Da qui conviene la forma semplificata, valida per x2−2: xk+1=xk+xk−1xkxk−1+2. Con x3=1,4 e x2=34: x4=1,4+1,333331,4⋅1,33333+2=2,733333,86667=1,414634.
(La formula semplificata segue da xk−xk2−xk−12(xk2−2)(xk−xk−1)=xk−xk+xk−1xk2−2=xk+xk−1xkxk−1+2; controllo: x2=32⋅1+2=34 ✓.)
k
xk
ek
2
1,333333
−8,09⋅10−2
3
1,400000
−1,42⋅10−2
4
1,414634
+4,21⋅10−4
5
1,414211
−2,12⋅10−6
6
1,4142135621
−3,16⋅10−10
(b) Costante e ordine
La teoria dà ek+1≈2f′(α)f′′(α)ekek−1 con 2f′f′′=2⋅222=0,35355. Rapporti calcolati (con i segni: e2<0, e3<0, e4>0, e5<0, e6<0): e3e2e4=(−1,42⋅10−2)(−8,09⋅10−2)4,21⋅10−4=0,366, e4e3e5=(4,206⋅10−4)(−1,42⋅10−2)−2,124⋅10−6=0,355, e5e4e6=(−2,124⋅10−6)(4,206⋅10−4)−3,16⋅10−10=0,3535: tende a 0,3535 ✓. Ordine stimato con ∣e4∣,∣e5∣,∣e6∣: p≈ln(∣e5∣/∣e4∣)ln(∣e6∣/∣e5∣)=ln(5,05⋅10−3)ln(1,49⋅10−4)=−5,29−8,81=1,67, compatibile con 1,618.
(c) Costo
Newton da x0=2: x1=1,5, x2=1,416667, x3=1,414215686, x4=1,414213562375; errori 8,6⋅10−2, 2,5⋅10−3, 2,1⋅10−6, 1,6⋅10−12. Sotto 10−9 dopo 4 passi: 4 valutazioni di f e 4 di f′, in totale 8.
Secanti: x6 ha errore 3,16⋅10−10<10−9. Le valutazioni di f: f(x0),…,f(x5) per ottenere x6: 6 in totale, nessuna di f′.
Per questa f, f′(x)=2x costa quanto f: Newton 8 valutazioni, secanti 6. Se la derivata fosse molto più costosa (o non disponibile) il vantaggio sarebbe ancora maggiore.
(d) Un ciclo di Newton
Per f(x)=x3−2x+2, f′(x)=3x2−2:
x0=0: f(0)=2, f′(0)=−2, x1=0−−22=1.
x1=1: f(1)=1, f′(1)=1, x2=1−1=0.
Si ritorna a x0=0: l'iterazione cicla 0→1→0→⋯ e non converge. La radice reale è α=−1,76929 (le altre due sono complesse): la tangente in 0 e quella in 1 si "rimpallano" lontano dalla radice.
Rimedio: separare la radice con la bisezione (f(−2)=−2<0, f(−1)=3>0) e usare Newton da un punto dentro [−2,−1]: da x0=−1,5 si ottiene −1,84211,−1,77283,−1,769301,−1,7692924 (errori 2,7⋅10−1→7,3⋅10−2→3,5⋅10−3→8,9⋅10−6→6⋅10−11).
Risultati. Secanti: x5=1,414211, x6=1,41421356, ordine ≈1,6; 6 valutazioni contro 8; Newton da 0 per x3−2x+2: ciclo 0↔1.
Errori tipici
Indicare per le secanti l'ordine 2 o dire che "converge come Newton": l'ordine è 1,618, ma costa meno per passo.
Partire con x0 e x1 troppo vicini: il denominatore f(xk)−f(xk−1) perde cifre (cancellazione) e il metodo si inceppa quando xk≈xk−1.
(b)ekek−1ek+1=0,366,0,355,0,3535→2f′f′′=221=0,3535; ordine stimato 1,67≈1,618.
(c) Newton da 2: 1,5,1,416667,1,414215686,1,414213562375, 4 passi, 8 valutazioni (f e f′). Secanti: x6 con 6 valutazioni di f.
(d)x3−2x+2, x0=0: x1=0−−22=1, x2=1−11=0: ciclo 0↔1; radice reale −1,76929. Si separa con la bisezione (f(−2)=−2, f(−1)=3) e da −1,5 Newton dà −1,84211,−1,77283,−1,769301,−1,7692924.
Passaggi. Forma semplificata: xk−xk2−xk−12(xk2−2)(xk−xk−1)=xk−xk+xk−1xk2−2=xk+xk−1xkxk−1+2; controllo x2=32⋅1+2=34. Con f(x2)=−0,22222 e la formula generale x3=1,33333+0,22222⋅0,3=1,4. Costo: Newton 4(f)+4(f′)=8 valutazioni, secanti 6 (f(x0),…,f(x5)).
Errori tipici: ordine delle secanti 2 (è 1,618); x0 e x1 troppo vicini (cancellazione nel denominatore).