每日一问之初识牛顿迭代法(Newton's method)

什么是牛顿迭代法?

今天在刷 LeetCode 的 sqrt(x) 这道题的时候,看到别人的解法中有使用牛顿迭代法。之前也看到这个方法很多次,但都没有去了解。今天正好就这个问题来稍微整理一下:

  • 什么是牛顿法?
  • 为什么可以用它来求解开方问题?

什么是牛顿法

在维基百科中的定义如下:

In numerical analysis, Newton’s method (also known as the Newton–Raphson method), named after Isaac Newton and Joseph Raphson, is a method for finding successively better approximations to the roots (or zeroes) of a real-valued function. It is one example of a root-finding algorithm.

牛顿法是一种用于找到实数函数的根的近似值的方法,是求根算法中的一个代表。下面以一个例子来具体说明用牛顿法求根的过程。

一个变量中的 Newton-Raphson 方法实现如下,主要的想法来自这个视频,这个教授讲解的挺明白的,一共有 7 个视频,想了解更多的可以查看视频。

每日一问之初识牛顿迭代法(Newton's method)_第1张图片

假设我们有一个连续的函数 f ( x ) f(x) f(x),其在 x x x 轴上存在很多根(零点)。现在在 x x x 轴上取一初始点 x 1 x_1 x1,该点对应的函数值为 f ( x 1 ) f(x_1) f(x1)。然后在该点的函数值附近画切线,切线与 x x x 轴的交点为 x 2 x_2 x2。假设 x 2 = x 1 − △ x x_2 = x_1 - △x x2=x1x,在由切线,x 轴及函数值 f ( x 1 ) f(x_1) f(x1) 形成的三角形中,可以求得斜率 s l o p e = f ( x 1 ) △ x slope =\frac{f(x_1)}{△x} slope=xf(x1),化解可得 △ x = f ( x 1 ) s l o p e △x = \frac{f(x_1)}{slope} x=slopef(x1)。slope 即为函数在 x 1 x_1 x1 处的导数,所以有 △ x = f ( x 1 ) f ′ ( x 1 ) △x = \frac{f(x_1)}{f'(x_1)} x=f(x1)f(x1),最后代入得 x 2 = x 1 − f ( x 1 ) f ′ ( x 1 ) x_2 = x_1 - \frac{f(x_1)}{f'(x_1)} x2=x1f(x1)f(x1)。后面在 x 2 x_2 x2 对应的函数值处取切线,然后开始新一轮的迭代。之后再循环这个过程,直到达到足够准确的值,这就是牛顿法求根的过程。过程中迭代的公式可以写成: x n + 1 = x n − f ( x n ) f ′ ( x n ) x_{n+1}=x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)} xn+1=xnf(xn)f(xn)

为什么可以用它来求解开方问题?

根据上面的基本介绍,牛顿法是用于求解一个实数函数的根的近似值的方法。然而开方问题可以看成是对方程 x 2 − n = 0 x^2 - n =0 x2n=0 求根的问题,所以就可以用牛顿法来求解:首先可以得知 f ( x ) = x 2 − n , f ′ ( x ) = 2 x f(x) = x^2 - n ,f'(x) = 2x f(x)=x2nf(x)=2x,所以迭代公式为 x n + 1 = x n − x n 2 − n 2 x n = x n + n x n 2 。 x_{n+1}=x_{n} - \frac{ x_{n}^2 - n}{2x_{n}} = \frac{x_n + \frac{n}{x_n}}{2}。 xn+1=xn2xnxn2n=2xn+xnn

依据该迭代公式,对应 LeetCode 的 sqrt(x) 这道题写成 Python 代码就会很简洁,比二分法要简洁多了,且运行时间也快一些。

class Solution:
    def mySqrt(self, x):
        """
        :type x: int
        :rtype: int
        """       
        
        """
        # 采用二分法
        low, high = 0, x
        while(low <= high):
            mid = int((low + high) / 2)
            if mid*mid > x :
                high = mid - 1
            elif mid*mid < x:
                low = mid + 1
            else:
                return mid

        
        return low - 1
        """
        # 采用牛顿迭代法
        r = x
        while r*r > x:
            r = int((r + x/r) / 2)
        
        return r 

参考

[1]. Newton’s method - wikipedia
[2]. Calculus: Newton’s Method (1 of 7) Basics Continued: Roots of Functions

P.S:文中有错欢迎指出,互相学习。以及欢迎关注我的公众号 ?

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