Resumo
O teorema de Bolzano assegura que uma função contínua que muda de sinal tem uma raiz, e o método da bisseção a localiza, ganhando um algarismo binário a cada bisseção. Esta aula estuda um procedimento muito mais rápido quando funciona: o método de Newton-Raphson, que substitui o gráfico por sua reta tangente e toma como nova aproximação o ponto em que a tangente corta o eixo. As aproximações assim obtidas são definidas uma após a outra para os inteiros , e seu limite é entendido com a definição do limite quando a variável tende ao infinito, sem a teoria das sequências. A aula demonstra, com a convexidade, que se a derivada não se anula e a função é convexa ou côncava, as iterações que começam do lado certo se aproximam da raiz sem ultrapassá-la e convergem para ela; e, com o teorema do valor médio, que o valor da função, que se calcula, limita a distância à raiz, que não se conhece. Mostra depois, com exemplos numéricos, que o número de algarismos corretos dobra a cada iteração, e os modos em que o método falha: uma derivada nula, um ciclo, uma divergência. Os problemas calculam raízes cúbicas e inversos sem dividir, rompem um ciclo, estudam uma raiz dupla e encontram o limite exato entre a convergência e a divergência para o arco tangente.
Objetivos de aprendizagem
- Calcular as iterações de Newton-Raphson de uma função derivável e reconhecer nelas o ponto em que a reta tangente corta o eixo.
- Demonstrar a convergência monótona das iterações quando a derivada não se anula e a função é convexa ou côncava, e escolher um ponto de partida do lado certo.
- Limitar a distância de uma aproximação à raiz com o valor da função e uma cota inferior de sua derivada.
- Reconhecer os modos em que o método falha e compará-lo com a bisseção, em rapidez e em segurança.
A iteração
Seja uma função derivável cuja raiz se procura, e seja uma primeira aproximação. Perto de , o gráfico de se parece com sua reta tangente, , segundo a definição de reta tangente da aula sobre a derivada como limite; dito com a diferencial da aula sobre as derivadas sucessivas e a diferencial, o incremento se parece com . A tangente corta o eixo em um único ponto se , e é natural tomá-lo como nova aproximação: ele se obtém igualando a zero a equação da tangente. Repetir o procedimento a partir do ponto obtido é o método de Newton-Raphson.
Sejam uma função derivável em um intervalo e um ponto de . As iterações de Newton-Raphson a partir de são os números definidos, um após o outro, por
enquanto estiver em e . Se essas condições se cumprem para todo inteiro , as iterações formam uma função definida no conjunto dos inteiros não negativos, que não é limitado superiormente, e a definição do limite quando a variável tende ao infinito, da aula sobre os limites quando a variável tende ao infinito, aplica-se a ela. Diz-se que as iterações convergem para se , isto é, se
Cada iteração é o ponto em que a tangente em corta o eixo: ao pôr e na equação e isolar, obtém-se a fórmula da definição. O método não exige que a função mude de sinal em um intervalo dado, como a bisseção, mas que seja derivável e que sua derivada não se anule nos pontos pelos quais passa; em compensação, nada assegura de antemão que as iterações se aproximem de uma raiz. Mais adiante se dão condições que o asseguram.
Aplicar o método de Newton-Raphson a a partir de . O desenvolvimento abaixo mostra as três primeiras tangentes e os pontos em que cortam o eixo.
Demonstração
A derivada é , que não se anula se . A iteração toma esta forma: cada aproximação é a média entre a que a precede e dividido por ela. A partir de , a tangente corta o eixo em .
A tangente em corta o eixo muito mais perto da raiz.
A terceira iteração já tem cinco casas decimais corretas. Os erros, , são cerca de , , e : cada um é da ordem do quadrado do que o precede.
O erro deste exemplo se eleva ao quadrado de forma exata. Da fórmula da iteração obtém-se, para todo , esta identidade:
Portanto, todas as iterações a partir da primeira são maiores ou iguais a , e se , o novo erro é no máximo a metade do quadrado do erro atual: a quarta iteração, , tem onze casas decimais corretas. Com substituído por um número positivo qualquer, o mesmo procedimento calcula raízes quadradas; ele já aparece na Métrica de Heron de Alexandria, no século I, e por isso é chamado também de método de Heron.
Isaac Newton descreveu seu método para equações polinomiais em 1669, em um escrito que circulou manuscrito e foi publicado em 1711; Joseph Raphson publicou em 1690 uma exposição mais simples, e Thomas Simpson o apresentou em 1740 como um método iterativo para equações gerais.
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