寻找“最好”（8）——牛顿法

佚名 6年前 (2018-11-07) 随笔 2176人围观抢沙发百度已收录

　　牛顿是近代科学的先驱，智商290，碾压无数学霸，一个苹果都能砸出万有引力定律。

　　在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒的原理，提出牛顿三大运动定律，它们和万有引力定律奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为无数中学生的噩梦。牛顿他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；为太阳中心说提供了强有力的理论支持，并推动了科学革命。

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　　在天文学上，牛顿创制了反射望远镜。他还用万有引力原理说明潮汐的各种现象，指出潮汐的大小不但同月球的位相有关，而且同太阳的方位有关。牛顿预言地球不是正球体。

　　在哲学上，牛顿的哲学思想基本属于自发的唯物主义，他承认时间、空间的客观存在。如同历史上一切伟大人物一样，牛顿虽然对人类作出了巨大的贡献，但他也不能不受时代的限制。例如，他把时间、空间看作是同运动着的物质相脱离的东西，提出了所谓绝对时间和绝对空间的概念；他对那些暂时无法解释的自然现象归结为上帝的安排，提出一切行星都是在某种外来的“第一推动力”作用下才开始运动的说法。

　　在经济学上，牛顿提出金本位制度。这是一种以黄金为本位币的货币制度，当不同国家使用金本位时，国家之间的汇率由它们各自货币的含金量之比——金平价来决定。

　　在数学上，我们已经见识过牛顿的微积分，他与莱布尼茨共同分享了微积分学的荣誉，尽管哥俩为谁的功劳大掐过架。

　　此外，牛顿还提出了著名的牛顿法（Newton's method）也叫牛顿迭代法，它是牛顿在17世纪提出的一种在实数域和复数域上近似求解值的方法。

牛顿法

　　先来看如何用牛顿迭代法求解5的平方根。

　　首先令f(x)= x²– 5，这是标准步骤，取得一个新函数；再令该函数为0，这样原问题就可以看作是解方程x² – 5 = 0。f(x)是一个抛物线：

　　抛物线与x轴正方向的交点x就是方程的解，它比2稍大一点。

　　现在在x = 2的点(2, -1)处对f(x)做切线，切线方程是y = kx + b，斜率k是f(x)在x = 2处的导数：

　　将(2, -1)代入切线后得到截距b= -9：

　　设f(x)与x轴正半轴的交点是x，切点是x₀，切线与x轴的交点是x₁，x₁在x的右侧：

　　由于x₁贴近x，所以只要求得x₁就能近似地求出x。求解x₁的方法之一是找出过x₀的切线，之后计算切线与x轴的交点。设切线的斜率是k，根据斜率的公式：

　　过x₀的切线的斜率正式f(x)在x₀处导数的定义，因此：

　　这样一来就找到了x的近似解x₁。然而x₁还没达到标准，我们还想更贴近真实值一点，这次选取更进接近x的(x₁, f(x₁))做切点，新切点的切线与x轴的交点x₂将比原来的x₁更贴近x：

　　计算器上计算根号5的结果是2.236067，x₂的值已经相当接近。

　　重复上面步骤，每一次迭代的结果都将更接近真实值：

　　这就是牛顿迭代法的公式。

牛顿法的注意事项

　　牛顿迭代法几乎可以求解所有方程，但它仍然有一些限制。

　　在使用牛顿迭代法时，需要选取x₀作为迭代基数，x₀如何选取呢？一句参考是：x₀要在x附近，它是一个较为解接近真实解的值，这要凭经验和感觉了，没有什么太好的办法。

　　实际上，如果x₀和x的差距过大，可能会得到一个没谱的解。以计算5的平方根为例，如果选择x₀= -2，结果将偏向于-2.236067；如果选择x₀=0，则f’(0)=0，没法继续迭代：

　　设第n次迭代的误差是E_n=|x-x_n|，那么需要满足E_n+1<E_n。如果选择和计算都正确，误差缩小的速度将非常快。

从泰勒公式看牛顿法

　　泰勒展开式是一种计算近似值的方法，是一个用函数某点的信息描述在该点附近取值的公式，这就与牛顿法有些相似了。

　　把f(x)在x₀的某邻域内展开成泰勒级数：

　　进一步得到：

　　反复迭代就得到了牛顿法的公式：

解方程2cosx = 3x

　　先作图，画出y = 2cosx和y = 3x的曲线：

　　两条曲线相交于一点，方程存在唯一解。根据牛顿法，先设置f(x)：

　　两条曲线交点的位置似乎是π/6附近，所以选择π/6作为x0，根据牛顿迭代法：

　　第二次迭代与第一次迭代的差距已经非常微小，可以说x₂就是最终的近似解。

求平方根

　　在一次code review会议上，一个同事展示了一段他不理解的C++代码：

 1 const float EPS = 0.00001;
 2 
 3 doublesqrt(doublex){
 4     if(x == 0)
 5         return 0;
 6 
 7     double result = x;
 8     double lastValue;
 9     do{
10         lastValue = result;
11         result = result/2.0f + x/2.0f/result;
12     }while(abs(result - lastValue) > EPS);
13 
14    return result;
15 }