Lösungswege Mathematik Oberstufe 7, Schülerbuch

191 Anwendungen der Differentialrechnung > Innermathematische Anwendung Das Näherungsverfahren von Newton Ist ​x ​0 ​ein Näherungswert für die Lösung der Gleichung f​​(x) ​= 0,​ so erhält man (unter bestimmten Voraussetzungen) durch folgende Iterationsformel immer bessere Näherungswerte für die Lösung: ​x ​n+1 ​= ​x ​n ​− ​ f​(​x ​n​)​ _ f‘​(​x ​n​)​ ​ für ​n ∈ ℕ​. Bemerkung: ​f​(x)​muss für alle Stellen ​x​n ​differenzierbar sein und es muss gelten: f‘​​(xn) ≠ 0. Bestimme die reelle Lösung der Gleichung x​ ​3 ​− 7 = 0 auf fünf Dezimalstellen genau. Als erster Näherungswert für die Lösung der Gleichung wird x​ ​0 ​= 2 gewählt. Aus obiger Formel ergibt sich mit f​(x) ​= ​x ​3 ​− 7 und f​‘​(x) ​= 3 ​x​2 ​für den nächsten Näherungswert x​ ​ 1:​ x​ ​1 ​= ​x ​0 ​− ​ f​(​x ​0​)​ _ f‘​(​x ​0​)​ ​= 2 − ​1 _ 12 ​= 1,916666… Ebenso ergibt sich aus x​ ​1 ​der nächste Näherungswert: ​x ​2 ​= ​x ​1 ​− ​ f​(​x ​1​)​ _ f‘​(​x ​1​)​ ​= 1,9129384… ⇒ ​x ​3 ​= ​x ​2 ​− ​ f​(​x ​2​)​ _ f‘​(​x ​2​)​ ​= 1,9129311 Da sich die fünfte Kommastelle nicht mehr verändert hat, erhält man bereits nach drei Schritten als Näherungslösung der Gleichung x ≈ 1,91293. Bestimme mit Hilfe des Newton-Verfahrens die einzige relle Lösung der Gleichung auf drei Dezimalstellen genau. a) ​x ​3 ​− 2 ​x ​2 ​+ 2 x − 3 = 0​ c) ​x ​3 ​+ 3 ​x​2 ​+ 5 = 0​ e) ​x ​3 ​− 3 = 0​ b) ​− 2 ​x ​3 ​+ 2 x − 3 = 0​ d) ​x ​3 ​+ 2 ​x​2 ​− 3 = 0​ f) ​x ​3 ​+ 2 = 0​ Bestimme eine Lösung der Gleichung auf drei Dezimalstellen genau. a) ​cos​(x) ​= ​x ​3​ b) ​e ​x ​= 3​ c) ​sin​(x) ​= ​x ​2​ d) ​ln​(x) ​= 3​ Versuche die Gleichung ​x​3 ​+ 2 ​x​2 ​− 2 = 0​mit Hilfe des Newton-Verfahrens zu lösen. a) Beginne mit dem Startwert x​ ​0 ​= 1​. b) Begründe, warum das Verfahren mit dem Startwert x​ ​0 ​= 0​nicht funktioniert. Bestimme mit Hilfe des Newton-Verfahrens die Nullstelle der Funktion f mit ​f​(x) ​= ​x ​5 ​+ ​x ​4 ​− 2 ​x ​3 ​+ x​ ​2 ​+ x + 10​auf vier Dezimalstellen genau. a) Beginne mit dem Startwert x​ ​0 ​= − 2​. b) Begründe graphisch und rechnerisch, warum der Startwert x​ ​0 ​= 1​ungeeignet ist. Jemand möchte die Gleichung ​x​2 ​− 5 = 0​mit Hilfe des Newton-Verfahrens lösen. Bei welchem Startwert würde das Newton-Verfahren nicht funktionieren? Begründe deine Antwort. a) Zeige, dass man sich mit Hilfe der Rekursionsformel x​ ​n+1 ​= ​ 1 _ 2​(​x ​n ​+ ​ 2 _ ​x ​n​ ​)​dem Wert für ​9 _ 2 ​ auf vier Stellen genau annähern kann. Wähle als Startwert x​ ​0 ​= 1​. b) Zeige mit Hilfe des Newton-Verfahrens, dass man sich dem Wert von ​9 _ a​für a​ > 0​mit Hilfe folgender Rekursionsformel annähern kann: x​ ​n+1 ​= ​ 1 _ 2​(​x ​n ​+ ​ a _ ​x ​n​ ​).​ c) Ermittle eine Rekursionsformel, mit der man sich dem Wert von ​3 9 _ a​annähern kann. Tipp: Die Funktion f​​(x) ​= ​x ​2 ​− a​besitzt als einzige positive Nullstelle den Wert x​ = ​9 _ a ​. Merke Muster 714‌ 715‌ 716‌ 717‌ 718‌ 719‌ 720‌ Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

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