Newton Method in One Dimension

I : Question one : What is nonlinearity?

非线性是指两个变量间的数学关系,不是直线,而是曲线、曲面、或不确定的属性,是不成简单比例(即线性)关系的。

  • 1: Prototype scalar equation: Find x∗ ∈ R such that
    F(x∗) = 0
    for a given function F that is differentiable with
    derivative F′(x) ̸= constant (non-constant derivative)

  • 2: Prototype system of equations: Find ⃗x∗ ∈ Rn such that
    F⃗ ( ⃗x ∗ ) = ⃗0
    with Jacobian matrix F⃗′(⃗x) ̸= constant (non-constant Jacobian)

II: Question two : Why do we need numerical methods to solve nonlinear equations?

线性方程,就是因变量自变量之间的关系不是线性的关系,这类方程很多,例如平方关系、对数关系、指数关系、三角函数关系等等。

现实生活中大部分事情都是nonlinearity, nonlinearity可以很好的描述的生活中大部分事物。

III: Example of Nonlinear Equation:

  • Polynomial(多项式) equations :


    截屏2021-12-29 10.52.34.png

(common approximations(近似值) for other nonlinear equations)

  • Trigonometric equations
    sin(x)+2cos(x)=0etc.

  • Many physics equations:
    n1 sin θ1 = n2 sin θ2, E = mc2 etc.

  • Neural Network


    Neural Network.png

IV: Newton Method

It is rare for nonlinear equations to have a closed form solution that can be found through algebraic manipulation so people must require (approximate) solution.

  • People have the differentiable function F(x)
    and its derivative F′(x).

  • People have one initial point x0 that is close to the
    unknown zero x∗ such that F(x∗) = 0.

  • People look for a sequence of iterates x0,x1,...such that


    iterates method.png
  • 牛顿法具体思路:


    牛顿法具体思路
  • Derivation(推导) of Newton’ Method


    牛顿法的推演
  • Pros and cons(优点和缺点)
    Performance
    Fast (quadratic(二次方) convergence rate) (二次收敛率)
    Not robust(不稳健性)

    Other issues
    Requires the derivative function
    Requires a “good” initial guess

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