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Um die Nullstellen eines Polynoms zu finden, welches dritten Grades oder höher ist, hat man keine so einfachen Formeln wie die abc-Formel oder die pq-Formel zur Verfügung. Dem einen oder anderen mag zwar die Cardanische Formel bekannt sein, doch ist diese oft recht umständlich. Oft reicht es aus, die Nullstelle eines solchen Polynoms als Näherung anzugeben. Dafür sei hier das Newtonverfahren vorgestellt.

Problemstellung: \(x^3+3x^2+2=0\)

Um einen Überblick zu gewinnen ein Schaubild dazu:

Wir erkennen, dass wir keine "runde" Nullstelle haben und damit sind Verfahren wie Polynomdivision weniger geeignet um diese Nullstelle zu finden.

Hier kommt nun das Newtonverfahren ins Spiel, welches durch folgende Formel beschrieben wird:

$$x_{i+1} = x_i-\frac{f(x_i)}{f'(x_i)}$$

Kann man sich diese Formel merken, hat man den wichtigsten Teil um mit dem Newtonverfahren arbeiten zu können.

Was fehlt ist nun ein geeigneter Startwert um \(x_1\) berechnen zu können. Es darf hierfür ein \(x_0\) fast frei gewählt werden. Es sollte allerdings darauf geachtet werden, dass ein Startwert gewählt wird, der in der Nähe der interessanten Nullstelle zu finden ist. Im Schaubild scheint \(x_0=-3\) als geeignet.

Bevor wir das in die Formel einsetzen, noch etwas Vorarbeit:
Ableitung bestimmen -> \(f'(x) = 3x^2+6x\)

Nun in die Formel damit:

$$x_1 = -3-\frac{f(-3)}{f'(-3)}$$

Nebenrechnung:

$$f(-3) = (-3)^3+3\cdot(-3)^2+2 = 2$$

$$f'(-3) = 3\cdot(-3)^2 + 6\cdot(-3) = 9$$

Wieder in die Formel:

$$x_1 = -3-\frac{2}{9} = -3,22222$$

Wir haben also nun \(x_1\) bestimmt. Aber machen wir weiter.

$$x_2 = x_1-\frac{f(x_1)}{f'(x_1)} = -3,22222 - \frac{f(-3,22222)}{f'(-3,22222)} = -3,19622$$

Führt man das weiterhin fort erhält man:

\(x_1 = \color{red}{-3},22222\)

\(x_2 = \color{red}{-3,19}622\)

\(x_3 = \color{red}{-3,19582}\)

\(x_4 = \color{red}{-3,19582}\)

Das Verfahren wird solange fortgeführt, bis man die gewünschte Genauigkeit hat. Bis sich also die entsprechenden Stellen nicht mehr ändern. Ist man also beispielsweise an einer Genauigkeit von 4 Dezimalstellen interessiert, beobachtet man, ab wann sich die ersten 4 Dezimalstellen nicht mehr ändern. Das ist in unserem Beispiel zum ersten Mal für \(x_3\) und \(x_4\) der Fall, man kann also mit \(x_4\) das Verfahren abbrechen und die Lösung mit N(-3,1958|0) verkünden. Ein Blick auf das Schaubild geworfen bestätigt in etwa das Ergebnis :).

Nahaufnahme:

Grüße

geschlossen: Mathe-Artikel
von mathelounge
Avatar von 141 k 🚀
Ein toller Artikel!
Sehr gut formuliert und verständlich ;) Habe keine weiteren fragen ^^ Danke sehr ;)

Toll beschrieben! Selbst "Anfänger" sollten das sehr gut verstehen :-)

Dein Lob freut mich! Danke Dir :).

Deine Erkärung war einfach klasse. Toller Artikel.

Vielen Dank

Hab Dank für das Lob. Freut mich wenn er immer wieder weiterhilft :).

Herzlichen Glückwunsch für 15 daumen hoch.

Danke schön. Freut mich, wenn die Mühe nicht vergebens war und weiterhilft :).

Mega stark erklärt ;)

Lieber Inconnu,

vielen lieben Dank für den Hinweis auf diesen Artikel !

Jetzt bin ich wirklich zufrieden und habe auch (zumindest) momentan keine Fragen mehr.

(Darf ich trotzdem sagen, dass Du hier immens fehlst ??  Die Grundstimmung hat sich durch Deinen Weggang total geändert...)

Dies würden wahrscheinlich unzählige User unterschreiben.


Tausend Dank trotzdem und liebe Grüße

Sophie

Hi Sophie,

kein Problem. Freut mich immer wieder, wenn mein Artikel noch weiterhilft :).

(Und Deine Worte ehren mich. Ich bin aber nicht weg, nur leider zeitlich nicht mehr in der Lage so oft zu erscheinen :/)

Gerne und ebenfalls liebe Grüße

Ich bin wieder angemessen beeindruckt (und das ist noch milde ausgedrückt)!

Um die Nullstellen eines Polynoms zu finden, welches dritten Grades oder höher ist, ...

Als Fan des Newtonverfahrens möchte ich bei der Gelegenheit mal erwähnen, dass man mit dem Newtonverfahren die Lösungen fast jeder Gleichung  f(x) = 0  mit guter Aussicht auf Erfolg näherunsweise berechnen kann, wenn f eine differenzierbare Funktion ist und in einem "geschlossenen Term" dargestellt ist.

Danke für die Inspiration!

Wer hätte gedacht, dass ich als kompletter Neuling in der Mathematik mich fast 4 1/2 Jahre nach der Veröffentlichung hierfür interessiere...

Sehr inspirativer Artikel.

Danke für das Lob :). Freut mich, wenn der Artikel weiterhin inspiriert. 

Schöner Artikel, man könnte noch anfügen wann eine Stelle für das ''Tangentenverfahren'' geeignet ist.

Das Verfahren hilft nicht, wenn die Tangente an der Stelle(x0) zufällig parallel zur x-Achse ist!

x0 ist ein geeigneter Startwert, falls:

|(f(x0)*f''(x0)) / ((f'(x0)^2))|< 1

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