Tilbake
6.3

6.3 Fikspunktiterasjon og kontraksjon

Skriv $x=g(x)$ og vis konvergens ved **begge** fikspunktvilkårene, deretter a-priori-estimatet for nødvendig antall iterasjoner.

55 min
12 oppgaver
Fikspunktiterasjonkontraksjon
Din fremgang i kapitlet
0 / 12 oppgaver
Forkunnskaper: kap. 6.1 er ikke strengt nødvendig, men gir øvelsen i å arbeide med funksjonsverdier på et intervall. Ellers trenger du derivasjon, og at du kan avgjøre om en funksjon er voksende eller avtakende.

Kapitlet er forutsetning for kap. 6.4: Newtons metode er en fikspunktiterasjon i forkledning, med g(x)=xf(x)/f(x)g(x)=x-f(x)/f'(x).

Å løse en likning ved å gjenta seg selv

Du skal løse x24x+2=0x^{2}-4x+2=0. 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 x=g(x)x=g(x). Her kan vi flytte om: 4x=x2+24x=x^{2}+2, altså

x=x2+24=g(x).x=\frac{x^{2}+2}{4}=g(x).

Nå gjør vi noe som ser altfor enkelt ut til å virke: gjett en startverdi, sett den inn i gg, ta svaret og sett det inn igjen, om og om igjen.

0,5  0,5625  0,5791  0,5838  0,5852  0{,}5\ \to\ 0{,}5625\ \to\ 0{,}5791\ \to\ 0{,}5838\ \to\ 0{,}5852\ \to\ \dots

Tallene stabiliserer seg. Og de stabiliserer seg mot 220,5857862-\sqrt2\approx 0{,}585786 — 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 x=x2+24\displaystyle x=\frac{x^2+2}{4} mot x2=4x2x^2 = 4x-2, altså x=4x2x=\sqrt{4x-2} — 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.

Flashcard- og repetisjonsstoff — hopp trygt over ved førstegangslesing. Definisjonsboksene er samtidig kortene i flashcard-bunken. Tidsanslaget på 55 minutter gjelder kjernestoffet.

Løkke 1 — Fikspunkt og iterasjon (~13 min)

Fikspunkt
Et tall rr som avbildes på seg selv:

g(r)=r.g(r)=r.

Geometrisk er det et skjæringspunkt mellom grafen til gg og linja y=xy=x. Har grafene ingen skjæringspunkt, finnes det ikke noe fikspunkt; har de flere, har gg flere fikspunkter.

Sammenhengen med likningsløsing: en likning f(x)=0f(x)=0 kan omformes til x=g(x)x=g(x), slik at fikspunktene til gg er nøyaktig røttene til ff. Da har du gjort et rotsøkingsproblem om til et fikspunktproblem.

Fikspunktform — og at den ikke er entydig
Å skrive en likning f(x)=0f(x)=0 på formen x=g(x)x=g(x).

Det finnes mange måter. For x24x+2=0x^{2}-4x+2=0:

x=x2+24,x=4x2,x=42x,x=xα(x24x+2).x=\frac{x^{2}+2}{4},\qquad x=\sqrt{4x-2},\qquad x=4-\frac{2}{x},\qquad x=x-\alpha\left(x^{2}-4x+2\right).

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 gg for deg. Gjør den ikke det, må du velge — og da må du begrunne valget ved å sjekke vilkårene under.

Fikspunktiterasjonen
Følgen som lages ved å sette inn i gg om og om igjen:

xk+1=g(xk),k=0,1,2,x_{k+1}=g(x_k),\qquad k=0,1,2,\dots

med en oppgitt startverdi x0x_0.

Grafisk («trappediagrammet»): gå loddrett fra xkx_k opp til grafen til gg for å finne g(xk)g(x_k), og deretter vannrett bort til linja y=xy=x for å gjøre verdien til neste xx. Gjentar du det, danner sporet enten en trapp eller en spiral inn mot fikspunktet — eller ut fra det.

Konvergerer følgen mot et tall rr, og er gg kontinuerlig, så er rr et fikspunkt. Det følger av at xk+1=g(xk)x_{k+1}=g(x_k) i grensen blir r=g(r)r=g(r).

Trappediagram og spiral

De to bildene iterasjonen kan danne, avhengig av fortegnet til gg'.

Trapp (g>0g'>0, voksende gg): iteratene nærmer seg fikspunktet fra én side og blir liggende der. Feilen har samme fortegn hele veien.

Spiral (g<0g'<0, avtakende gg): iteratene hopper vekselvis over og under fikspunktet. Feilen skifter fortegn for hvert skritt.

Spiralen gir en gratis kontroll: er gg avtakende, må roten alltid ligge mellom to nabo-iterater. Ser du at x2x_2 og x3x_3 ligger på samme side av det du tror er svaret, har du regnefeil.

Er g>1|g'|>1, går trappen eller spiralen den andre veien — bort fra fikspunktet. Det er hele innholdet i vilkår (i), sett grafisk.

Kontraksjon
En funksjon som krymper avstander: det finnes et tall L<1L<1 slik at

g(u)g(v)Luvfor alle u,v i intervallet.\left|g(u)-g(v)\right|\le L\left|u-v\right| \qquad \text{for alle } u,v \text{ i intervallet}.

Bruk middelverdisetningen for å se hvorfor derivasjon er nok: er gg deriverbar, er g(u)g(v)=g(η)(uv)g(u)-g(v)=g'(\eta)(u-v) for en η\eta mellom uu og vv, så

g(u)g(v)(maxg)uv.\left|g(u)-g(v)\right|\le\left(\max\left|g'\right|\right)\left|u-v\right|.

Er maxgL<1\max|g'|\le L<1, er gg altså en kontraksjon med den konstanten.

Ordet «kontraksjon» i klarspråk: to punkter som settes inn i gg, kommer ut nærmere hverandre enn de gikk inn — og de kommer minst en fast brøkdel nærmere hver gang.

Kontraksjonskonstanten LL
Tallet i kontraksjonsulikheten, i praksis

L=maxxIg(x).L=\max_{x\in I}\left|g'(x)\right|.

Slik finner du den: som regel er g|g'| monoton på intervallet, og da ligger maksimum i et endepunkt. Skriv ut hvorfor — «g(x)=x2\displaystyle |g'(x)|=\frac{x}{2} er voksende på [0,1][0,1], så maksimum er i x=1x=1» — det er et halvt poeng verdt.

LL styrer alt:

- LL nær 0 gir rask konvergens.
- LL nær 1 gir langsom konvergens, og antall iterasjoner i estimatet vokser dramatisk.
- L1L\ge 1 gir ingen garanti i det hele tatt.

Merk symbolkollisjonen: LL er halvperioden i Fourier-rekker (kap. 3.1), men kontraksjonskonstanten her. De har ingenting med hverandre å gjøre.

Vilkår (i): gL<1|g'|\le L<1

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 maxg=1\max|g'|=1, er det ikke nok: funksjonen g(x)=xg(x)=x har g1|g'|\equiv 1 og alle punkter som fikspunkt, og g(x)=x+1g(x)=x+1 har g1|g'|\equiv 1 og ingen.

Merk også at maksimeringen skal gå over hele intervallet, ikke bare i fikspunktet. At g(r)<1|g'(r)|<1 sier bare at iterasjonen konvergerer for startverdier nær nok rr — og «nær nok» er ikke et svar på «for enhver x0[a,b]x_0\in[a,b]».

Vilkår (ii): g(I)Ig(I)\subseteq I

Det andre vilkåret: gg skal avbilde intervallet inn i seg selv. Er xx i II, skal g(x)g(x) også være i II.

Hvorfor det trengs: vilkår (i) sier bare noe om hva som skjer inne i II. Hopper iterasjonen ut av intervallet, gjelder ikke lenger anslaget på g|g'|, og garantien er borte.

Slik viser du det, i to steg:

1. Avgjør om gg er voksende eller avtakendeII (se på fortegnet til gg').
2. Regn ut endepunktsverdiene. Er gg voksende, er g(I)=[g(a),g(b)]g(I)=[g(a),g(b)]; er gg avtakende, er g(I)=[g(b),g(a)]g(I)=[g(b),g(a)]. Sjekk at det ligger inne i [a,b][a,b].

Er gg 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.

✏️Begge vilkårene på $g(x)=\frac{x^{2}+2}{4}$

La g(x)=x2+24g(x)=\dfrac{x^{2}+2}{4} og I=[0,1]I=[0,1].

a) Vis at gg har et fikspunkt i II, og finn det eksakt.
b) Sjekk begge fikspunktvilkårene på II.
c) Gjør fire iterasjoner fra x0=0,5x_0=0{,}5 og sammenlikn med det eksakte svaret.

a) Fikspunktet. Løs g(x)=xg(x)=x:

x2+24=x  x2+2=4x  x24x+2=0.\frac{x^{2}+2}{4}=x\ \Longleftrightarrow\ x^{2}+2=4x\ \Longleftrightarrow\ x^{2}-4x+2=0.

x=4±1682=4±222=2±2.x=\frac{4\pm\sqrt{16-8}}{2}=\frac{4\pm 2\sqrt2}{2}=2\pm\sqrt2.

Røttene er 220,5857862-\sqrt2\approx 0{,}585786 og 2+23,4142142+\sqrt2\approx 3{,}414214. Bare den første ligger i [0,1][0,1].

r=220,5857864\boxed{r=2-\sqrt2\approx 0{,}5857864}

b) Vilkår (i) — kontraksjon.

g(x)=2x4=x2.g'(x)=\frac{2x}{4}=\frac{x}{2}.

[0,1][0,1] er g(x)=x2\displaystyle |g'(x)|=\frac{x}{2} voksende, så maksimum ligger i høyre endepunkt:

L=max[0,1]g=g(1)=12<1.L=\max_{[0,1]}\left|g'\right|=g'(1)=\frac12<1.\qquad ✔

Vilkår (ii) — gg avbilder [0,1][0,1] inn i seg selv.

g(x)=x20\displaystyle g'(x)=\frac{x}{2}\ge 0[0,1][0,1], så gg er voksende der. Da er

g([0,1])=[g(0),g(1)]=[0+24, 1+24]=[12, 34].g\left([0,1]\right)=\left[g(0),\,g(1)\right]=\left[\frac{0+2}{4},\ \frac{1+2}{4}\right]=\left[\frac12,\ \frac34\right].

Og [12,34][0,1]\left[\tfrac12,\tfrac34\right]\subset[0,1]. ✔

Konklusjon. Begge vilkårene holder med L=12\displaystyle L=\frac12. Etter fikspunktteoremet har gg et entydig fikspunkt i [0,1][0,1], og iterasjonen xk+1=g(xk)x_{k+1}=g(x_k) konvergerer mot det for enhver startverdi x0[0,1]x_0\in[0,1].

c) Iterasjonene fra x0=0,5x_0=0{,}5.

x1=0,25+24=2,254=0,5625,x_1=\frac{0{,}25+2}{4}=\frac{2{,}25}{4}=0{,}5625,
x2=0,56252+24=0,31640625+24=0,5791015625,x_2=\frac{0{,}5625^{2}+2}{4}=\frac{0{,}31640625+2}{4}=0{,}5791015625,
x3=0,57910156252+240,33535862+240,5838396549,x_3=\frac{0{,}5791015625^{2}+2}{4}\approx\frac{0{,}33535862+2}{4}\approx 0{,}5838396549,
x40,34086874+240,5852171857.x_4\approx\frac{0{,}34086874+2}{4}\approx 0{,}5852171857.

kkxkx_kxkr|x_k-r|
00,50{,}58,581028{,}58\cdot 10^{-2}
10,56250{,}56252,331022{,}33\cdot 10^{-2}
20,57910160{,}57910166,691036{,}69\cdot 10^{-3}
30,58383970{,}58383971,951031{,}95\cdot 10^{-3}
40,58521720{,}58521725,691045{,}69\cdot 10^{-4}

Legg merke til mønsteret i feilene: hver feil er omtrent 0,290{,}29 ganger den forrige. Det er mindre enn L=12\displaystyle L=\frac12, og det er som forventet — LL er et maksimum over hele intervallet, mens den faktiske krympingen nær fikspunktet er g(r)=r20,293\displaystyle |g'(r)|=\frac{r}{2}\approx 0{,}293.
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.
📝Oppgave 1

(Innstegsoppgave — ren gjengivelse.) La g(x)=x+3x+1g(x)=\dfrac{x+3}{x+1} og I=[1,2]I=[1,2].

a) Finn fikspunktet eksakt ved å løse g(x)=xg(x)=x.
b) Regn ut g(1)g(1) og g(2)g(2).
c) Regn ut g(x)g'(x).

📝Oppgave 2
K

Fortsett med g(x)=x+3x+1g(x)=\dfrac{x+3}{x+1}I=[1,2]I=[1,2], der g(x)=2(x+1)2g'(x)=\dfrac{-2}{(x+1)^{2}}.

a) Finn L=maxIgL=\max_{I}|g'|, og begrunn hvor maksimum ligger.
b) Vis at gg avbilder [1,2][1,2] inn i seg selv.
c) Konkluder.

Løkke 2 — Fikspunktteoremet (~13 min)

📜Fikspunktteoremet
La I=[a,b]I=[a,b] og la gg være deriverbar på II med

(i) g(x)L<1\left|g'(x)\right|\le L<1 for alle xIx\in I, og
(ii) g(I)Ig(I)\subseteq I.

Da gjelder:

1. gg har nøyaktig ett fikspunkt rr i II.
2. Iterasjonen xk+1=g(xk)x_{k+1}=g(x_k) konvergerer mot rr for enhver startverdi x0Ix_0\in I.
3. Feilen tilfredsstiller xkrLkx0r\left|x_{k}-r\right|\le L^{k}\left|x_0-r\right|.

Bevisskisse. Vilkår (ii) sikrer at hele følgen blir liggende i II, slik at (i) alltid kan brukes. Da er

xk+1r=g(xk)g(r)Lxkr,\left|x_{k+1}-r\right|=\left|g(x_k)-g(r)\right|\le L\left|x_k-r\right|,

der vi brukte at r=g(r)r=g(r) og at gg er en kontraksjon. Gjentar du ulikheten kk ganger, får du punkt 3, og siden L<1L<1 går Lk0L^{k}\to 0. Entydigheten: hadde gg to fikspunkter rr og ss i II, ville rs=g(r)g(s)Lrs|r-s|=|g(r)-g(s)|\le L|r-s|, altså (1L)rs0(1-L)|r-s|\le 0, som med L<1L<1 tvinger r=sr=s. \blacksquare

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.

Hvorfor begge vilkårene trengs
To moteksempler viser at ingen av dem kan sløyfes.

Vilkår (i) sløyfet. La g(x)=x22g(x)=x^{2}-2 med I=[1,5,2,5]I=[1{,}5,\,2{,}5]. Fikspunktet x=2x=2 ligger i II, og gg er fin og glatt. Men g(2)=4>1g'(2)=4>1, og iterasjonen fra x0=2,05x_0=2{,}05 gir

2,05  2,2025  2,8510  6,1282  35,56  1262,2  2{,}05\ \to\ 2{,}2025\ \to\ 2{,}8510\ \to\ 6{,}1282\ \to\ 35{,}56\ \to\ 1262{,}2\ \to\ \dots

Den løper fra fikspunktet, ikke mot det.

Vilkår (ii) sløyfet. La g(x)=x2+1\displaystyle g(x)=\frac{x}{2}+1 med I=[0,1]I=[0,1]. Her er g=12<1\displaystyle |g'|=\frac12<1 overalt, så (i) holder glimrende. Men g(1)=1,5[0,1]g(1)=1{,}5\notin[0,1], så (ii) svikter — og fikspunktet er x=2x=2, som ikke ligger i II i det hele tatt. Iterasjonen fra x0=0,5x_0=0{,}5 gir

0,5  1,25  1,625  1,8125  1,90625    2.0{,}5\ \to\ 1{,}25\ \to\ 1{,}625\ \to\ 1{,}8125\ \to\ 1{,}90625\ \to\ \dots\ \to\ 2.

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.

📝Oppgave 3
K

La g(x)=x+6g(x)=\sqrt{x+6}I=[1,4]I=[1,4].

a) Finn fikspunktet eksakt.
b) Sjekk begge vilkårene og finn LL.
c) Gjør tre iterasjoner fra x0=1x_0=1.

📝Oppgave 4
K

La g(x)=x2+1g(x)=\dfrac{x}{2}+1 og I=[0,1]I=[0,1].

a) Vis at g<1|g'|<1II.
b) Undersøk om gg avbilder II inn i seg selv.
c) Hva sier fikspunktteoremet her, og hva skjer faktisk med iterasjonen fra x0=0,5x_0=0{,}5?

— 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-estimatet
Feilgrensen som bare bruker LL og det første skrittet:

xk+1r  Lk+11Lg(x0)x0 = Lk+11Lx1x0.\left|x_{k+1}-r\right|\ \le\ \frac{L^{k+1}}{1-L}\,\left|g(x_0)-x_0\right|\ =\ \frac{L^{k+1}}{1-L}\,\left|x_1-x_0\right|.

«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 rxk+1r-x_{k+1} som en teleskopsum av differansene xj+1xjx_{j+1}-x_j, og bruk at hver differanse er høyst LL ganger den forrige:

xj+1xj=g(xj)g(xj1)Lxjxj1Ljx1x0.\left|x_{j+1}-x_j\right|=\left|g(x_j)-g(x_{j-1})\right|\le L\left|x_j-x_{j-1}\right|\le\dots\le L^{j}\left|x_1-x_0\right|.

Summen av restleddene er en geometrisk rekke med kvotient LL:

rxk+1jk+1Ljx1x0=Lk+11Lx1x0.\left|r-x_{k+1}\right|\le\sum_{j\ge k+1}L^{j}\left|x_1-x_0\right|=\frac{L^{k+1}}{1-L}\left|x_1-x_0\right|.

Merk eksponenten k+1k+1, ikke kk. 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.

Den svakere varianten
Kjenner du ikke x1x_1, kan du erstatte x1x0|x_1-x_0| med hele intervallets lengde:

xkrLk(ba).\left|x_{k}-r\right|\le L^{k}\,(b-a).

Det følger av at både x0x_0 og rr ligger i [a,b][a,b], så x0rba|x_0-r|\le b-a, 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.

Avrunding oppover av iterasjonstallet
Løser du ulikheten for kk, får du nesten alltid et desimaltall — og da skal du runde oppover.

Lk+1(1L)tolx1x0  (k+1)lnLln()  k+1  ln()lnL.L^{k+1}\le\frac{(1-L)\,\text{tol}}{\left|x_1-x_0\right|}\ \Longrightarrow\ (k+1)\ln L\le\ln(\cdots)\ \Longrightarrow\ k+1\ \ge\ \frac{\ln(\cdots)}{\ln L}.

Merk at ulikheten snur når du deler på lnL\ln L, som er negativ siden L<1L<1. 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 «k+110,29k+1\ge 10{,}29, altså trengs 11 iterasjoner» — da ser den som retter, at du har tenkt på det.

A-posteriori-estimatet
Feilgrensen som bruker det siste skrittet du faktisk har regnet:

xkrL1Lxkxk1.\left|x_k-r\right|\le\frac{L}{1-L}\left|x_k-x_{k-1}\right|.

«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 LL.

Merk fella: differansen xkxk1|x_k-x_{k-1}| er ikke feilen. Er LL nær 1, er faktoren L1L\displaystyle \frac{L}{1-L} stor, og feilen kan være mange ganger større enn differansen.

Lineær konvergens
Fikspunktiterasjon har lineær konvergens: feilen faller med en fast faktor per skritt,

xk+1rg(r)xkr.\left|x_{k+1}-r\right|\approx\left|g'(r)\right|\cdot\left|x_k-r\right|.

Konsekvensen i praksis: hvert skritt gir like mange nye korrekte siffer. Med g(r)0,1|g'(r)|\approx 0{,}1 får du omtrent ett nytt siffer per iterasjon; med g(r)0,5|g'(r)|\approx 0{,}5 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 g(r)=0g'(r)=0 gir raskere enn lineær konvergens. Det er ikke tilfeldig at Newtons g(x)=xf(x)/f(x)g(x)=x-f(x)/f'(x) har nettopp g(r)=0g'(r)=0.

✏️Hvor mange iterasjoner trengs?

Med g(x)=x2+24g(x)=\dfrac{x^{2}+2}{4}[0,1][0,1], L=12L=\dfrac12 og x0=0,5x_0=0{,}5: hvor mange iterasjoner garanterer at feilen er under 10410^{-4}?

Sammenlikn deretter med den virkelige feilen.

Steg 1 — det første skrittet.

x1=g(0,5)=0,25+24=0,5625,x1x0=0,0625.x_1=g(0{,}5)=\frac{0{,}25+2}{4}=0{,}5625,\qquad \left|x_1-x_0\right|=0{,}0625.

Steg 2 — sett inn i a-priori-estimatet.

xk+1rLk+11Lx1x0=(12)k+1120,0625=0,125(12)k+1.\left|x_{k+1}-r\right|\le\frac{L^{k+1}}{1-L}\left|x_1-x_0\right|=\frac{\left(\tfrac12\right)^{k+1}}{\tfrac12}\cdot 0{,}0625=0{,}125\cdot\left(\tfrac12\right)^{k+1}.

Steg 3 — løs ulikheten.

0,125(12)k+1104  (12)k+18104  2k+11250.0{,}125\cdot\left(\tfrac12\right)^{k+1}\le 10^{-4}\ \Longleftrightarrow\ \left(\tfrac12\right)^{k+1}\le 8\cdot 10^{-4}\ \Longleftrightarrow\ 2^{\,k+1}\ge 1250.

k+1log21250=ln1250ln27,13090,693110,288.k+1\ge\log_2 1250=\frac{\ln 1250}{\ln 2}\approx\frac{7{,}1309}{0{,}6931}\approx 10{,}288.

Rund oppover: k+1=11k+1=11.

11 iterasjoner garanterer feil under 104.\boxed{\text{11 iterasjoner garanterer feil under } 10^{-4}.}

Kontroll: med k+1=11k+1=11 er anslaget 0,1252116,10105<1040{,}125\cdot 2^{-11}\approx 6{,}10\cdot 10^{-5}<10^{-4} ✔. Med k+1=10k+1=10 blir det 1,221041{,}22\cdot 10^{-4}, altså over kravet — avrundingen oppover var nødvendig.

Steg 4 — den virkelige feilen. Kjører vi iterasjonen, er

x110,5857863324,r=220,5857864376,x_{11}\approx 0{,}5857863324,\qquad r=2-\sqrt2\approx 0{,}5857864376,

x11r1,05107.\left|x_{11}-r\right|\approx 1{,}05\cdot 10^{-7}.

Anslaget var 580 ganger for stort. Grunnen er at L=12\displaystyle L=\frac12 er maksimum over hele [0,1][0,1], mens den faktiske krympingen nær fikspunktet er g(r)=r20,293\displaystyle |g'(r)|=\frac{r}{2}\approx 0{,}293. Over elleve skritt blir forskjellen mellom 0,5110{,}5^{11} og 0,293110{,}293^{11} 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.

📝Oppgave 5
K

Med g(x)=x+3x+1g(x)=\dfrac{x+3}{x+1}[1,2][1,2], L=12L=\dfrac12 og x0=2x_0=2:

a) Regn ut x1x_1 og x1x0\left|x_1-x_0\right|.
b) Bestem antall iterasjoner som garanterer feil under 10310^{-3}.
c) Kontroller mot den eksakte verdien 31,7320508\sqrt3\approx 1{,}7320508, gitt at x101,7320513x_{10}\approx 1{,}7320513.

📝Oppgave 6
K

Anta at en fikspunktiterasjon har L=0,8L=0{,}8 og x1x0=0,4\left|x_1-x_0\right|=0{,}4.

a) Hvor mange iterasjoner trengs for feil under 10510^{-5}?
b) Samme spørsmål med L=0,2L=0{,}2.
c) Kommenter forskjellen.

Løkke 4 — Full eksamensoppgave (~14 min)

Nå settes alt sammen slik oppgaven faktisk kommer: velg intervall, sjekk begge vilkårene, finn LL, regn antall iterasjoner, gjør noen skritt.

Å velge fikspunktform selv

Ber oppgaven deg løse f(x)=0f(x)=0 uten å oppgi gg, må du velge — og begrunne.

Framgangsmåte:

1. Skriv om på 2–3 måter og deriver hver av dem.
2. Regn g|g'| nær den forventede roten. Er den over 1, forkast formen.
3. Velg den med minst g|g'|, og sjekk deretter begge vilkårene på et konkret intervall.

Et nyttig triks: formen x=xαf(x)x=x-\alpha f(x) har g=1αfg'=1-\alpha f', og du kan velge α\alpha slik at gg' blir liten nær roten. Setter du α=1/f(x)\alpha=1/f'(x), får du nøyaktig Newtons metode.

Si i besvarelsen hvorfor du valgte som du gjorde. «Formen x=4x2x=\sqrt{4x-2} har g>1|g'|>1 nær roten og forkastes» er en setning som viser at du forsto hva vilkåret gjør.

Kontrollrutinen før du leverer

Fem raske sjekker på en ferdig K-oppgave:

1. Er fikspunktet kontrollert? Sett det inn i gg og se at du får det tilbake.
2. Er LL strengt mindre enn 1? Og er maksimeringen begrunnet med monotoni?
3. Er vilkår (ii) skrevet ut, med riktig rekkefølge på endepunktene når gg 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.

✏️Eksamensnivå: hele K-sjangeren i én oppgave

Likningen ex=xe^{-x}=x skal løses numerisk.

a) Vis at likningen har nøyaktig én løsning, og at den ligger i [0,4,0,8][0{,}4,\,0{,}8].
b) Vis at iterasjonen xk+1=exkx_{k+1}=e^{-x_k} konvergerer mot løsningen for enhver x0x_0 i det intervallet.
c) Bestem hvor mange iterasjoner som garanterer feil under 10410^{-4} med x0=0,6x_0=0{,}6.
d) Gjør de tre første iterasjonene.

a) Én løsning. Sett f(x)=exxf(x)=e^{-x}-x. Da er

f(x)=ex1<0for alle x,f'(x)=-e^{-x}-1<0 \qquad \text{for alle } x,

ff er strengt avtakende på hele tallinja og kan ha høyst én rot.

Videre er

f(0,4)=e0,40,40,6703200,4=0,270320>0,f(0{,}4)=e^{-0{,}4}-0{,}4\approx 0{,}670320-0{,}4=0{,}270320>0,
f(0,8)=e0,80,80,4493290,8=0,350671<0.f(0{,}8)=e^{-0{,}8}-0{,}8\approx 0{,}449329-0{,}8=-0{,}350671<0.

ff er kontinuerlig og skifter fortegn, så etter mellomverdisetningen finnes en rot i (0,4,0,8)(0{,}4,\,0{,}8). Kombinert med monotonien er den entydig. \blacksquare

b) Begge vilkårene for g(x)=exg(x)=e^{-x}I=[0,4,0,8]I=[0{,}4,\,0{,}8].

(i) g(x)=exg'(x)=-e^{-x}, altså g(x)=ex\left|g'(x)\right|=e^{-x}, som er avtakende. Maksimum ligger i venstre endepunkt:

L=e0,40,670320<1.L=e^{-0{,}4}\approx 0{,}670320<1.\qquad ✔

(ii) g<0g'<0, så gg er avtakende, og bildet blir

g([0,4,0,8])=[g(0,8),g(0,4)]=[e0,8, e0,4][0,449329, 0,670320].g\left([0{,}4,\,0{,}8]\right)=\left[g(0{,}8),\,g(0{,}4)\right]=\left[e^{-0{,}8},\ e^{-0{,}4}\right]\approx\left[0{,}449329,\ 0{,}670320\right].

Ligger dette inne i [0,4,0,8][0{,}4,\,0{,}8]? Ja: 0,4490,40{,}449\ge 0{,}4 og 0,6700,80{,}670\le 0{,}8. ✔

Konklusjon. Etter fikspunktteoremet har gg et entydig fikspunkt i [0,4,0,8][0{,}4,\,0{,}8], og iterasjonen xk+1=exkx_{k+1}=e^{-x_k} konvergerer mot det for enhver x0x_0 i intervallet.

c) Antall iterasjoner. Først ett skritt:

x1=e0,60,548812,x1x00,051188.x_1=e^{-0{,}6}\approx 0{,}548812,\qquad \left|x_1-x_0\right|\approx 0{,}051188.

A-priori-estimatet:

xk+1rLk+11Lx1x0=0,670320k+10,3296800,0511880,1552680,670320k+1.\left|x_{k+1}-r\right|\le\frac{L^{k+1}}{1-L}\left|x_1-x_0\right|=\frac{0{,}670320^{\,k+1}}{0{,}329680}\cdot 0{,}051188\approx 0{,}155268\cdot 0{,}670320^{\,k+1}.

Kravet:

0,1552680,670320k+1104  0,670320k+16,4404104.0{,}155268\cdot 0{,}670320^{\,k+1}\le 10^{-4}\ \Longleftrightarrow\ 0{,}670320^{\,k+1}\le 6{,}4404\cdot 10^{-4}.

Ta naturlig logaritme; ln0,6703200,400000\ln 0{,}670320\approx -0{,}400000 er negativ, så ulikheten snur:

k+1ln(6,4404104)0,4=7,347660,418,369.k+1\ge\frac{\ln\left(6{,}4404\cdot 10^{-4}\right)}{-0{,}4}=\frac{-7{,}34766}{-0{,}4}\approx 18{,}369.

Rund oppover:

k+1=19 iterasjoner\boxed{k+1=19 \text{ iterasjoner}}

Kontroll: 0,1552680,670320197,77105<1040{,}155268\cdot 0{,}670320^{19}\approx 7{,}77\cdot 10^{-5}<10^{-4} ✔, mens 18 iterasjoner gir 1,161041{,}16\cdot 10^{-4}, altså over kravet.

d) De tre første iterasjonene fra x0=0,6x_0=0{,}6:

x1=e0,60,5488116,x_1=e^{-0{,}6}\approx 0{,}5488116,
x2=e0,54881160,5776358,x_2=e^{-0{,}5488116}\approx 0{,}5776358,
x3=e0,57763580,5612236.x_3=e^{-0{,}5776358}\approx 0{,}5612236.

Den eksakte roten er r0,5671433r\approx 0{,}5671433.

Legg merke til at iteratene hopper vekselvis over og under roten. Det er fordi g<0g'<0 — en avtakende gg gir en spiral inn mot fikspunktet, ikke en trapp. Det er også en gratis kontroll: er gg' negativ, skal fortegnet på feilen skifte for hvert skritt, og roten ligger alltid mellom to nabo-iterater.

Hvorfor så mange iterasjoner? Fordi L0,67L\approx 0{,}67 er ganske nær 1. Med denne LL 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.

📝Oppgave 7
K
Likningen x3+x1=0x^{3}+x-1=0 skrives om på to måter:

(A)x=1x3,(B)x=11+x2.\text{(A)}\quad x=1-x^{3},\qquad\qquad \text{(B)}\quad x=\frac{1}{1+x^{2}}.

Roten ligger nær 0,680{,}68.

a) Regn ut gg' for begge og evaluer i x=0,68x=0{,}68.
b) Hvilken form ville du valgt, og hvorfor?
c) For den du valgte: sjekk begge vilkårene på [0,6,0,8][0{,}6,\,0{,}8].

📝Oppgave 8
K

La g(x)=12(x+ax)g(x)=\dfrac{1}{2}\left(x+\dfrac{a}{x}\right) med a>0a>0 (Herons metode for kvadratrot).

a) Vis at fikspunktene er x=±ax=\pm\sqrt a.
b) Regn ut g(x)g'(x) og vis at g(a)=0g'\left(\sqrt a\right)=0.
c) Hva sier det om konvergenshastigheten, sammenliknet med lineær konvergens?
d) Regn to iterasjoner med a=5a=5 og x0=2x_0=2.

Repetisjonsoppgaver
Din fremgang
0 / 4 oppgaver
Symbol- og formelliste

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.