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Halley-Verfahren

Das Halley-Verfahren (auch Verfahren der berührenden Hyperbeln) ist, ähnlich wie das Newton-Verfahren, eine Methode der numerischen Mathematik zur Bestimmung von Nullstellen f(x) = 0 reeller Funktionen . Im Gegensatz zum Newton-Verfahren hat es die Konvergenzordnung 3, benötigt dazu aber zusätzlich zur ersten auch die zweite Ableitung. Es ist nach dem Astronomen Edmond Halley benannt, der auch den Halleyschen Kometen entdeckte. Ein vergleichbares Verfahren ist das Euler-Tschebyschow-Verfahren.

Beschreibung des Verfahrens

Sei f eine reelle Funktion mit stetiger zweiter Ableitung, und sei a eine einfache Nullstelle von f, d.h. . Dann wird der Funktionsverlauf von f in der Nähe von a gerade gebogen, indem statt f die Funktion betrachtet wird. Diese Konstruktion ist von der Nullstelle unabhängig. Nun wird das Newton-Verfahren auf g angewandt. Es ist

und daher

Daraus ergibt sich die Iteration des Halley-Verfahrens wie folgt: Es wird ein geeigneter Startwert x₀ gewählt, wobei sich dieselben Schwierigkeiten und Strategien wie beim Newton-Verfahren ergeben. Mit diesem wird die Folge der sukzessiven Näherungen durch die Iterationsvorschrift

bestimmt.

Beispiel

Die Iteration für die Quadratwurzel von 5 ergibt mit f(x) = x² - 5 die Iterationsvorschrift

und damit die Berechnungstabelle

Es ergibt sich eine Folge von 0, 1, 5, 21, >60 gültigen Stellen, d.h. eine Verdreifachung in jedem Schritt. Das Newtonverfahren hat die Verfahrensvorschrift:

Im direkten Vergleich zeigt das Halley Verfahren die schnellere Konvergenz. Es benötigt jedoch mehr Rechenoperationen pro Schritt.

Kubische Konvergenz

Sei f dreimal stetig differenzierbar. Da a als Nullstelle von f vorausgesetzt wurde, gilt näherungsweise . Genauer gilt auf einem Intervall I, welches a enthält, nach dem Mittelwertsatz der Differentialrechnung die zweiseitige Abschätzung

,

d.h. sowohl x - a = O(f(x)) als auch f(x) = O(x - a). Es reicht also, das Verhältnis der Funktionswerte von einem Iterationsschritt zum nächsten zu bestimmen.

Die Taylorentwicklung zweiten Grades von f ist

.

Dies ergibt zunächst eine Näherung durch eine Parabel, die f im Punkt x von zweiter Ordnung berührt. Ist f(x) klein genug, so hat diese Parabel eine Nullstelle, die deutlich nahe an x liegt, nämlich bei

Die entsprechende Iteration ist

.

Da der Nenner von h in der Nähe einer Nullstelle von f von Null verschieden ist, gilt h = O(f(x)). Durch diese Konstruktion von h verschwinden die ersten drei Glieder der Taylor-Entwicklung, daher gilt f(x_{k + 1} ) = O(h³ ) = O(f(x_k )³ ).

Benutzt man in der Taylor-Entwicklung die Identität (a + bh)(a - bh) = a² - b² h² = a² + O(h² ), so kann man diese in einen Bruch von in h linearen Funktionen verwandeln:

Die Funktion f wird also durch eine Hyperbel approximiert, die f in x zu ebenfalls zweiter Ordnung berührt. Der Zähler der Hyperbelfunktion verschwindet für , woraus sich die Halley-Iteration (s.o.) ergibt. Wieder gilt h = O(f(x)) und damit

f(H_f (x)) = O(h³ ) = O(f(x)³ )

Daraus folgt dann für die Halley-Iteration

x_{k + 1} - a = H_f (x_k ) - a = O(f(H_f (x_k ))) = O(f(x_k )³ ) = O((x_k - a)³ ),

d.h. die kubische Konvergenz.

mehrdimensionale Erweiterung

Eine Erweiterung des Verfahrens auf Funktionen mehrerer Veränderlicher ist möglich. Es kann der gleiche binomische Trick zur Herstellung einer Hyperbelfunktion verwendet werden. Dabei ist aber zu beachten,

1. dass F '(x) eine Matrix ist, die als invertierbar vorausgesetzt wird,
2. dass F ''(x) ein Tensor dritter Stufe ist, genauer eine vektorwertige symmetrische Bilinearform, und
3. dass die unvollständig ausgewertete zweite Ableitung , die ebenfalls eine Matrix ist, im Allgemeinen nicht mit der Matrix F '(x) kommutiert.

Dies sind keine Hindernisse, diese Eigenschaften machen nur die Rechnung etwas unübersichtlicher. Es bezeichne t = - F´(x)^-1 F(x) den üblichen Newtonschritt, sei der entsprechend modifizierte Term zweiter Ordnung. Dann gilt für die Taylorentwicklung in x

d.h.

Der in s lineare Teil des Zählers wird nun zu Null gesetzt und weiter umgeformt. Dabei wird die Symmetrie von ausgenutzt:

Werden nun die Kurznotationen durch die ursprünglichen Ausdrücke ersetzt, so ergibt sich

.

Man überzeugt sich leicht, dass diese Formel sich im eindimensionalen Fall zur Halley-Iteration reduziert. Der sich daraus ergebende Iterationsschritt des mehrdimensionalen Halley-Verfahrens kann in 3 einfacheren Schritten bestimmt werden:

1. Newton-Schritt: Löse F'(x_k )t_k = - F(x_k )
2. Korrektur des Newton-Schritts: Löse
3. Setze x_{k + 1} = x_k + s_k

Ist die 2.Ableitung Lipschitz-stetig, so konvergiert das Verfahren lokal kubisch.

Da F(x) als klein vorausgesetzt wurde, ist es nicht wirklich notwendig, die Inverse der großen Klammer zu bestimmen. Es kann wieder der binomische Trick (bzw. die Taylorformel 1. Grades) benutzt werden, um den einfacheren, aber bis auf Terme dritter Ordnung (nun in F(x)) identischen Ausdruck

zu erhalten. Die daraus abgeleitete Iteration ist das Euler-Tschebyschow-Verfahren.

Literatur

• T.R. Scavo and J.B. Thoo, On the geometry of Halley's method. American Mathematical Monthly, volume 102 (1995), number 5, pages 417-426.

• Hubert Schwetlick: Numerische Lösung nichtlinearer Gleichungen Deutscher Verlag der Wissenschaften 1979

An Archimedes wird man sich erinnern, wenn Aischylos vergessen ist - weil zwar die Sprachen sterben, nicht aber die mathematischen Ideen.

Godfrey Harold Hardy

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