zur Mathematik waren ebenso bedeutend wie seine physikalischen Erkenntnisse. Er entwickelte unter anderem:

  • Die Verallgemeinerung des binomischen Lehrsatzes
  • Grundlagen der Infinitesimalrechnung
  • Das Newton-Verfahren zur Lösung nichtlinearer Gleichungssysteme

Highlight: Das Newton-Verfahren ist bis heute ein etabliertes Verfahren in der Mathematik und findet in vielen Bereichen Anwendung.

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Das Newton-Verfahren

Idee des Newton-Verfahrens

Das Newton-Verfahren ist eine mathematische Methode zur Lösung nichtlinearer Gleichungen und Gleichungssysteme. Es wird eingesetzt, um sich Nullstellen anzunähern, die nicht exakt berechnet werden können.

Definition: Das Newton-Verfahren ist ein iteratives Verfahren zur Approximation von Nullstellen einer Funktion.

Die grundlegende Idee besteht darin, die Funktion durch ihre Tangente an einem Punkt zu ersetzen und den Schnittpunkt dieser Tangente mit der x-Achse als verbesserte Näherung für die Nullstelle zu verwenden.

Anwendung des Newton-Verfahrens

Um das Newton-Verfahren anzuwenden, wird eine Wertetabelle erstellt. Die Newton-Verfahren Formel lautet:

x_(n+1) = x_n - f(x_n) / f'(x_n)

Dabei ist:

  • x_n der aktuelle Näherungswert
  • f(x_n) der Funktionswert an der Stelle x_n
  • f'(x_n) der Wert der ersten Ableitung an der Stelle x_n

Beispiel: Bei der Anwendung des Newton-Verfahrens wird die Berechnung so lange fortgesetzt, bis sich die ersten drei Dezimalstellen bei zwei aufeinanderfolgenden Werten nicht mehr ändern.

Es ist wichtig zu beachten, dass das Newton-Verfahren nicht in jedem Fall zur Lösung führt. Die Konvergenz hängt von der Funktion und dem gewählten Startwert ab.

Highlight: Das Newton-Verfahren konvergiert in der Regel quadratisch, was es zu einem sehr effizienten Verfahren macht.

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Die Herleitung des Newton-Verfahrens basiert auf der Idee, die Funktion f(x) durch ihre Tangente in einem Punkt x_0 zu approximieren.

  1. Die Tangentengleichung lautet: y = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0)

  2. Um die Nullstelle der Tangente zu finden, wird diese Gleichung gleich Null gesetzt: 0 = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0)

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Dies ist die grundlegende Newton-Verfahren Formel.

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Das Verfahren wird iterativ fortgesetzt, indem der berechnete x-Wert als neuer Startwert für den nächsten Schritt verwendet wird:

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  2. Startwert wählen (z.B. x_0 = 2)

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  4. Berechnung durchführen bis zur gewünschten Genauigkeit

Example: x_1 = 2 - (2³ - 2 - 2) / (3·2² - 1) = 1,6666... x_2 = 1,6666... - (1,6666...³ - 1,6666... - 2) / (3·1,6666...² - 1) = 1,5457... x_3 = 1,5457... - (1,5457...³ - 1,5457... - 2) / (3·1,5457...² - 1) = 1,5321...

Die Berechnung wird fortgesetzt, bis sich die ersten drei Dezimalstellen nicht mehr ändern.

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