6.3 Fikspunktiterasjon og kontraksjon
Skriv $x=g(x)$ og vis konvergens ved **begge** fikspunktvilkårene, deretter a-priori-estimatet for nødvendig antall iterasjoner.
Frekvens: 6 av 13 gjennomgåtte sett (46 %). Oppgaven er nesten alltid bygd likt, i to eller tre delpunkter:
1. Vis at iterasjonen konvergerer for enhver startverdi i et gitt intervall.
2. Finn hvor mange iterasjoner som trengs for en gitt nøyaktighet.
3. Av og til: gjør de første iterasjonene og oppgi svaret med nok siffer.
Dette er et av kapitlene der toppsjiktet skiller seg ut. Grunnen er enkel: fikspunktteoremet har to vilkår, og en besvarelse som bare sjekker det ene, er ufullstendig. Løsningsforslagene viser alltid begge. Vilkårene er
- (i) at på intervallet, og
- (ii) at avbilder intervallet inn i seg selv.
Det andre er det som glemmes. Du finner en egen advarsel om det lenger nede, og en oppgave som viser hva som går galt uten det.
Formelark-merking.
- Står på det utdelte formelarket — tren oppslaget: Newtons metode og de andre rotsøkingsformlene på numerikk-siden (de kommer i kap. 6.4), og de trigonometriske identitetene du eventuelt trenger for å derivere .
- Må kunnes eller utledes aktivt: hele fikspunktapparatet. A-priori-estimatet står vanligvis ikke på arket, og heller ikke de to vilkårene. Fikspunktteoremet skal navngis, og estimatet skal skrives opp fra hukommelsen — det er derfor det står øverst på lista over hva du bør ha på ditt eget A5-ark.
Tidsbruk: 55 minutter lesetid, fire løkker. Naturlig pausepunkt etter løkke 2.
Kapitlet er forutsetning for kap. 6.4: Newtons metode er en fikspunktiterasjon i forkledning, med .
Å løse en likning ved å gjenta seg selv
Du skal løse . Den kan du løse eksakt — men tenk deg at du ikke kunne det, og at det eneste verktøyet ditt var en kalkulator med en likhetstast.
Grepet er å skrive likningen om til formen . Her kan vi flytte om: , altså
Nå gjør vi noe som ser altfor enkelt ut til å virke: gjett en startverdi, sett den inn i , ta svaret og sett det inn igjen, om og om igjen.
Tallene stabiliserer seg. Og de stabiliserer seg mot — som er den eksakte løsningen.
Hverdagsanalogien. Sett deg foran et speil som henger rett overfor et annet speil. Hvert bilde er speilingen av det forrige, og bildene blir stadig mindre og trekker seg mot ett punkt. Fikspunktiterasjonen gjør det samme: hvert nytt tall er «bildet» av det forrige, og hvis avbildningen krymper avstander, samler alt seg mot ett punkt.
Men det er ikke gratis. Skriver du den samme likningen om på en annen måte — for eksempel mot , altså — kan iterasjonen sprike i stedet for å samle seg. Hele kapitlet handler om hvordan du på forhånd vet hvilken vei det går, og om hvor mange skritt du trenger.
Løkke 1 — Fikspunkt og iterasjon (~13 min)
Geometrisk er det et skjæringspunkt mellom grafen til og linja . Har grafene ingen skjæringspunkt, finnes det ikke noe fikspunkt; har de flere, har flere fikspunkter.
Sammenhengen med likningsløsing: en likning kan omformes til , slik at fikspunktene til er nøyaktig røttene til . Da har du gjort et rotsøkingsproblem om til et fikspunktproblem.
Det finnes mange måter. For :
Alle har de samme fikspunktene, men de oppfører seg helt ulikt under iterasjon: noen konvergerer raskt, noen langsomt, noen ikke i det hele tatt.
Konsekvensen for besvarelsen: oppgaven oppgir som regel for deg. Gjør den ikke det, må du velge — og da må du begrunne valget ved å sjekke vilkårene under.
med en oppgitt startverdi .
Grafisk («trappediagrammet»): gå loddrett fra opp til grafen til for å finne , og deretter vannrett bort til linja for å gjøre verdien til neste . Gjentar du det, danner sporet enten en trapp eller en spiral inn mot fikspunktet — eller ut fra det.
Konvergerer følgen mot et tall , og er kontinuerlig, så er et fikspunkt. Det følger av at i grensen blir .
De to bildene iterasjonen kan danne, avhengig av fortegnet til .
Trapp (, voksende ): iteratene nærmer seg fikspunktet fra én side og blir liggende der. Feilen har samme fortegn hele veien.
Spiral (, avtakende ): iteratene hopper vekselvis over og under fikspunktet. Feilen skifter fortegn for hvert skritt.
Spiralen gir en gratis kontroll: er avtakende, må roten alltid ligge mellom to nabo-iterater. Ser du at og ligger på samme side av det du tror er svaret, har du regnefeil.
Er , går trappen eller spiralen den andre veien — bort fra fikspunktet. Det er hele innholdet i vilkår (i), sett grafisk.
Bruk middelverdisetningen for å se hvorfor derivasjon er nok: er deriverbar, er for en mellom og , så
Er , er altså en kontraksjon med den konstanten.
Ordet «kontraksjon» i klarspråk: to punkter som settes inn i , kommer ut nærmere hverandre enn de gikk inn — og de kommer minst en fast brøkdel nærmere hver gang.
Slik finner du den: som regel er monoton på intervallet, og da ligger maksimum i et endepunkt. Skriv ut hvorfor — « er voksende på , så maksimum er i » — det er et halvt poeng verdt.
styrer alt:
- nær 0 gir rask konvergens.
- nær 1 gir langsom konvergens, og antall iterasjoner i estimatet vokser dramatisk.
- gir ingen garanti i det hele tatt.
Merk symbolkollisjonen: er halvperioden i Fourier-rekker (kap. 3.1), men kontraksjonskonstanten her. De har ingenting med hverandre å gjøre.
Det første av de to vilkårene i fikspunktteoremet. Det sikrer at avstander krymper — altså at to nabopunkter kommer nærmere hverandre for hver iterasjon.
Merk den strenge ulikheten mot 1. Er , er det ikke nok: funksjonen har og alle punkter som fikspunkt, og har og ingen.
Merk også at maksimeringen skal gå over hele intervallet, ikke bare i fikspunktet. At sier bare at iterasjonen konvergerer for startverdier nær nok — og «nær nok» er ikke et svar på «for enhver ».
Det andre vilkåret: skal avbilde intervallet inn i seg selv. Er i , skal også være i .
Hvorfor det trengs: vilkår (i) sier bare noe om hva som skjer inne i . Hopper iterasjonen ut av intervallet, gjelder ikke lenger anslaget på , og garantien er borte.
Slik viser du det, i to steg:
1. Avgjør om er voksende eller avtakende på (se på fortegnet til ).
2. Regn ut endepunktsverdiene. Er voksende, er ; er avtakende, er . Sjekk at det ligger inne i .
Er ikke monoton, må du i tillegg ta med de indre ekstremalverdiene.
Dette vilkåret er det som glemmes. Det er også det som skiller midtsjiktet fra toppsjiktet i denne sjangeren.
La og .
a) Vis at har et fikspunkt i , og finn det eksakt.
b) Sjekk begge fikspunktvilkårene på .
c) Gjør fire iterasjoner fra og sammenlikn med det eksakte svaret.
Røttene er og . Bare den første ligger i .
b) Vilkår (i) — kontraksjon.
På er voksende, så maksimum ligger i høyre endepunkt:
Vilkår (ii) — avbilder inn i seg selv.
på , så er voksende der. Da er
Og . ✔
Konklusjon. Begge vilkårene holder med . Etter fikspunktteoremet har et entydig fikspunkt i , og iterasjonen konvergerer mot det for enhver startverdi .
c) Iterasjonene fra .
| 0 | ||
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Legg merke til mønsteret i feilene: hver feil er omtrent ganger den forrige. Det er mindre enn , og det er som forventet — er et maksimum over hele intervallet, mens den faktiske krympingen nær fikspunktet er .
Konvergensen er lineær: feilen faller med en fast faktor per skritt, ikke raskere. Det er kjennetegnet på fikspunktiterasjon, og det er også grunnen til at du trenger ganske mange skritt for høy nøyaktighet.
(Innstegsoppgave — ren gjengivelse.) La og .
a) Finn fikspunktet eksakt ved å løse .
b) Regn ut og .
c) Regn ut .
Fortsett med på , der .
a) Finn , og begrunn hvor maksimum ligger.
b) Vis at avbilder inn i seg selv.
c) Konkluder.
Løkke 2 — Fikspunktteoremet (~13 min)
(i) for alle , og
(ii) .
Da gjelder:
1. har nøyaktig ett fikspunkt i .
2. Iterasjonen konvergerer mot for enhver startverdi .
3. Feilen tilfredsstiller .
Bevisskisse. Vilkår (ii) sikrer at hele følgen blir liggende i , slik at (i) alltid kan brukes. Da er
der vi brukte at og at er en kontraksjon. Gjentar du ulikheten ganger, får du punkt 3, og siden går . Entydigheten: hadde to fikspunkter og i , ville , altså , som med tvinger .
Begge vilkårene brukes i beviset. Det er derfor det ikke holder å sjekke bare det ene, og det er derfor løsningsforslagene alltid skriver ut begge.
Teoremet skal navngis i besvarelsen — «etter fikspunktteoremet konvergerer iterasjonen …». Det står ikke på det utdelte formelarket.
Vilkår (i) sløyfet. La med . Fikspunktet ligger i , og er fin og glatt. Men , og iterasjonen fra gir
Den løper fra fikspunktet, ikke mot det.
Vilkår (ii) sløyfet. La med . Her er overalt, så (i) holder glimrende. Men , så (ii) svikter — og fikspunktet er , som ikke ligger i i det hele tatt. Iterasjonen fra gir
Den konvergerer — men ut av intervallet, og teoremet lovet ingenting.
Lærdommen: vilkår (i) styrer hvor fort, vilkår (ii) styrer om du blir værende. Du trenger begge.
En besvarelse som skriver «, altså konvergerer iterasjonen» har gjort halve jobben. Den mangler:
- at avbilder intervallet inn i seg selv, med begrunnelse via monotoni og endepunktsverdier;
- at teoremet navngis.
Slik ser en fullstendig føring ut, i fire linjer:
1. «, og er voksende/avtakende på , så .»
2. « er voksende/avtakende fordi har fast fortegn, så .»
3. «Dette ligger inne i , så vilkår (ii) er oppfylt.»
4. «Etter fikspunktteoremet har et entydig fikspunkt i , og iterasjonen konvergerer mot det for enhver .»
Fire linjer. Skriv dem hver gang.
La på .
a) Finn fikspunktet eksakt.
b) Sjekk begge vilkårene og finn .
c) Gjør tre iterasjoner fra .
La og .
a) Vis at på .
b) Undersøk om avbilder inn i seg selv.
c) Hva sier fikspunktteoremet her, og hva skjer faktisk med iterasjonen fra ?
— naturlig pausepunkt (~28 min brukt) —
Du har teoremet og begge vilkårene. Resten av kapitlet er det andre faste delspørsmålet: hvor mange iterasjoner trengs?
Løkke 3 — A-priori-estimatet (~15 min)
«Konvergerer» er ikke nok på en eksamen. Spørsmålet er alltid: hvor mange skritt før feilen er under en gitt toleranse — og det skal besvares før du har regnet dem.
«A priori» betyr «på forhånd»: du kan regne ut hvor mange iterasjoner du trenger etter å ha gjort ett skritt, og deretter sette maskinen i gang med riktig antall.
Utledning i tre linjer. Skriv som en teleskopsum av differansene , og bruk at hver differanse er høyst ganger den forrige:
Summen av restleddene er en geometrisk rekke med kvotient :
Merk eksponenten , ikke . Det er den vanligste feilen i formelen, og den gir ett skritt for lite.
Estimatet står vanligvis ikke på det utdelte formelarket — det må kunnes. Sett det på ditt eget A5-ark.
Det følger av at både og ligger i , så , kombinert med punkt 3 i fikspunktteoremet.
Varianten er svakere (den gir flere iterasjoner), men den er akseptert i løsningsforslagene, og den er raskere når du bare skal ha et grovt tall. Si hvilken du bruker.
Merk at ulikheten snur når du deler på , som er negativ siden . Det er det andre stedet fortegnsfeil oppstår.
Avrunding nedover er en dokumentert feil i sjangeren. Runder du ned, er kravet ikke oppfylt, og hele regnestykket er bortkastet. Skriv gjerne «, altså trengs 11 iterasjoner» — da ser den som retter, at du har tenkt på det.
«A posteriori» betyr «i etterkant»: du regner til to nabo-iterater ligger nær nok hverandre, og bruker differansen som feilmål.
Praktisk forskjell. A-priori sier hvor mange skritt du trenger, før du starter. A-posteriori sier hvor god verdien du har, faktisk er — og den er som regel mye skarpere, fordi den bruker den virkelige krympingen i stedet for det verst tenkelige .
Merk fella: differansen er ikke feilen. Er nær 1, er faktoren stor, og feilen kan være mange ganger større enn differansen.
Konsekvensen i praksis: hvert skritt gir like mange nye korrekte siffer. Med får du omtrent ett nytt siffer per iterasjon; med trengs det tre–fire iterasjoner per siffer.
Kontrast: Newtons metode i kap. 6.4 har kvadratisk konvergens — antall korrekte siffer dobles per skritt. Det er hele grunnen til at Newton er raskere når den først virker.
Spesialtilfellet gir raskere enn lineær konvergens. Det er ikke tilfeldig at Newtons har nettopp .
Med på , og : hvor mange iterasjoner garanterer at feilen er under ?
Sammenlikn deretter med den virkelige feilen.
Steg 2 — sett inn i a-priori-estimatet.
Steg 3 — løs ulikheten.
Rund oppover: .
Kontroll: med er anslaget ✔. Med blir det , altså over kravet — avrundingen oppover var nødvendig.
Steg 4 — den virkelige feilen. Kjører vi iterasjonen, er
Anslaget var 580 ganger for stort. Grunnen er at er maksimum over hele , mens den faktiske krympingen nær fikspunktet er . Over elleve skritt blir forskjellen mellom og enorm.
Er anslaget da ubrukelig? Nei — det er en garanti, og det er akkurat det oppgaven spør etter. Men det er verdt å skrive én setning om at den virkelige feilen er klart mindre. Vil du ha et skarpt tall, bruker du a-posteriori-estimatet i stedet, etter at du har regnet.
Tidsbruk på eksamen: dette delpunktet tar 5–6 minutter når formelen sitter.
Med på , og :
a) Regn ut og .
b) Bestem antall iterasjoner som garanterer feil under .
c) Kontroller mot den eksakte verdien , gitt at .
Anta at en fikspunktiterasjon har og .
a) Hvor mange iterasjoner trengs for feil under ?
b) Samme spørsmål med .
c) Kommenter forskjellen.
Løkke 4 — Full eksamensoppgave (~14 min)
Nå settes alt sammen slik oppgaven faktisk kommer: velg intervall, sjekk begge vilkårene, finn , regn antall iterasjoner, gjør noen skritt.
Ber oppgaven deg løse uten å oppgi , må du velge — og begrunne.
Framgangsmåte:
1. Skriv om på 2–3 måter og deriver hver av dem.
2. Regn nær den forventede roten. Er den over 1, forkast formen.
3. Velg den med minst , og sjekk deretter begge vilkårene på et konkret intervall.
Et nyttig triks: formen har , og du kan velge slik at blir liten nær roten. Setter du , får du nøyaktig Newtons metode.
Si i besvarelsen hvorfor du valgte som du gjorde. «Formen har nær roten og forkastes» er en setning som viser at du forsto hva vilkåret gjør.
Fem raske sjekker på en ferdig K-oppgave:
1. Er fikspunktet kontrollert? Sett det inn i og se at du får det tilbake.
2. Er strengt mindre enn 1? Og er maksimeringen begrunnet med monotoni?
3. Er vilkår (ii) skrevet ut, med riktig rekkefølge på endepunktene når er avtakende?
4. Er teoremet navngitt?
5. Er antall iterasjoner rundet oppover?
Disse fem tar under ett minutt til sammen, og de dekker alle de dokumenterte feilene i sjangeren.
Likningen skal løses numerisk.
a) Vis at likningen har nøyaktig én løsning, og at den ligger i .
b) Vis at iterasjonen konvergerer mot løsningen for enhver i det intervallet.
c) Bestem hvor mange iterasjoner som garanterer feil under med .
d) Gjør de tre første iterasjonene.
så er strengt avtakende på hele tallinja og kan ha høyst én rot.
Videre er
er kontinuerlig og skifter fortegn, så etter mellomverdisetningen finnes en rot i . Kombinert med monotonien er den entydig.
b) Begge vilkårene for på .
(i) , altså , som er avtakende. Maksimum ligger i venstre endepunkt:
(ii) , så er avtakende, og bildet blir
Ligger dette inne i ? Ja: og . ✔
Konklusjon. Etter fikspunktteoremet har et entydig fikspunkt i , og iterasjonen konvergerer mot det for enhver i intervallet.
c) Antall iterasjoner. Først ett skritt:
A-priori-estimatet:
Kravet:
Ta naturlig logaritme; er negativ, så ulikheten snur:
Rund oppover:
Kontroll: ✔, mens 18 iterasjoner gir , altså over kravet.
d) De tre første iterasjonene fra :
Den eksakte roten er .
Legg merke til at iteratene hopper vekselvis over og under roten. Det er fordi — en avtakende gir en spiral inn mot fikspunktet, ikke en trapp. Det er også en gratis kontroll: er negativ, skal fortegnet på feilen skifte for hvert skritt, og roten ligger alltid mellom to nabo-iterater.
Hvorfor så mange iterasjoner? Fordi er ganske nær 1. Med denne trengs omtrent to og en halv iterasjon per nytt korrekt siffer.
Tidsbruk på eksamen: a) 4 min, b) 6 min, c) 6 min, d) 3 min — omtrent 19 minutter for en oppgave på 10 poeng.
Roten ligger nær .
a) Regn ut for begge og evaluer i .
b) Hvilken form ville du valgt, og hvorfor?
c) For den du valgte: sjekk begge vilkårene på .
La med (Herons metode for kvadratrot).
a) Vis at fikspunktene er .
b) Regn ut og vis at .
c) Hva sier det om konvergenshastigheten, sammenliknet med lineær konvergens?
d) Regn to iterasjoner med og .
2. Feil eksponent i a-priori-estimatet. Det er , ikke , når du anslår feilen i . Bruker du , får du ett skritt for lite.
3. Å runde antall iterasjoner nedover. betyr 11 iterasjoner, ikke 10. Runder du ned, er kravet ikke oppfylt.
4. Å glemme at ulikheten snur når du deler på . Siden er negativ, og et blir til et .
5. Feil rekkefølge på endepunktene i vilkår (ii) når er avtakende. Da er , ikke .
6. Å hente i fikspunktet i stedet for på hele intervallet. At gir bare lokal konvergens; oppgaven spør om enhver i intervallet.
7. Å ikke navngi fikspunktteoremet. Metodenavnet skal bæres eksplisitt i konklusjonen — det er et sensorkrav som løsningsforslagene følger konsekvent.
8. Å forveksle differansen med feilen. Den virkelige feilen er inntil ganger større, og faktoren er stor når er nær 1.
Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.
Skolesaga er en uavhengig læringsressurs og er ikke tilknyttet eller godkjent av Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet. Dette er ikke offisielt studiemateriell. Les mer.