Das Newton-Verfahren
Der Wert unterscheidet sich nur im Vorzeichen vom Startwert . Allgemein kann man deshalb schreiben:
Von gehen wir in der Abbildung wieder hoch zu dem Kurvenpunkt , also zu dem Punkt . Legt man in diesem Punkt die Tangente an den Graphen und schneidet sie mit der x-Achse, stellt man fest, dass die x-Achse wieder genau bei schneidet. Der Schnittpunkt von mit der x-Achse ergibt normalerweise den zweiten Näherungswert der Gleichung . Der Näherungswert fällt hier aber genau mit dem Startwert zusammen. Es gilt hier also:
Wenn man nun die nächste Tangente zeichnen will, stellt man fest, dass diese wiederum mit der Tangente zusammenfällt, welche die x-Achse bei schneidet. Die Tangente schneidet normalerweise die x-Achse im dritten Näherungswert , was hier allerdings mit identisch ist: Allgemein können wir wegen schreiben:
So geht das nun ewig weiter. Alle weiteren Näherungswerte springen praktisch immer zwischen und hin und her. Wir drehen uns somit im Kreis. Eine echte Annäherung an die tatsächliche Nullstelle x = 0 findet nicht statt. Das Newton-Verfahren versagt.
Hier noch einmal die Ergebnisse des Newton-Verfahrens zu in unserem konkreten Beispiel mit dem Startwert übersichtlich zusammengefasst:
Startwert | |
1. Näherung | |
2. Näherung | |
3. Näherung | |
4. Näherung | |
5. Näherung | |
usw. |
Die Werte springen also immer zwischen den Zahlen +1 und -1 hin und her. Man sagt:Sie bilden eine alternierende Folge der Zahlen +1 und -1, allgemein und . („Alternierend“ bedeutet dabei „vom Vorzeichen her abwechselnd“.)
Wir haben hier als konkretes Beispiel den Startwert verwendet. Mit jedem beliebigen anderen Startwert würden wir auf das gleiche Problem stoßen. Das Newton-Verfahren liefert bei immer Werte, die zwischen und hin und her springen, sich aber nie an die tatsächliche Nullstelle x = 0 annähern.
Den rechnerischen Nachweis dieser Tatsache können wir erst erbringen, wenn wir die Funktion ableiten können. Für ist dies kein Problem, denn hier gilt . Es gilt für somit . Für gilt jedoch . Um dies ableiten zu können, brauchen wir aber die sogenannte Kettenregel. Sie wird erst im Teil Weitere Ableitungsregeln erklärt. Deshalb verzichten wir momentan auf den rechnerischen Nachweis, dass das Newton-Verfahren bei für beliebige reelle Startwerte versagt, weil es die Folge alternierender Zahlen und liefert.