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Mathe-LK · M1 · Analysis

Newton-Verfahren

nicht im Abi 2027 Diese Seite geht über den Stoff hinaus: Im Abitur 2027 wird das Newton-Verfahren nicht geprüft. Lässt sich f(x) = 0 nicht exakt lösen, ersetzt man den Graphen schrittweise durch seine Tangente und nimmt deren Nullstelle als neue Näherung: xn + 1 = xn − f(xn)f′(xn). Ein Startwert nahe der Nullstelle führt meist sehr schnell zum Ziel. Es kann aber auch schiefgehen.

So gehst du vor

  1. 1Wähle eine Funktion und ziehe den Startwert x0 auf der x-Achse.
  2. 2Drücke „Nächster Schritt“: Vom Punkt auf dem Graphen läuft die Tangente zur x-Achse, dort liegt die neue Näherung.
  3. 3Lies in der Tabelle ab, wie schnell der Abstand zur Nullstelle schrumpft.
  4. 4Suche Startwerte, bei denen das Verfahren scheitert. „Einzugsgebiete“ färbt jeden Startwert nach der Nullstelle, die er erreicht.

Graph von f mit Tangenten

−3−2−11234−3−2−112345678xyx0x1

Die Tangenten wechseln die Farbe, damit du die Schritte unterscheiden kannst. Die letzte Tangente ist hell verlängert.

Funktion f

Startwert x0

1,00
Rechnung
f(x) = x² − 2
f′(x) = 2x
x1 = 1,0000 − −1,00002,0000 ≈ 1,500000
nxnf(xn)Abstand zur Nullstelle
01,000000−1,0000000,414
11,5000000,2500000,086
Bisher 1 Schritte, aktuelle Näherung x1 ≈ 1,500000.

Aufträge

  1. Skriptbeispiel: Berechne für f(x) = x² − 2 mit x0 = 1 die Näherungen x1 und x2 von Hand und vergleiche mit der Tabelle.
  2. Leite die Formel her: Stelle die Tangente im Punkt (xn | f(xn)) auf und bestimme ihre Nullstelle.
  3. Lies beim Skriptbeispiel in der letzten Spalte den Abstand zur Nullstelle ab. Wie entwickelt sich die Zahl der richtigen Stellen von Schritt zu Schritt?
  4. Löse cos(x) = x mit dem Verfahren. Warum lässt sich diese Gleichung nicht wie gewohnt umformen?
  5. Stelle bei x² − 2 den Startwert 0 ein. Was geschieht? Welche Nullstelle erreichst du mit 0,1 und mit −0,1?
  6. Wähle x³ − 2x + 2 mit x0 = 0. Rechne zwei Schritte von Hand. Welcher Startwert führt zur Nullstelle?
  7. Wähle x · e−x mit x0 = 2. Warum laufen die Näherungen davon? Für welche Startwerte klappt es?
  8. Wähle x³ − x und vergleiche die Startwerte 0,45 und 0,46. Schalte die Einzugsgebiete ein. Was fällt dir zwischen den Nullstellen auf?

Theorie: M1 Analysis, Abschnitt „Näherungsverfahren: Newton“ (nicht im Abitur 2027).