To Find the Root of Equation by Numerical Method : Newton-Raphson Iteration

Figure 1

ပေးထားα€žော ပုံတွင် $x$ α€žα€Š် $f(x)$ ၏ root α€–ြα€…်α€žα€Š်α€€ို α€žိα€”ိုင်ပါα€žα€Š်။ $f(x)=0$ ၏ root α€€ို α€žα€„်္ချာ α€œုပ်ထုံးα€™ျား α€–ြင့် α€‘α€œွα€š်တကူα€›ှာ၍α€™α€›α€žα€Š့် ထခြေထနေဆိုပါα€…ို့။ ထို့α€€ြောင့် α€€ြိုတင်ခန့်α€™ှα€”်းထားα€žော $x_0$ α€€ို $f(x)$ root α€Ÿု α€šူα€†α€™α€Š်။ Figure 2 α€€ို α€€ြα€Š့်ပါ။

Figure 2

$f(x_0)\ne 0$ α€–ြα€…်α€žောα€€ြာင့် $x_0$ α€žα€Š် $f(x)$ ၏ root α€™α€Ÿုတ်α€€ြောင်းα€žိα€”ိုင်α€žα€Š်။ Graph ပေါ်α€›ှိ $(x_0,f(x_0))$ ထမှတ်α€™ှ tangent α€™ျဉ်းတစ်α€€ြောင်းဆွဲα€œိုα€€်α€™α€Š်။ ထဆိုပါ tangent α€™ျဉ်းα€žα€Š် $x$ ဝင်α€›ိုးα€€ို α€–ြတ်α€žွားα€žောα€”ေα€›ာ $x_1$ α€žα€Š် $f(x)=0$ ၏ root α€”ှင့် α€”ီးစပ်α€”ေα€žα€Š်α€€ို တွေ့α€›α€™α€Š်။ ထို့α€€ြောင့် $x_1$ α€€ို $f(x)=0$ ၏ approximate root α€Ÿု α€šူဆ၍ $x_1$ α€€ို α€›ှာပါα€™α€Š်။

$x_1$ α€žα€Š် tangent line α€€ $x$-axis α€€ို α€–ြတ်α€žောα€”ေα€›ာ α€–ြα€…်α€žောα€€ြောင့် tangent line equation α€€ို ဦးα€…ွာα€›ှာα€™α€Š်။ tangent line ၏ gradient α€™ှာ $f'(x_0)$ α€–ြα€…်ပြီး $(x_0,f(x_0))$ ထမှတ်α€žα€Š် tangent line ပေါ်တွင်α€›ှိα€žα€Š်။ ထို့α€€ြောင့် tangent line ၏ equation α€™ှာ ...

$y=f'(x_0)(x-x_0)+f(x_0)$

α€–ြα€…်ပါα€™α€Š်။ $x=x_1$ α€–ြα€…်α€œျှင် $y=0$ α€–ြα€…်α€™α€Š်။ ထို့α€€ြောင့်

$$\begin{aligned} &0=f'(x_0)(x_1-x_0)+f(x_0)$\\\\ &f'(x_0)(x_1-x_0) = -f(x_0)\\\\ &x_1-x_0=-\frac{f(x_0)}{f'(x_0)}\\\\ \therefore\ & x_1=x_0-\frac{f(x_0)}{f'(x_0)}\\\\ \end{aligned}$$

α€Ÿူ၍ $x_1$ α€€ို α€›ှာα€”ိုင်ပါα€žα€Š်။

α€žို့α€›ာတွင် $x_1$ α€žα€Š်α€œα€Š်း $f(x)$ ၏ root α€™α€Ÿုတ်α€žေးပါ။ $f(x)$ ၏ root α€”ှင့် α€”ီးစပ်α€œာα€žα€Š့် ထခြေထနေတွင်α€žာ α€›ှိα€žေးα€žα€Š်။ ထို့α€€ြောင့် ထထက်တွင်α€›ှင်းα€œα€„်းခဲ့α€žော α€œုပ်ဆောင်ချα€€်ထတိုင်း approximate root $(x_2)$ α€€ို ထပ်α€™ံα€›ှာα€šူပါα€™α€Š်။ Figure 3 α€€ို α€€ြα€Š့်ပါ။

Figure 3

ထထက်တွင် α€–ော်ပြခဲ့α€žော α€œုပ်ဆောင်ချα€€်ထတိုင်း $(x_1,f(x_1))$ ထမှတ်α€›ှိ tangent line α€™ှ $x$-axis α€€ို α€–ြတ်α€žောထမှတ် $x_2$ α€€ို ဆက်α€œα€€်α€›ှာα€šူα€™α€Š်။ ထိုထခါ $$x_2=x_1-\frac{f(x_1)}{f'(x_1)}$$ α€–ြα€…်α€™α€Š်။ ၎င်းα€”α€Š်းα€œα€™်းထတိုင်း ထပ်ခါ ထပ်ခါ α€›ှာα€šူခြင်းα€–ြင့် $f(x)=0$ ၏ root α€”ှင့် ထပ်တူα€€ျα€œုα€”ီးပါး α€–ြα€…်α€œာα€žော root တန်α€–ိုးα€€ို α€›α€›ှိပါα€™α€Š်။ Figure 4 α€€ို α€€ြα€Š့်ပါ။

Figure 4

α€–ော်ပြပါ ဆင့်α€€ဲα€›ှာα€šူခြင်းα€”α€Š်းα€œα€™်းα€–ြင့် $f(x)=0$ ၏ root α€€ို α€›ှာα€šူα€”ိုင်α€žော ပုံα€žေα€”α€Š်း $x_{n+1}$ α€€ို ထောα€€်ပါ ထတိုင်းα€™ှတ်α€žားα€”ိုင်α€žα€Š်။

$$\begin{array}{|c|} \hline x_{n+1}=x_n-\dfrac{f(x_n)}{f'(x_n)}\\ \hline \end{array}$$

ထထက်α€–ော်ပြပါ ပုံα€žေα€”α€Š်းα€–ြင့် root α€›ှာα€šူခြင်း process α€€ို Newton-Raphson Iteration Method α€Ÿုခေါ်α€žα€Š်။ α€œα€€်တွေ့ပုα€…္ဆာα€–ြေα€›ှင်းα€›ာတွင် $x_{n+1}\approx x_n$ α€–ြα€…်α€žα€Š့်ထခါ Iteration Process ပြီးဆုံးပြီα€Ÿု α€™ှတ်α€šူα€”ိုင်α€žα€Š်။

ထောα€€်ပါ ထခြေα€”ေတို့တွင် Newton-Raphson method α€€ို α€žုံး၍ α€™α€›α€”ိုင်ပါ။

Case I

Starting point $x_0$ α€žα€Š် ထမှα€”်α€–ြα€…်α€žော root α€”ှင့် ဝေးα€”ေα€žောထခါ tangent α€žα€Š် root α€”ှင့် ပို၍ပို၍ ဝေးα€žော $x$ coordinate α€€ို α€›ောα€€်α€›ှိα€žွားပြီး Newton-Raphson Formula α€žα€Š် divergent α€–ြα€…်α€žွားα€™α€Š်။

Case II

$f'(x_0)=0$ α€–ြα€…်α€œျှင် tangent α€žα€Š် horizontal α€–ြα€…်α€žွားα€™α€Š်။ $(x_0, f(x_0))$ stationary point α€–ြα€…်α€”ေα€™α€Š်။ ထိုထခါ tangent α€žα€Š် $x$-axis α€€ို α€˜α€š်တော့α€™ျှ α€™α€–ြတ်တော့ပါ။ ထိုထခြေထနေတွင် $ x_{n+1}=x_n-\dfrac{f(x_n)}{f'(x_n)}$ α€žα€Š် undefined α€–ြα€…်α€žွား၍ Newton-Raphson Formula α€€ို α€žုံး၍α€™α€›α€”ိုင်ပါ။


Example (1)

Using Newton-Raphson method, find the approximate value of $\sqrt[3]{19}$ in four decimal places.

Let $ \sqrt[3]{19}=x$.
$\begin{aligned} &\\ \therefore \ & x^3 = 19\\\\ &x^3 - 19=0\\\\ \end{aligned}$
Hence, $ \sqrt[3]{19}$ is the root of the equation $x^3 - 19=0$.
$\begin{aligned} &\\ &\text{Let } f(x)=x^3-19\\\\ \therefore \ & f'(x) = 3x^2\\\\ &x_{n+1}=x_n-\frac{{x_n}^3-19}{3{x_n}^2}\\\\ \end{aligned}$
Since $2^3=8$ and $3^3=27$, $ \sqrt[3]{19}$ is between $2$ and $3$.
Let $x_0=3$.

$\begin{array}{|l|l|c|} \hline \quad x_n & x_{n+1} & \text{Remark}\\ \hline 3 & 2.703704 & x_{n+1}\ne x_n \\ \hline 2.703704 & 2.668861 & x_{n+1}\ne x_n \\ \hline 2.668861 & 2.668402 & x_{n+1}\ne x_n \\ \hline 2.668402 & 2.668402 & x_{n+1}\approx x_n \\ \hline \end{array}$

$\therefore\ \sqrt[3]{19}=2.6684$

Example (2)

Show that equation $e^x=3x+1$ has a root $\alpha=0$. Show by calculation that this equation also has a root, $\beta$, such that $1 < \beta < 2 $. Hence using Newton-Raphson method, find the $\beta$ correct to 4 decimal places.

$\begin{aligned} &e^x=3x+1\\\\ \therefore\ & e^x-3x-1=0\\\\ &\text{Let } f(x)=e^x-3x-1\\\\ &f(0)=e^0-3(0))-1\\\\ &f(0)=1-0)-1=0\\\\ \therefore\ & x=0 \text{ is a root of } f(x).\\\\ &f(1)=e^1-3-1=-1.28172 < 0\\\\ &f(2)=e^2-3(2)-1=0.389056 >0\\\\ \therefore\ & 1 < \beta < 2\\\\ &f'(x)=e^x-3\\\\ \therefore\ & x_{n+1}=x_n-\frac{e^{x_n}-3{x_n}-1}{e^{x_n}-3}\\\\ \end{aligned}$
Let $x_0=2$.

$\begin{array}{|l|l|c|} \hline \quad x_n & x_{n+1} & \text{Remark}\\ \hline 2 & 1.911358 & x_{n+1}\ne x_n \\ \hline 1.911358 & 1.911358 & x_{n+1}\approx x_n \\ \hline \end{array}$

$\therefore\ \beta=1.9114$

Example (3)

Given that $f(x)=x^3 - x - 1$. Show that $f(x)=0$ has a root between $1$ and $2$. Taking $x_0=1.5$, use Newton-Raphson method to find the root of $f(x)=0$ correct to $3$ decimal places.

$\begin{aligned} &f(x)=x^3 - x - 1\\\\ &f(1)=1-1-1=-1< 0\\\\ &f(2)=8-2-1=5 > 0\\\\ \therefore\ & f(x)=0 \text{ has a root between } 1 \text{ and } 2. \\\\ &f'(x)=3x^2-1\\\\ \therefore\ & x_{n+1}=x_n-\frac{{x_n}^3 - {x_n} - 1}{3{x_n}^2-1}\\\\ \end{aligned}$
Taking $x_0=1.5$,

$\begin{array}{|l|l|c|} \hline \quad x_n & x_{n+1} & \text{Remark}\\ \hline 1.5 & 1.34783 & x_{n+1}\ne x_n \\ \hline 1.34783 & 1.32520 & x_{n+1}\ne x_n \\ \hline 1.32520 & 1.32472 & x_{n+1}\approx x_n \\ \hline 1.32472 & 1.32472 & x_{n+1}\approx x_n \\ \hline \end{array}$

$\therefore\ $ The required root is $x=1.325$.

α€…ာဖတ်α€žူ၏ ထမြင်α€€ို α€œေးα€…ားα€…ွာα€…ောင့်α€™ျှော်α€œျα€€်!

Post a Comment

To be published, comments must be reviewed by the administrator *

Previous Post Next Post
πŸ’¬ 1
TM
Target Mathematics
Usually replies instantly
TM
Target Mathematics α€™ှ α€€ူα€Šီα€›α€”် α€‘α€žα€„့်α€›ှိပါα€α€š်။ α€˜ာα€™ျား α€žိα€›ှိချင်ပါα€žα€œဲ။ Target Mathematics Facebook Page α€™ှာα€œဲ တိုα€€်α€›ိုα€€် α€™ေးα€™ြα€”်းα€”ိုင်ပါα€α€š်