Für wen soll die Seite passen? Alles hier ist kostenlos.

Kostenlos für Ihren Unterricht: Arbeitsblätter, Aufgaben, Texte und Grafiken ohne Rückfrage kopieren, anpassen und an die Klasse weitergeben (Bedingungen).

Im Unterricht ohne Werbung: Unterrichtsansicht Mehr für Lehrkräfte

Mathematik lernen · Oberstufe, Studium

Newton-Verfahren

Manche Gleichungen lassen sich nicht auflösen. Das Newton-Verfahren verbessert einen Startwert Schritt für Schritt mit der Tangente und liefert Nullstellen in wenigen Schritten sehr genau. Du lernst die Formel, ihre Herleitung, das Abbrechen und die Stolperfallen.

Das Newton-Verfahren ist ein Rechenverfahren, mit dem du Lösungen einer Gleichung f(x)=0 näherungsweise findest. Eine solche Lösung heißt Nullstelle von f. Du brauchst es, wenn sich die Gleichung nicht auflösen lässt, zum Beispiel bei x3−2x−5=0 oder bei cosx=x.

Du startest mit einem geschätzten Wert und verbesserst ihn mit der Tangente der Funktion. Dieses wiederholte Verbessern heißt Iteration. Die Tangente ist eine Gerade, die den Graphen an einer Stelle berührt. Ihre Steigung ist die Ableitung f′(x). Mit dem Ableitungsrechner kontrollierst du sie.

Die Idee mit der Tangente

Stell dir den Graphen von f(x)=x2−2 vor. Seine Nullstelle 2 suchst du. Du rätst den Startwert x0=2 und gehst auf der Kurve zum Punkt P0(2|f(2)). Dort legst du die Tangente an. Die Kurve selbst ist krumm, die Tangente ist eine Gerade, und deren Nullstelle ist leicht zu finden. Sie liegt bei x1=1,5 und ist schon viel näher an 2 als x0.

x₀ x₁ x₂ P₀ P₁ f(x) = x² − 2 Nullstelle √2 ≈ 1,41421 Tangente in P₀
Zwei Newton-Schritte für f(x) = x² − 2 mit dem Startwert 2: Die Tangente in P₀ schneidet die x-Achse bei x₁ = 1,5, die Tangente in P₁ bei x₂ ≈ 1,4167. Jeder Schritt rückt näher an die Nullstelle √2.

Mit x1 wiederholst du alles: Punkt P1 auf der Kurve, Tangente, Nullstelle der Tangente. So entsteht x2≈1,4167. Die Werte x0,x1,x2,… rücken immer näher an die Nullstelle heran.

Die Formel

Die Tangente im Punkt (xn|f(xn)) hat die Steigung f′(xn). Ihre Gleichung ist

y=f(xn)+f′(xn)·(x−xn)

Für ihre Nullstelle setzt du y=0 und löst nach x auf. Aus 0=f(xn)+f′(xn)(x−xn) folgt x−xn=−f(xn)f′(xn). Diesen Wert nennst du xn+1.

Das Minus passt zur Anschauung: Ist f(xn) positiv und die Kurve steigt, liegt die Nullstelle links von xn, und du musst nach links gehen.

Anzeige

Beispiel: Die Wurzel aus 2

Du suchst 2 als Nullstelle von f(x)=x2−2. Mit f′(x)=2x lautet die Formel

xn+1=xn−xn2−22xn=12(xn+2xn)

Der neue Wert ist also der Mittelwert aus xn und 2xn. Ist xn zu klein, ist 2xn zu groß, und der Mittelwert liegt dazwischen. Dieses Verfahren kennst du als Heron-Verfahren (siehe Wurzelziehen nach Heron). Es ist ein Sonderfall des Newton-Verfahrens.

Newton-Verfahren für x2−2=0 mit dem Startwert 1
Schritt nxnFehler |xn−2|
014,1·10−1
11,58,6·10−2
21,416672,5·10−3
31,41421572,1·10−6
41,414213562371,6·10−12

Nach vier Schritten stimmen schon zwölf Nachkommastellen. Die Fehler schrumpfen sehr schnell: 0,086 wird zu 0,0025 und das zu 0,000002.

Newtons eigenes Beispiel

Isaac Newton führte das Verfahren um 1669 an der Gleichung x3−2x−5=0 vor. Mit f(x)=x3−2x−5 und f′(x)=3x2−2 lautet die Formel

xn+1=xn−xn3−2xn−53xn2−2

Als Startwert eignet sich x0=2: Es ist f(2)=−1 und f(3)=16. Die Funktion wechselt zwischen 2 und 3 das Vorzeichen, also liegt dort eine Nullstelle.

Newton-Verfahren für x3−2x−5=0 mit dem Startwert 2
Schritt nxnFehler
029,5·10−2
12,15,4·10−3
22,09456811,7·10−5
32,09455148171,6·10−10
42,09455148154232661,4·10−20
52,094551481542…unter 10−30

Die Nullstelle ist x≈2,094551481542. Zur Probe: 2,09455148153−2·2,0945514815−5≈0.

Anzeige

Warum so schnell? Quadratische Konvergenz

Schau auf die Spalte „Fehler“ der Tabelle: 9,5·10−2, dann 5,4·10−3, dann 1,7·10−5, dann 1,6·10−10. Die Zahl der richtigen Stellen verdoppelt sich ungefähr: 1, 2, 4, 9, 19. Das nennt man quadratische Konvergenz. Der neue Fehler ist etwa ein Vielfaches vom Quadrat des alten:

en+1≈C·en2mit C=|f′′(x*)2f′(x*)|

Dabei ist en der Fehler im Schritt n und x* die gesuchte Nullstelle. Bei Newtons Beispiel ist C≈0,56: Es ist 1,66·10−5(5,45·10−3)2≈0,56. Quadriert man eine kleine Zahl wie 0,005, wird sie winzig, und deshalb gewinnt jeder Schritt so viele Stellen.

Das gilt, wenn f′(x*)≠0 ist und der Startwert nah genug an der Nullstelle liegt. Bei einer doppelten Nullstelle wie x2=0 ist die Konvergenz nur noch linear: Aus f(x)=x2 folgt xn+1=xn2, der Fehler wird in jedem Schritt nur halbiert.

Wann hörst du auf?

Die wahre Nullstelle kennst du nicht, also kannst du den Fehler nicht ausrechnen. Du brauchst ein Abbruchkriterium. Üblich ist:

  • Der Abstand zweier Näherungen ist klein: |xn+1−xn|<ε mit einer Schranke ε, zum Beispiel 10−6.
  • Zusätzlich eine Höchstzahl an Schritten, damit die Rechnung bei Zyklen nicht ewig läuft.

Bei Newtons Beispiel sind die Schrittweiten 0,1, dann 5,4·10−3, dann 1,7·10−5 und dann 1,6·10−10. Mit ε=10−6 hörst du nach dem vierten Schritt auf. Wegen der quadratischen Konvergenz ist x4 dann sogar viel genauer als verlangt. Die Schrittweite ist nämlich ungefähr der Fehler des vorigen Wertes.

Vorsicht: Ein kleiner Funktionswert |f(xn)| allein beweist nicht, dass du nah an der Nullstelle bist, wenn die Kurve dort sehr flach verläuft.

Anzeige

Wann das Verfahren scheitert

Das Newton-Verfahren ist schnell, aber nicht narrensicher. Es gibt vier typische Probleme.

  • Waagerechte Tangente: Ist f′(xn)=0, gibt es keinen Schnittpunkt der Tangente mit der x-Achse, und die Formel verlangt eine Division durch null. Bei f(x)=x2−2 funktioniert der Startwert 0 deshalb nicht. Auch ein sehr kleines f′(xn) wirft den nächsten Wert weit weg.
  • Zyklus: Bei f(x)=x3−2x+2 und dem Startwert 0 ergibt sich x1=1 und danach wieder x2=0. Das Verfahren pendelt für immer zwischen 0 und 1, die echte Nullstelle bei etwa −1,77 findet es nie.
  • Divergenz: Bei f(x)=x3 mit der Nullstelle 0 gilt xn+1=−2xn. Aus dem Startwert 1 wird −2, dann 4, dann −8. Die Werte laufen weg statt hin.
  • Falsche Nullstelle: Hat f mehrere Nullstellen, landet das Verfahren bei einer, die vom Startwert abhängt, und nicht unbedingt bei der, die du suchst.
−2 2 x₀ = x₂ = 0 x₁ = 1 f(x) = x³ − 2x + 2 Startwert 0: 0, 1, 0, 1, … Nullstelle ≈ −1,77
Ein Zyklus: Bei f(x) = x³ − 2x + 2 und dem Startwert 0 liefert das Newton-Verfahren abwechselnd 1 und 0. Die Nullstelle bei etwa −1,77 wird nie erreicht.

Vergleich mit der Intervallhalbierung

Ein zweites Verfahren, das du kennen solltest, ist die Intervallhalbierung (Bisektion). Du brauchst zwei Stellen a und b mit verschiedenem Vorzeichen von f. Dann liegt zwischen ihnen eine Nullstelle. Du berechnest die Mitte m des Intervalls und behältst die Hälfte, an deren Rändern f weiter das Vorzeichen wechselt. Jeder Schritt halbiert das Intervall.

Bei x3−2x−5 auf [2;3] ist die Länge nach n Schritten 2−n. Damit der Mittelpunkt garantiert höchstens 10−12 von der Nullstelle entfernt ist, braucht es 39 Halbierungen, denn 2−40≈9,1·10−13. Das Newton-Verfahren schafft mehr als diese Genauigkeit in vier Schritten.

Newton-Verfahren und Intervallhalbierung im Vergleich
Newton-VerfahrenIntervallhalbierung
Schritte für 12 Stellen (Beispiel)439 (garantiert)
Konvergenzquadratisch: Stellen verdoppeln sichlinear: nur etwa 0,3 Dezimalstellen pro Schritt
BrauchtAbleitung und guten StartwertVorzeichenwechsel in einem Intervall
Sicherheitkann scheiternklappt immer, wenn f stetig ist

In der Praxis kombiniert man beide: Erst grenzt man die Nullstelle durch einige Halbierungen ein, dann verfeinert man mit dem Newton-Verfahren. Ist die Ableitung schwer zu berechnen, ersetzt man sie durch eine Sekantensteigung. Das heißt Sekantenverfahren und ist etwas langsamer.

Rechnen lässt sich das Verfahren auch mit dem Newton-Verfahren-Rechner, und der Gleichungslöser hilft bei Gleichungen, die sich exakt lösen lassen.

Typische Fehler

Übungen

Mehr Aufgaben findest du unter Newton-Verfahren: Aufgaben.

Geschichte: von Babylon bis Raphson

Die Grundidee ist viel älter als Newton. Schon die Babylonier benutzten es für Quadratwurzeln, und Heron von Alexandria beschrieb das Verfahren in seiner Metrika. Das ist der Sonderfall für Wurzeln, den du oben gerechnet hast.

Isaac Newton verallgemeinerte die Idee auf beliebige Polynome. Er schrieb sie 1669 in seiner Schrift De analysi auf, die erst 1711 gedruckt wurde. Seine Rechnung sah anders aus als unsere Formel: Er suchte nach jedem Schritt eine neue Gleichung für die Korrektur. Zum ersten Mal gedruckt wurde das Verfahren 1685 in der Algebra von John Wallis. Joseph Raphson veröffentlichte 1690 eine vereinfachte Fassung, bei der man die Korrektur direkt aus dem Polynom berechnet. Deshalb heißt es auch Newton-Raphson-Verfahren.

Die heutige Form mit der Ableitung f′ stammt von Thomas Simpson. Erst durch sie ließ sich das Verfahren auf beliebige differenzierbare Funktionen anwenden. Mehr zur Zeit, in der das alles entstand, steht unter Mathematik des 17. Jahrhunderts.

Häufige Fragen

Wie wähle ich den Startwert?

Zeichne den Graphen oder suche zwei Stellen mit verschiedenem Vorzeichen von f. Nimm einen Wert in der Nähe der Nullstelle, an dem die Kurve nicht fast waagerecht verläuft.

Findet das Verfahren alle Nullstellen?

Nein. Es liefert pro Start nur eine Nullstelle, und zwar eine in der Nähe des Startwerts, meist die nächste. Für weitere Nullstellen brauchst du weitere Startwerte.

Wie viele Schritte braucht man?

Bei einem guten Startwert meist drei bis sechs. Danach hat man auf dem Taschenrechner schon alle Stellen, die er anzeigt.

Warum heißt es auch Newton-Raphson-Verfahren?

Weil Joseph Raphson es 1690 in einer einfacheren Form veröffentlichte, die der heutigen schon sehr nahe kommt.

Was tue ich, wenn ich die Ableitung nicht kenne?

Du kannst sie durch einen Differenzenquotienten ersetzen. Das ist das Sekantenverfahren. Es ist etwas langsamer, braucht aber keine Ableitung.

Quellen und weiterführende Literatur

Anzeige