&DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB &DStWXOR± (TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV > x 5HVROXomR 1XPpULFD GH (TXDo}HV 1mR /LQHDUHV o SUREOHPD : Determinar os valores de [ que satisfazem a HTXDomR, I ([) = 0 ¨ (TXDo}HV 'LRIDQWLQDV x Equações polinomiais, apenas com VROXo}HVLQWHLUDV. 'LRIDQWRde Alexandria [ sec. III ] Caminhante! Aqui jaz Diofanto. Os números dirão a duração da sua vida. Cuja sexta parte foi ocupada por uma doce infância. Decorrida mais uma duodécima parte da sua vida, o seu rosto cobriu-se com barba. Passado mais um sétimo da sua vida casou. Cinco anos depois, nasceu-lhe o seu único filho, que apenas durou metade da vida do pai. Triste com a morte do seu filho, Diofanto viveu ainda quatro anos. Diz-me, Caminhante, que idade tinha Diofanto quando a morte o levou? x As equações diofantinas nem sempre têm solução. Por exemplo, [Q \Q não tem solução para Q ! . ]Q ÒOWLPRWHRUHPDGH)HUPDWVyGHPRQVWUDGRHP ¨ (TXDo}HV SROLQRPLDLV OLQHDUHV TXDGUiWLFDV F~ELFDV H TXiUWLFDV x Equações polinomiais que têm IyUPXODVUHVROYHQWHV, umas mais complicadas do que outras... BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB Vamos considerar apenas o caso de I[ser uma IXQomRUHDOGHYDULiYHOUHDO. x ¨ (TXDo}HV WUDQVFHQGHQWHV x As HTXDo}HVDOJpEULFDV, como por exemplo as polinomiais, envolvem apenas as operações aritméticas básicas. As HTXDo}HVWUDQVFHQGHQWHV envolvem também funções trigonométricas, exponenciais, logarítmicas,... x As VROXo}HV das equações transcendentespodem obter-se apenas recorrendo a PpWRGRVQXPpULFRV. 5Dt]HV =HURV H 0XOWLSOLFLGDGH Å x I(D) = 0 diz-se que D é uma UDL]GDHTXDomR I(x) = 0 ou que D é um ]HURGDIXQomR I(x): Se a) ]HURVLPSOHV : b) ]HURGXSOR: c) ]HURWULSOR: I(D) = 0 I(D) = I¶(D) = 0 I(D) = I¶(D) = I¶¶(D) = 0 BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB GHILQLomR A PXOWLSOLFLGDGHGHXP]HUR D da função I(x) é o supremo P dos valores N tais que, Se P = 1 o zero diz-se VLPSOHV, se P = 2 o zero diz-se GXSOR, ... H[HPSOR D = 0 é um zero VLPSOHV da função I(x) = VLQ[ porque, H[HPSOR D = 0 é um zero GXSOR da função I(x) = 1 í FRV[ porque, QRWD a multiplicidade de um zero pode não ser um número inteiro, nem sequer finita. WHRUHPD Se D for um zero da função I(x) e se I(x)for P vezes diferenciável em D então a PXOWLSOLFLGDGH de D é P se e só se, mas H[HPSOR paraI(x) = VLQ[ , I(0) = 0 mas I ¶ (0) portanto P = 1 H[HPSOR paraI(x) = 1 í FRV[ , I(0) = I ¶ (0) = 0 mas I ¶¶(0) portanto P = 2 BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB x Vamos utilizar apenas PpWRGRVLWHUDWLYRV ou de DSUR[LPDo}HVVXFHVVLYDV. 0pWRGRV ,WHUDWLYRV &RQYHUJrQFLD H (UUR Å x Os PpWRGRVLWHUDWLYRVpara aproximar uma raiz D da equação I x Este processo iterativo gera uma VXFHVVmRGHDSUR[LPDo}HV [N , cada uma com HUUR associado, x O método iterativo é FRQYHUJHQWH se, ([) = 0, partem do conhecimento de V valores aproximados [0 [1 [Ví1 da raiz D e com estes constroem uma QRYDDSUR[LPDomR [N : ou seja, GHILQLomR Seja {[N } uma sucessão convergente para D. Se existirem duas constantes positivas S e F tais que então diz-se que a sucessão {[N } é FRQYHUJHQWH para D GHRUGHP S com uma FRQVWDQWHGHFRQYHUJrQFLDDVVLPSWyWLFD igual a F. BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB x Se Se Se x S=1 S !1 S=2 a convergência diz-se de SULPHLUDRUGHP ou OLQHDU ( 0 a convergência diz-se VXSUDOLQHDU. F1 ). a convergência é de VHJXQGDRUGHP ou TXDGUiWLFD, ... Quanto maior for a RUGHPGHFRQYHUJrQFLDde um método iterativo menor será, em princípio, o Q~PHURGHLWHUDo}HV necessárias para atingir uma dada precisão. No entanto a rapidez depende também do HVIRUoRFRPSXWDFLRQDO requerido em cada iteração. x ,QGHSHQGHQWHPHQWHGRPpWRGRXWLOL]DGR, muitas vezes é possível obter um PDMRUDQWHSDUDRHUUR: WHRUHPD Seja D a UDL]H[DFWD e [N um YDORUDSUR[LPDGR da raiz da equação I([) = 0 Se I([) com D [N ± [DE]. for diferenciável em [DE] e | I ([) | P!0, [ ± [DE] então, GHPRQVWUDomR Pelo teorema do Valor Médio, aplicando módulos, e portanto, BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB /RFDOL]DomR H 6HSDUDomR GDV 5Dt]HV Å x x $QWHVGHDSOLFDUXPPpWRGRLWHUDWLYR para resolver a equação I ([) = 0, é necessário obter uma DSUR[LPDomRLQLFLDO, o que exige a VHSDUDomR das possíveis raízes em intervalos tão pequenosquanto possível. O método mais prático consiste em analisar a UHSUHVHQWDomRJUiILFD de I([), ou da combinação dos termos que formam a sua expressão analítica. Por exemplo, para I[ _[_íH[ , primeiro, verificamos que H[LVWH um SRQWRGHLQWHUVHFomR de _[_com H[ no intervalo (-1, 0) Depois, FRQILUPDPRV essa observação, com base em GRLVUHVXOWDGRV: Se I([) é uma função real e contínua entre [ números reais, tendo I = D e [ = E, sendo D e E (D) e I (E) VLQDLVFRQWUiULRV, então H[LVWH pelo menosuma raiz real entre D e E. Se a GHULYDGD de I([) H[LVWH, é FRQWtQXD e PDQWpPRVLQDO no intervalo (DE), então D UDL]p~QLFD. Para o exemplo: I ([) ± &((-1, 0)) I (-) = 0.632 > 0 e I(0) = -1 < 0 I¶(x) = -1 - ex < 0 em todo o intervalo (-1, 0) BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB Å 0pWRGRV ,QWHUYDODUHV ¨ 0pWRGR GDV %LVVHFo}HV 6XFHVVLYDV • x Partindo de um intervalo (D, E) que contém a raiz, construir uma VXFHVVmRGHVXELQWHUYDORV, sendo cada um deles o semi-intervalo do anterior que contém a raiz. $OJRULWPR { D ± (D, E) ¼ ± ¸+ ¼ I(D) I(E) < 0 } ID I(D) HQTXDQWR |D – E| / 2 ID]HU PHLR (D + E) / 2 IP I (PHLR) VH ( ID > 0 ) = (IP > 0 ) HQWmR { D ± (PHLR, E) } D PHLR VHQmR { D ± (D, PHLR) } E PHLR ILPHQTXDQWR { D ± (D, E) ¼ |a – b| / 2 < } BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB x note que: x x x x x Só é necessário calcular o valor de I([) XPDYH] por iteração. Não é necessária uma PXOWLSOLFDomR para comparar os sinais. Em aritmética de reais é extremamente improvável atingir o valor exacto da raiz, pelo que não vale a pena WHVWDUDLJXDOGDGH. A sequência de subintervalos { ( DN, EN sucessivos valores das variáveis D e E. ) } foi representada pelos Para um dado HUURDEVROXWRPi[LPR , em cada iteração N, utilizámos o WHVWH: de modo a que o HUUR cometido seja LQIHULRUjVHPLDPSOLWXGHGRLQWHUYDOR. Deste modo, sendo FN os sucessivos SRQWRVPpGLRV, o que nos permite estimar oQ~PHUR Q GHLWHUDo}HV necessárias, para garantir uma aproximação da raiz com um erro absoluto máximo de : ou seja, BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB SDUDRPHVPRH[HPSOR I([) = |x| í H x , com = 10-6 N = 0.00000095 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 DN -1.000000 -1.000000 -0.750000 -0.625000 -0.625000 -0.593750 -0.578125 -0.570313 -0.570313 -0.568359 -0.567383 -0.567383 -0.567383 -0.567261 -0.567200 -0.567169 -0.567154 -0.567146 -0.567146 -0.567144 EN 0.000000 -0.500000 -0.500000 -0.500000 -0.562500 -0.562500 -0.562500 -0.562500 -0.566406 -0.566406 -0.566406 -0.566895 -0.567139 -0.567139 -0.567139 -0.567139 -0.567139 -0.567139 -0.567142 -0.567142 = 19.931569 x x x x Uma YDQWDJHP do método das bissecções sucessivas é que FRQYHUJHVHPSUH (desde que exista raiz no intervalo inicial). Outra YDQWDJHP é a possibilidade de SUHYHUXPPDMRUDQWH para o erro cometido ao fim de um certo número de iterações. O FXVWR computacional de cada iteração é PXLWREDL[R. A pior GHVYDQWDJHP reside no facto da sua FRQYHUJrQFLD ser PXLWROHQWD (muitas iterações) quando comparada com a dos outros métodos. Verifique que o método das bissecções sucessivas é OLQHDU, com FRQVWDQWHGH FRQYHUJrQFLD igual a . BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB ¨ 0pWRGR GD &RUGD )DOVD • O Método da Corda Falsa pode ser encarado como um PHOKRUDPHQWR do Método das Bissecções Sucessivas. Em vez do ponto médio, um ponto FN é determinado como a LQWHUVHFomR • GDVHFDQWH que passa pelos pontos (DN dos [[. • A partir da equação da secante, I(DN)) e (EN I(EN)) com o eixo e fazendo \ = 0 obtemos, • Note-se que os sucessivos cálculos desta fórmula QmRSURYRFDP efeitos de FDQFHODPHQWRVXEWUDFWLYR pois I (EN) e I (DN) têm sinais contrários. BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB Å 0pWRGRV LWHUDWLYRV GHSHQGHQWHV GH XP Vy SRQWR x Em cada iteração, a nova aproximação GHSHQGHDSHQDVGDDQWHULRU. ¨ 0pWRGR ,WHUDWLYR GR 3RQWR )L[R • Pretendemos GHWHUPLQDUDVROXomR [ J([) D de uma equação não linear da forma, • Dada uma equação na forma I ([) = 0 é sempre possível fazer, • Mais geralmente podemos considerar, onde F([) é uma função contínua, QmRQXOD e OLPLWDGD no intervalo , = [DE] que contém a raiz D de I ([) = 0. GHILQLomR Um SRQWRIL[R de uma função J([) é um número real D tal que D • = J(D). ± , R PpWRGRLWHUDWLYRGRSRQWRIL[R consiste numa VXFHVVmRGHDSUR[LPDo}HV { [N } D tal que, Dada uma aproximação inicial [0 BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB • • Geometricamente, os SRQWRVIL[RV de uma função \ intersecção de \ = J([) com \ = [ = J([) são os pontos de I([) = 0 x x = J([) , GHWHUPLQDUDUDL] de I([) = 0 em [D, E] é o mesmo que SURFXUDURSRQWRIL[R de J([) em [D, E] . Assim, se ¨ ([HPSOR 0pWRGR %DELOyQLFR $& SDUD FDOFXODU D 5DL] 4XDGUDGD GH XP Q~PHUR &RPHoDUFRPXPDHVWLPDWLYD 'LYLGLURQ~PHURSHODHVWLPDWLYD &DOFXODUDPpGLDHQWUHHVVDGLYLVmRHDHVWLPDWLYD )D]HUGHVWDPpGLDDQRYDHVWLPDWLYD H YROWDUD BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB ¹D consiste na VXFHVVmRGHDSUR[LPDo}HV: • Ou seja, o cálculo de • Experimentemos para D = 16, • O método utilizado tem por base a HTXDomR, 0 1 2 3 4 5 começando com [0 = 10 : 10.00000000 5.80000000 4.27931034 4.00911529 4.00001036 4.00000000 obviamente equivalente a e consiste na SHVTXLVDGH XPSRQWRIL[R da função J([) Para D = 16 a função J([) tem GRLVSRQWRVIL[RV, em [ = 4 e [ = í • E de facto, se partirmos de uma HVWLPDWLYD LQLFLDOQHJDWLYD, o método babilónico encontra a UDL]QHJDWLYD de 16. 0 1 2 3 4 5 í10.00000000 í5.80000000 í4.27931034 í4.00911529 í4.00001036 í4.00000000 BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB x Como funciona? A partir de uma aproximação inicial [0, uma VXFHVVmRGHDSUR[LPDo}HV da forma [N = J([N) FRQYHUJHSDUDXPSRQWRIL[R da função J([). [ [ x [ Porque funciona? WHRUHPD Seja J([) uma IXQomRFRQWtQXD e ^ PpWRGRLWHUDWLYRGRSRQWRIL[R Se OLP GHPRQVWUDomR N Se OLP [N = D N [N ` uma sucessão gerada pelo [N = J([N) . então D é um SRQWRIL[R de J[. [N = D então também OLP N [N = D e como J([) uma função contínua, portanto D é um SRQWRIL[R de J([). BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB x Quando H[LVWH ponto fixo? WHRUHPD Seja J([) ± &([D, E]). Se para todo o [ ± [D, E], se verifica que J([) ± [D, E] ( isto é, se J for uma FRQWUDFomR) então J tem SHORPHQRVXPSRQWRIL[Rem [D, E]. GHPRQVWUDomR Se J(D) = D ou J(E) = E então o ponto fixo é óbvio. Caso contrário defina-se a função auxiliar K em [DE], K([) = [ íJ([) Como K é contínua em [DE] e J(D) ± [D, E] Á J(E) ± [D, E] Á K(D) = D íJ(D) 0 K(E) = E íJ(E) ! 0 então existe SHORPHQRV um valor D ± (D, E) tal que K(D) = 0. Logo D x J(D) e D é um SRQWRIL[R. Quando é ~QLFR o ponto fixo? WHRUHPD Se J¶([) está definida em [D, E] e existe uma FRQVWDQWHSRVLWLYD / , com _ J [ _ / para todo o [ ± [D, E], então J([) tem XP~QLFRSRQWRIL[R em [D, E]. BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB GHPRQVWUDomR Suponhamos que existiam GRLVSRQWRVIL[RV D1 , D2 ± [D, E] . Então, pelo Teorema do Valor Médio, existiria um F ± ( D1, D2 ) ° (D, E) tal que, mas nesse caso, sendo D1 e donde J (F) D2 pontos fixos, = 1, contradizendo a hipótese de _ J ([) _ 1 para todo o [ ± [DE]. Logo QmRpSRVVtYHO existirem GRLVSRQWRVIL[RV. x Quando FRQYHUJH o método do ponto fixo? 7HRUHPDGR3RQWR)L[R Sejam J([) , J¶([) ± &([D, E]) : J([) ± [D, E] | J¶([) | < 1 [ ± [D, E]. para todo o [ para todo o [ ± [D, E], Então a sucessão {[N} gerada por [N+1 = FRQYHUJHSDUDR~QLFRSRQWRIL[R D ± [D, E], J([N), N = 0 1 2 ±[DE]. BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB GHPRQVWUDomR Nas condições da hipótese e pelo teorema anterior, H[LVWHHp ~QLFR um SRQWRIL[R D da função J([) no intervalo [D, E] . Resta demonstrar que o método FRQYHUJH para ele. Consideremos o HUURDEVROXWR na iteração N+1 : Pelo Teorema do Valor Médio, existe tal que, Consideremos o número positivo /, tal que _J ([)_ = / 1 para todo o [ ± [DE] . Assim, ou seja, _ HN+1 _ /_HN _ para N = 0, 1, 2, ... Aplicando esta relação indutivamente, temos, e uma vez que / 1, então, Assim, desde que a aproximação inicial [0 iterativo de ponto fixo é FRQYHUJHQWH. ± [DE], o método BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB x &RPRFRQYHUJH o método do ponto fixo? Convergência PRQyWRQD quando 0 < J¶0([) < 1 : Convergência RVFLODQWH quando íJ¶0([) <0: BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB x Quando GLYHUJH o método do ponto fixo? WHRUHPD Seja Se: J:'°¸ J , J¶ ± &(') ¸ . J([) WHPXPSRQWRIL[R D ± [D, E] ¯ ' , | J¶([) | > 1 para todo o [±', [ ± [D, E] ( com [ D) . Então a sucessão {[N} gerada por [N+1 = QmRFRQYHUJHpara o ponto fixo D GHPRQVWUDomR J([N), N = 0 1 2 , ±[DE]. De modo análogo ao anterior, considerando o HUURDEVROXWR na iteração N+1 : Pelo Teorema do Valor Médio, existe tal que, Ou seja, Contudo, neste caso e portanto Assim, o método iterativo de ponto fixo é GLYHUJHQWH. BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB x &RPRGLYHUJH o método do ponto fixo? Divergência PRQyWRQD quando J¶([) > 1 : Divergência RVFLODQWH quando J¶([) < í1 : BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB x Quando converge, qual aRUGHPGHFRQYHUJrQFLDdo método do ponto fixo? Consideremos que J([), J¶([) ± &([D, E]) e que o método do ponto fixo é FRQYHUJHQWH para D. No caso de J’(D) 0 Como vimos, ou seja, Portanto, no caso de J’(D) 0, e como | J¶(D) | < 1, então o método do ponto fixo apresenta RUGHPGHFRQYHUJrQFLDOLQHDU sendo | J¶(D) | No caso de a FRQVWDQWHDVVLPSWyWLFD de convergência. J’(D) = 0 e J’’(D) 0 J([) ± &2([D, E]), consideremos o desenvolvimento de Taylor de ordem 1 em torno de D : Assumindo que BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB Para [ = [N e como J’(D) e uma vez que D = 0, com J’’(D) 0, = J(D) , Assim, se o método for convergente, Portanto, no caso de J’(D) = 0 e J’’(D) 0, o método do ponto fixo apresenta RUGHPGHFRQYHUJrQFLDTXDGUiWLFD sendo | J¶¶(D) | / 2 a FRQVWDQWHDVVLPSWyWLFD de convergência. De um modo geral, assumindo que J([) ± & ([D, E]), se Q mas prova-se que o método iterativo do ponto fixo apresenta RUGHPGH FRQYHUJrQFLDQ . BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB ¨ 9ROWDQGRDR0pWRGR%DELOyQLFR SDUDFDOFXODUD5DL]4XDGUDGDGHD • Onde, tem uma descontinuidade em [ = 0 • Derivando, e J’(4) = 0 verificamos que, na maior parte dos casos, | J¶([) | < 1 • A segunda derivada, • Portanto a convergência é TXDGUiWLFD, com, N 0 1 2 3 4 5 e [N 10.00000000 5.80000000 4.27931034 4.00911529 4.00001036 4.00000000 J’’(4) / 2 = 0.125 |HN| |HN| |HN 2| 6.00000000 1.80000000 0.27931034 0.00911529 0.00001036 0.00000000 0.05000000 0.08620690 0.11684126 0.12471579 0.12499660 BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB Å 0pWRGR GH 1HZWRQ5DSKVRQ RX 0pWRGR GD 7DQJHQWH ¨ ,QWHUSUHWDomR *HRPpWULFD x Em cada iteração [N , a curva \ = I([) é aproximada pela suaWDQJHQWH e a LQWHUVHFomR desta com o eixo dos[[ é a nova aproximação [N . x A HTXDomRGDWDQJHQWH à curva no ponto ([N, I ([N)) é, e a sua LQWHUVHFomR com o eixo dos [[ determina a QRYDDSUR[LPDomR, x A partir de uma aproximação inicial [ esta fórmula gera uma VXFHVVmR { [N } que, em certos casos, deverá convergir para um zero da função. BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB x Por exemplo, para a função I([) e para o caso particular de D = [ – D , = , com a aproximação inicial [ [ a sucessão das aproximações tende para um ]HUR de I([) N 0 1 2 3 4 5 [ = , [ = [ – . [N 10.00000000 5.80000000 4.27931034 4.00911529 4.00001036 4.00000000 o que já não era novidade na antiga Babilónia ... BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB ¨ 1HZWRQ5DSKVRQ FRPR FDVR SDUWLFXODU GR 0pWRGR GR 3RQWR )L[R x Dada uma equação I([) através da relação, = 0, podemos passar para a forma [ J([) onde F([) é uma função contínua, QmRQXOD e OLPLWDGD no intervalo [DE] que FRQWpPDUDL] D de I([) = 0. x Pretendemos GHILQLU F([) de modo a que o método do ponto fixo ( no caso de convergir ) tenha uma ordem de FRQYHUJrQFLDSHORPHQRVTXDGUiWLFD. x Assumindo que I([) e F([) são GLIHUHQFLiYHLV em [DE], e calculando no ponto D, x Para que a convergência seja TXDGUiWLFD, devemos ter J’(D) E como I(D) = 0. = 0 então, Assim, EDVWDHVFROKHU, assumindo que I¶([) em todo o intervalo [DE]. BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB x Substituindo, temos a nova forma, que corresponde ao 0pWRGRGH1HZWRQ5DSKVRQ, e que, por esta construção, VHFRQYHUJLUpTXDGUiWLFR. ¨ 2 0pWRGR GH 1HZWRQ5DSKVRQ D SDUWLU GD VpULH GH 7D\ORU x Suponha-se que I ± & ([DE]), que o Método de Newton-Raphson é convergente e considere-se o desenvolvimento de Taylor de ordem 1 em torno de [N : 2 Calculando em [ =D, BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB donde, e assim obtemos a QRYDDSUR[LPDomR [N e o HUUR cometido. x Note-se que assumimos que |D aproximação inicial N = 0. - [N| é pequeno, para todo o N, incluindo a ¨ 2UGHP GH &RQYHUJrQFLD GR 0pWRGR GH 1HZWRQ5DSKVRQ • Pela expressão anterior, donde, tomando módulos, • Assim, no caso de o método convergir, e a FRQYHUJrQFLDpTXDGUiWLFD com FRQVWDQWH de convergência assimptótica igual a BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB x 2EVHUYDomR Se o zero de I não for simples a ordem do método degrada-se. Mostra-se que, no caso dos ]HURVGHPXOWLSOLFLGDGH a convergência é apenas OLQHDU. ¨ 8P 0DMRUDQWH GR (UUR $EVROXWR • Pela expressão anterior, , temos, • Se identificarmos um PDMRUDQWHGDVHJXQGDGHULYDGD e um PLQRUDQWHGD SULPHLUDGHULYDGD, para todo o intervalo, é simples calcular: BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB ¨ 8PD HVWLPDWLYD GR (UUR $EVROXWR • Assumindo que I ± &([DE]) e que o Método de Newton-Raphson é convergente, pelo Teorema do Valor Médio, Donde, assumindo ainda que • Por outro lado, da expressão do próprio método, • Para N suficientemente grande, , donde, e portanto, • Assim, podemos estimar, BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB • Em termos algorítmicos, é mais cómodo calcular, HN | [N – [N | • De facto, para o H[HPSORDQWHULRU, N 0 1 2 3 4 5 [N 10.00000000 5.80000000 4.27931034 4.00911529 4.00001036 4.00000000 |HN| 6.00000000 1.80000000 0.27931034 0.00911529 0.00001036 0.00000000 |HN| 6.00000000 1.80000000 0.27931034 0.00911529 0.00001036 |[N í [N| 4.20000000 1.52068966 0.27019506 0.00910492 0.00001036 ¨ &ULWpULR GH &RQYHUJrQFLD GR 0pWRGR GH 1HZWRQ5DSKVRQ WHRUHPD Então, para qualquer [ ± [DE], a sucessão {[N} gerada pelo Método de Newton-Raphson FRQYHUJHSDUDR~QLFR]HUR de I em[DE]. BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB REVHUYDo}HV x (i) + (ii) garantem a H[LVWrQFLDGHXPDVyVROXomR em [DE]. x (iv) garante que as WDQJHQWHV à curva em (DI(D)) e em (EI(E)) LQWHUVHFWDP o eixo dos xx em (DE). x (ii) + (iii) garantem que a função é PRQyWRQD, convexa ou côncava. ¨ 9DQWDJHQV GR 0pWRGR GH 1HZWRQ5DSKVRQ x x Quando converge, tem FRQYHUJrQFLDTXDGUiWLFD. Necessita apenas de XPSRQWR, para estimativa inicial. ¨ 'HVYDQWDJHQV GR 0pWRGR GH 1HZWRQ5DSKVRQ x x x Exige uma ERDDSUR[LPDomRLQLFLDO. Caso contrário pode divergir, ou encontrar outra raiz. Exige o FiOFXORGDGHULYDGD em cada iteração, o que pode ser lento ou mesmo impossível. Exige que a GHULYDGD (no denominador) QXQFDVHDQXOH. Note que, mesmo para valores da derivada SUy[LPRVGH]HUR, a intersecção da tangente com o eixo dos [[ é um ponto muito afastado... BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD &DStWXOR±(TXDo}HVH6LVWHPDVGH(TXDo}HV1mR/LQHDUHV BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB ¨ $OJXQV FDVRV SDWROyJLFRV GR 0pWRGR GH 1HZWRQ5DSKVRQ x Para a função I[ o método calcula [ [ í [, se escolhermos [ , , gerando a sucessão de aproximações: x Para a função o método gera uma sucessão tal que, x Para [N í[N I[ ¹ [, obtém-se [N í[N de modo que, para qualquer [, o método gera a sucessão: [ [ [ [ [ [ x Todo o SRQWRGHLQIOHFomR provoca um afastamento da raiz. x ... BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB $QiOLVH1XPpULFD5RViOLD5RGULJXHVH$QWyQLR3HUHLUD