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Mathematik Numerik – Newton-Verfahren

14 KartenMathematikatrio08.10.2026Nur mit Link

Karteikarten zum Thema „Mathematik“ · 14 Karten · von atrio. Beispiele: Was ist die Grundidee des Newton-Verfahrens? · Wie lautet die Iterationsformel des Ne…

Karten

14 Karten
STANDARD

Was ist die Grundidee des Newton-Verfahrens?

Rückseite

Nullstelle von f durch Iteration x_{n+1} = x_n - f(x_n)/f'(x_n) approximieren; Tangente an f in x_n schneidet x-Achse in nächstem Iterierten.

STANDARD

Wie lautet die Iterationsformel des Newton-Verfahrens?

Rückseite

x_{n+1} = x_n - f(x_n) / f'(x_n), wobei f' die Ableitung von f ist und x_0 ein Startwert nahe der gesuchten Nullstelle.

STANDARD

Wie leitet sich die Iterationsformel geometrisch her?

Rückseite

Die Tangente an den Graphen von f im Punkt (x_n, f(x_n)) hat die Steigung f'(x_n); ihr Schnitt mit der x-Achse liefert x_{n+1}.

STANDARD

Welche Konvergenzordnung hat das Newton-Verfahren bei einfachen Nullstellen?

Rückseite

Quadratische Konvergenz: der Fehler verhält sich wie e_{n+1} ≈ C · e_n², sodass sich die Anzahl korrekter Stellen pro Schritt etwa verdoppelt.

STANDARD

Welche Voraussetzungen müssen für quadratische Konvergenz erfüllt sein?

Rückseite

f ∈ C², f'(ξ) ≠ 0 an der Nullstelle ξ, und der Startwert x_0 liegt hinreichend nah an ξ (lokale Konvergenz).

STANDARD

Welche Abbruchkriterien werden in der Praxis verwendet?

Rückseite

Typisch: |x_{n+1} - x_n| < tol (Schrittweite), |f(x_n)| < tol (Residuum), oder maximale Iterationszahl erreicht; oft kombiniert.

STANDARD

Was passiert bei einer Nullstelle höherer Vielfachheit m > 1?

Rückseite

Die Konvergenz wird nur noch linear mit Faktor (m-1)/m; f'(ξ) = 0 bricht die quadratische Konvergenz, da der Nenner gegen null geht.

STANDARD

Wie modifiziert man das Newton-Verfahren für Nullstellen der Vielfachheit m?

Rückseite

Iteration x_{n+1} = x_n - m · f(x_n)/f'(x_n) stellt quadratische Konvergenz wieder her, wenn m bekannt ist.

STANDARD

Worin unterscheidet sich Newton vom Sekantenverfahren?

Rückseite

Newton nutzt f'(x_n) analytisch (quadratische Konvergenz), Sekantenverfahren approximiert die Ableitung durch Differenzenquotient (superlineare Konvergenz, Ordnung ≈ 1,618).

STANDARD

Wie verallgemeinert man Newton auf Gleichungssysteme F(x) = 0?

Rückseite

x_{n+1} = x_n - J_F(x_n)⁻¹ F(x_n), wobei J_F die Jacobi-Matrix ist; erfordert Lösung eines linearen Gleichungssystems pro Schritt.

STANDARD

Was ist der Hauptrechenaufwand pro Iterationsschritt beim Newton-Verfahren?

Rückseite

Auswertung von f und f' (skalar) bzw. Lösung eines linearen Systems mit der Jacobi-Matrix (multivariat); oft dominierend.

STANDARD

Nenne drei Situationen, in denen das Newton-Verfahren fehlschlagen kann.

Rückseite

f'(x_n) = 0 (Division durch null), Zyklen bei ungünstigem Startwert, Abdriften gegen Unendlich oder zu einer anderen Nullstelle.

STANDARD

Was tun, wenn die Ableitung f' nicht analytisch vorliegt?

Rückseite

Entweder numerische Differentiation (Finite Differenzen) nutzen oder auf das Sekantenverfahren ausweichen, das keine Ableitung benötigt.

STANDARD

Berechne einen Newton-Schritt für f(x) = x² - 2 mit Startwert x₀ = 1.

Rückseite

f(1) = -1, f'(1) = 2 → x₁ = 1 - (-1)/2 = 1,5; die Nullstelle √2 ≈ 1,414 wird schnell angenähert.

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