Objetivos de aprendizaje
- 4.9.1 Describir los pasos del método de Newton.
- 4.9.2 Explicar qué significa un proceso iterativo.
- 4.9.3 Reconocer cuando el método de Newton no funciona.
- 4.9.4 Aplicar procesos iterativos en diversas situaciones.
En muchas áreas de la matemática pura y aplicada, nos interesa encontrar soluciones a una ecuación de la forma Para la mayoría de las funciones, sin embargo, es difícil (si no imposible) calcular sus ceros explícitamente. En esta sección, echamos un vistazo a una técnica que proporciona una forma muy eficiente de aproximar los ceros de las funciones. Esta técnica usa aproximaciones de rectas tangentes y está detrás del método utilizado a menudo por calculadoras y computadoras para encontrar ceros.
Descripción del método de Newton
Consideremos la tarea de encontrar las soluciones de Si es el polinomio de primer grado entonces la solución de está dado por la fórmula Si es el polinomio de segundo grado las soluciones de pueden hallarse utilizando la fórmula cuadrática. Sin embargo, en los polinomios de grado o más, hallar raíces de es más complicado. Aunque existen fórmulas para los polinomios de tercer y cuarto grado, son bastante complicadas. Además, si es un polinomio de grado o mayor, sabemos que tales fórmulas no existen. Por ejemplo, consideremos la función
No existe ninguna fórmula que nos permita encontrar las soluciones de Existen dificultades similares para las funciones no polinómicas. Por ejemplo, consideremos la tarea de encontrar soluciones para No existe ninguna fórmula sencilla para las soluciones de esta ecuación. En estos casos, podemos utilizar el método de Newton para aproximar las raíces.
El método de Newton utiliza la siguiente idea para aproximar las soluciones de Trazando un gráfico de podemos estimar una raíz de Llamemos a esta estimación A continuación, trazamos la línea tangente a en Si esta línea tangente se cruza con el eje en algún momento Ahora supongamos que es la siguiente aproximación a la raíz real. Típicamente, está más cerca que a una raíz real. A continuación trazamos la línea tangente a en Si esta línea tangente también se interseca con el eje , produciendo otra aproximación, Continuamos así, derivando una lista de aproximaciones Normalmente, los números se acercan rápidamente a una raíz real como se muestra en la siguiente figura.
Veamos ahora cómo calcular las aproximaciones Si es nuestra primera aproximación, la aproximación se define dejando que es la intersección en de la línea tangente a en La ecuación de esta línea tangente viene dada por
Por lo tanto, deben satisfacer
Resolviendo esta ecuación para concluimos que
Del mismo modo, el punto es la intersección en de la línea tangente a en Por lo tanto, satisface la ecuación
En general, para satisface
A continuación veremos cómo hacer uso de esta técnica para aproximar la raíz del polinomio
Ejemplo 4.46
Encontrar la raíz de un polinomio
Utilice el método de Newton para aproximar una raíz de en el intervalo Supongamos que y calculemos y
Solución
En la Figura 4.78, vemos que tiene una raíz en el intervalo Por lo tanto parece una primera aproximación razonable. Para encontrar la siguiente aproximación, utilizamos la Ecuación 4.8. Dado que la derivada es Utilizando la Ecuación 4.8 con (y una calculadora que muestre dígitos), obtenemos
Para encontrar la siguiente aproximación, utilizamos la Ecuación 4.8 con y el valor de almacenado en la calculadora. Tenemos que
Al continuar de esta manera, obtenemos los siguientes resultados:
Observamos que obtuvimos el mismo valor para y Por lo tanto, cualquier aplicación posterior del método de Newton dará muy probablemente el mismo valor para
Punto de control 4.45
Suponiendo que utilizaremos el método de Newton para aproximar la raíz de en el intervalo calculando y
El método de Newton también puede utilizarse para aproximar raíces cuadradas. Aquí mostramos cómo aproximar Este método puede ser modificado para aproximar la raíz cuadrada de cualquier número positivo.
Ejemplo 4.47
Encontrar una raíz cuadrada
Utilice el método de Newton para aproximar (Figura 4.79). Supongamos que supongamos que y calcule (Observamos que como tiene un cero en el valor inicial es una opción razonable para aproximar
Solución
Para Por la Ecuación 4.8, sabemos que
Por lo tanto,
Al continuar de esta manera, hallamos que
Como obtuvimos el mismo valor para y es poco probable que el valor cambie en cualquier aplicación posterior del método de Newton. Concluimos que
Punto de control 4.46
Utilice el método de Newton para aproximar suponiendo que y Halle y
Cuando se utiliza el método de Newton, cada aproximación después de la conjetura inicial se define en términos de la aproximación anterior utilizando la misma fórmula. En particular, al definir la función podemos reescribir la Ecuación 4.8 como Este tipo de proceso, en el que cada se define en términos de repitiendo la misma función, es un ejemplo de proceso iterativo. En breve, examinaremos otros procesos iterativos. En primer lugar, veamos las razones por las que el método de Newton podría no encontrar una raíz.
Fallos del método de Newton
Normalmente, el método de Newton se utiliza para hallar las raíces con bastante rapidez. Sin embargo, las cosas pueden salir mal. Algunas de las razones por las que el método de Newton puede fallar son las siguientes:
- En una de las aproximaciones la derivada es cero en pero Como resultado, la línea tangente de en no se interseca con el eje . Por lo tanto, no podemos continuar el proceso iterativo.
- Las aproximaciones puede acercarse a una raíz diferente. Si se grafica la función tiene más de una raíz, es posible que nuestras aproximaciones no se acerquen a la que estamos buscando, sino que se acerquen a una raíz diferente (ver la Figura 4.80). Este hecho se produce con mayor frecuencia cuando no elegimos la aproximación lo suficientemente cerca de la raíz deseada.
- Las aproximaciones pueden no acercarse completamente a una raíz. En el Ejemplo 4.48, proporcionamos un ejemplo de una función y una conjetura inicial tal que las aproximaciones sucesivas nunca se acercan a una raíz porque las aproximaciones sucesivas siguen alternando entre dos valores.
Ejemplo 4.48
Cuando el método de Newton falla
Considere la función Supongamos que Demuestre que la secuencia no se acerca a una raíz de
Solución
Para la derivada es Por lo tanto,
En el siguiente paso,
En consecuencia, los números siguen rebotando de un lado a otro entre y y nunca se acercan a la raíz de que está en el intervalo (vea la Figura 4.81). Afortunadamente, si elegimos una aproximación inicial más cerca de la raíz real, podemos evitar esta situación.
Punto de control 4.47
Para supongamos que y hallar y
En el Ejemplo 4.48, vemos que el método de Newton no siempre funciona. Sin embargo, cuando lo hace, la secuencia de aproximaciones se acerca a la raíz muy rápidamente. En los textos de análisis numérico se discute la rapidez con la que la secuencia de aproximaciones se acerca a una raíz encontrada mediante el método de Newton.
Otros procesos iterativos
Como se ha mencionado anteriormente, el método de Newton es un tipo de proceso iterativo. Ahora veremos un ejemplo de un tipo diferente de proceso iterativo.
Considere una función y un número inicial Defina los números siguientes mediante la fórmula Este proceso es un proceso iterativo que crea una lista de números Esta lista de números puede acercarse a un número finito a medida que se hace más grande, o es posible que no lo haga. En el Ejemplo 4.49, vemos un ejemplo de función y una conjetura inicial de manera que la lista de números resultante se aproxime a un valor finito.
Ejemplo 4.49
Encontrar un límite para un proceso iterativo
Supongamos que y supongamos que Para todo supongamos que Halle los valores Haga una conjetura sobre lo que ocurre con esta lista de números cuando Si la lista de números se acerca a un número finito entonces satisface y se llama punto fijo de
Solución
Si los valores de entonces
A partir de esta lista, hacemos la conjetura de que los valores se acercan a
La Figura 4.82 proporciona un argumento gráfico de que los valores se aproximan cuando A partir del punto trazamos una línea vertical hasta el punto El siguiente número de nuestra lista es Utilizamos para calcular Por lo tanto, trazamos una línea horizontal que une al punto en la línea y luego dibujar una línea vertical que conecte al punto La salida se convierte en Si continuamos de esta manera, podríamos crear un número infinito de segmentos de línea. Estos segmentos de línea están atrapados entre las líneas en tanto que Los segmentos de línea se acercan al punto de intersección de estas dos líneas, lo que ocurre cuando Si resolvemos la ecuación concluimos que se intersecan en Por lo tanto, nuestra evidencia gráfica concuerda con nuestra evidencia numérica de que la lista de números se acerca a cuando
Punto de control 4.48
Considere la función Supongamos que y supongamos que por Halle Haga una conjetura sobre lo que ocurre con la lista de números cuando
Proyecto de estudiante
Procesos iterativos y caos
Los procesos iterativos pueden tener un comportamiento muy interesante. En esta sección, hemos visto varios ejemplos de procesos iterativos que convergen en un punto fijo. También hemos visto en el Ejemplo 4.48 que el proceso iterativo rebota entre dos valores. A este tipo de comportamiento lo llamamos −ciclo. Los procesos iterativos pueden converger en ciclos con diversas periodicidades, como (donde el proceso iterativo repite una secuencia de cuatro valores), 8 ciclos, etc.
Algunos procesos iterativos dan lugar a lo que los matemáticos llaman caos. En este caso, el proceso iterativo salta de un valor a otro de forma aparentemente aleatoria y nunca converge ni se asienta en un ciclo. Aunque una exploración completa del caos está más allá del alcance de este texto, en este proyecto examinamos una de las propiedades clave de un proceso iterativo caótico: la dependencia sensible de las condiciones iniciales. Esta propiedad se refiere al concepto de que pequeños cambios en las condiciones iniciales pueden generar un comportamiento drásticamente diferente en el proceso iterativo.
Probablemente el ejemplo más conocido de caos es el conjunto de Mandelbrot (vea la Figura 4.83), llamado así por Benoit Mandelbrot (1924-2010), que investigó sus propiedades y ayudó a popularizar el campo de la teoría del caos. El conjunto de Mandelbrot suele generarse por computadora y muestra detalles fascinantes al ampliarse, incluida la autorreplicación del conjunto. Varias versiones coloreadas del conjunto se han expuesto en museos y pueden encontrarse en Internet y en libros populares sobre el tema.
En este proyecto utilizamos el mapa logístico
como la función en nuestro proceso iterativo. El mapa logístico es una función aparentemente sencilla, pero dependiendo del valor de el proceso iterativo resultante muestra un comportamiento muy interesante. Puede conducir a puntos fijos, ciclos e incluso al caos.
Para visualizar el comportamiento a largo plazo del proceso iterativo asociado al mapa logístico, utilizaremos una herramienta llamada diagrama de telaraña. Tal como hicimos con el proceso iterativo que examinamos anteriormente en esta sección, primero trazaremos una línea vertical desde el punto al punto A continuación, trazamos una línea horizontal desde ese punto hasta el punto luego dibujamos una línea vertical a y continuamos el proceso hasta que el comportamiento a largo plazo del sistema se haga evidente. La Figura 4.84 muestra el comportamiento a largo plazo del mapa logístico cuando y (Las primeras iteraciones no están representadas). El comportamiento a largo plazo de este proceso iterativo es un −ciclo.
- Supongamos que y elegir Calcule, a mano o con una computadora, los primeros valores en la secuencia. ¿Parece que la secuencia converge? Si es así, ¿a qué valor? ¿Resulta un ciclo? Si es así, ¿qué tipo de ciclo (por ejemplo,
- ¿Qué sucede cuando
- Para y calcule los primeros valores de la secuencia. Genere un diagrama de telaraña para cada proceso iterativo. (Existen varias miniaplicaciones gratuitas en línea que generan diagramas de telaraña para el mapa logístico). ¿Cuál es el comportamiento a largo plazo en cada uno de estos casos?
- Ahora supongamos que Calcule los primeros valores de la secuencia y genere un diagrama de telaraña. ¿Cuál es el comportamiento a largo plazo en este caso?
- Repita el proceso para pero suponga que ¿Cómo se compara este comportamiento con el de
Sección 4.9 ejercicios
En los siguientes ejercicios, escriba la fórmula de Newton como para resolver
En los siguientes ejercicios, resuelva utilizando la iteración la cual difiere ligeramente del método de Newton. Halle una que funcione y una que no converja, con la excepción de
con la
En los siguientes ejercicios, comience en
a. y
b.
Calcule y utilizando el método iterativo especificado.
grandes.
En los siguientes ejercicios, resuelva con cuatro decimales utilizando el método de Newton y una computadora o calculadora. Elija cualquier conjetura inicial que no sea la raíz exacta.
En los siguientes ejercicios, utilice el método de Newton para encontrar los puntos fijos de la función donde redondee a tres decimales.
El método de Newton puede utilizarse para encontrar los máximos y los mínimos de las funciones, además de las raíces. En este caso aplique el método de Newton a la función derivada para encontrar sus raíces, en vez de la función original. En los siguientes ejercicios, considere la formulación del método.
Para encontrar candidatos a máximos y mínimos, necesitamos encontrar los puntos críticos Demuestre que para resolver los puntos críticos de una función El método de Newton viene dado por
En los siguientes ejercicios, utilice el método de Newton para encontrar la ubicación de los mínimos o máximos locales de las siguientes funciones; redondee a tres decimales.
Un mínimo de
Un mínimo de
Máximo de
Un mínimo de mínimo diferente a cero más cercano a
En los siguientes ejercicios, utilice el método especificado para resolver la ecuación. Si no funciona, explique por qué.
Método de Newton,
Método de Newton, a partir de
En los siguientes ejercicios, utilice el método de la secante, un método iterativo alternativo al método de Newton. La fórmula viene dada por
Halle una raíz para con una precisión de tres decimales.
Halle una raíz para con una precisión de cuatro decimales.
¿Por qué utilizar el método de la secante en lugar del método de Newton? ¿Cuáles son las restricciones necesarias para
En los siguientes ejercicios, utilice tanto el método de Newton como el método de la secante para calcular la raíz de las siguientes ecuaciones. Utilice una calculadora o una computadora para calcular cuántas iteraciones de cada una son necesarias para llegar a tres decimales de la respuesta exacta. En el método de la secante, utilice la primera conjetura del método de Newton.
En los siguientes ejercicios, considere la ecuación de Kepler relativa a las órbitas planetarias, donde es la anomalía media, es una anomalía excéntrica, y mide la excentricidad.
Utilice el método de Newton para resolver la anomalía excéntrica cuando la anomalía media y la excentricidad de la órbita redondee a tres decimales.
Utilice el método de Newton para resolver la anomalía excéntrica cuando la anomalía media y la excentricidad de la órbita redondee a tres decimales.
Los dos ejercicios siguientes consideran una inversión bancaria. La inversión inicial es de Después de años, la inversión se triplicó hasta
Utilice el método de Newton para determinar el tipo de interés si este se calcula anualmente.
Utilice el método de Newton para determinar el tipo de interés si este se calcula continuamente.
El costo de impresión de un libro expresarse mediante la ecuación Utilice el método de Newton para encontrar el punto de equilibrio si la imprenta vende cada libro por