Metodo de Newton-Raphson | Explicación y ejercicio resuelto

FísicayMates
18 Sept 201414:13

Summary

TLDRThis video from the Physics and Math channel offers a detailed and easy-to-understand explanation of Newton-Raphson method, a powerful technique for finding roots of equations. The host walks viewers through the method's definition, its iterative nature, and its geometric interpretation. A step-by-step demonstration is provided, starting with an initial guess close to the root, followed by successive approximations using the derivative of the function. The video includes a practical example, where the method is applied to find an approximate root of a given function, showcasing how quickly the approximations converge to the actual root. The host emphasizes the importance of accurate calculations with each iteration to achieve a precise result.

Takeaways

  • 📚 The video is an educational tutorial explaining the Newton-Raphson method in detail, a technique used to find the roots of equations.
  • 🔍 The main objective of the Newton-Raphson method is to estimate the solution of an equation \( F(x) = 0 \) by producing a sequence of approximations that get closer to the solution.
  • 📈 The method involves selecting an initial guess \( x_0 \) close to the root and then iteratively refining this guess using the method's formula.
  • 📝 A geometric explanation of the method is provided, where the tangent line to the function at a point is used to find the next approximation.
  • 📉 The iterative process is demonstrated graphically, showing how starting from \( x_0 \), the method quickly converges to the root with just a few iterations.
  • 👨‍🏫 The tutorial includes a step-by-step guide on how to apply the Newton-Raphson method, starting with an initial guess and using the formula to find subsequent approximations.
  • 📚 An analytical explanation is given on how to use the method with numbers, emphasizing the importance of using the first approximation to find the second, and so on.
  • 🔢 The video includes a practical example problem where the method is applied to find an approximation of a root for a given function, starting with \( x = 1 \).
  • 📉 A graphical representation of the function and its root is provided to help viewers understand the starting point and the iterative process visually.
  • 🔄 The iterative formula used in the Newton-Raphson method is explained and demonstrated through the calculation of successive approximations.
  • 📝 The difficulty of the method is highlighted, noting that it requires careful substitution of values into the function and its derivative for accurate results.

Q & A

  • What is the objective of the Newton-Raphson method?

    -The objective of the Newton-Raphson method is to estimate the solution of an equation F(x) = 0 by finding the roots of the equation through successive approximations.

  • How do we start the Newton-Raphson method?

    -We start the Newton-Raphson method by choosing an initial guess x₀, which is a number close to the root.

  • What are the iterations in the Newton-Raphson method?

    -Iterations in the Newton-Raphson method are successive approximations that move closer to the root with each step.

  • What is the geometric explanation of the Newton-Raphson method?

    -Geometrically, the method involves drawing a tangent line at the initial point and finding its intersection with the x-axis. This process is repeated with each new point until the approximation is close enough to the actual root.

  • How do we perform the first iteration in the Newton-Raphson method?

    -The first iteration is performed by taking the initial guess x₀, calculating the tangent at this point, and finding the intersection with the x-axis to get the next approximation x₁.

  • What is the formula used in the Newton-Raphson method?

    -The formula used is xₙ₊₁ = xₙ - f(xₙ) / f'(xₙ), where xₙ is the current approximation, f(xₙ) is the function value at xₙ, and f'(xₙ) is the derivative value at xₙ.

  • What is the significance of the derivative in the Newton-Raphson method?

    -The derivative helps determine the slope of the tangent line at each approximation point, which is crucial for calculating the next approximation.

  • How do we know when to stop iterating in the Newton-Raphson method?

    -We stop iterating when the successive approximations are sufficiently close to the actual root, usually determined by a predefined tolerance level.

  • What example function is used in the video to illustrate the Newton-Raphson method?

    -The example function used is x³ - x - 1 = 0.

  • What initial guess is used in the video example, and what root does it approximate?

    -The initial guess used in the video example is x₀ = 1, and it approximates the root to be around 1.32 after several iterations.

Outlines

00:00

📚 Introduction to Newton-Raphson Method

The script begins with an introduction to the Newton-Raphson method, a numerical technique for finding successively better approximations to the roots (or zeroes) of a real-valued function. The method uses an iterative approach, starting with an initial guess that is close to the actual root. The process involves drawing tangent lines to the function's graph at the current approximation point and finding where these tangents intersect the x-axis to get the next approximation. The script explains that the method aims to produce a sequence of iterations that converge to the solution of an equation f(x) = 0.

05:02

🔍 Applying the Newton-Raphson Method to a Specific Problem

The second paragraph delves into applying the Newton-Raphson method to a specific mathematical problem. The function given is f(x) = x^3 - x - 1, and the initial guess for the root is x = 1. The script outlines the steps to calculate the derivative of the function, which is necessary for the iterative process. It demonstrates the first iteration using the formula x1 = x0 - f(x0) / f'(x0), where x0 is the initial guess. The explanation includes the calculation of the function and its derivative at x0, and how to use these to find x1, the first approximation of the root.

10:03

📉 Iterative Process and Convergence in Newton-Raphson Method

This paragraph continues the iterative process, illustrating how to refine the approximation of the root through subsequent iterations. It shows the calculations for the second and third iterations, emphasizing the importance of accuracy in substitution and arithmetic operations. The script points out that the method converges quickly, with the third iteration already providing a relatively good approximation of the root. It also highlights the increasing precision with each iteration, noting that by the fourth and fifth iterations, the root is approximated to two decimal places, concluding that the root is approximately 1.32.

Mindmap

Keywords

💡Newton-Raphson Method

The Newton-Raphson method is an iterative numerical technique used to find the roots of a real-valued function. In the context of the video, it is the main theme and is explained as a way to estimate the solution of an equation by producing a sequence of approximations that converge to the root. The script uses this method to find a good approximation of a root of a given function, starting with an initial guess and iteratively refining the estimate.

💡Root

In mathematics, a root of a function is the value for which the function equals zero. The video script discusses the goal of the Newton-Raphson method, which is to find the roots of equations, illustrating this with a specific function where the root is graphically represented as the intersection of the function with the x-axis.

💡Iteration

An iteration in the context of the Newton-Raphson method refers to each step in the sequence of approximations. The script mentions that each approximation is called an iteration, and the process involves starting with an initial guess and then using the method to successively improve the estimate until it is close enough to the actual root.

💡Derivative

The derivative of a function is a measure of the rate at which the function's value changes as its argument changes. In the script, the derivative is essential for the Newton-Raphson method as it is used to calculate the slope of the tangent line to the function at a given point, which is then used to find the next approximation of the root.

💡Tangent Line

A tangent line touches a curve at a single point without crossing it. In the video, the geometric interpretation of the Newton-Raphson method involves drawing a tangent line to the function at the current approximation point and finding where this line intersects the x-axis to get the next approximation.

💡Approximation

An approximation in this context is an estimate that is close to the true value but not exact. The script explains that the Newton-Raphson method starts with an initial approximation and improves it through iterations, getting closer to the actual root with each step.

💡Graphical Interpretation

The script provides a graphical interpretation of the Newton-Raphson method, showing how the method can be visualized by plotting the function and drawing tangent lines to estimate the root. This visual representation helps in understanding the iterative process of getting closer to the root.

💡Function

In mathematics, a function is a relation between a set of inputs and a set of permissible outputs. The video script uses a specific function, f(x) = x^3 - x - 1, to demonstrate the application of the Newton-Raphson method. The function is central to the process as the method is used to find its root.

💡Geometric

The term 'geometric' in the script refers to the visual or shape-related aspects of the Newton-Raphson method. The geometric explanation helps to understand how the method works by observing the graphical representation of the function and the tangent lines drawn at each iteration.

💡Precision

Precision in this context refers to the degree of exactness of an approximation. The script discusses how the Newton-Raphson method can be used to achieve a certain level of precision, with the example showing that after several iterations, the method provides an approximation of the root with two decimal places of accuracy.

Highlights

Introduction to the Newton-Raphson method for finding roots of equations.

The method aims to produce a sequence of approximations that approach the solution.

Explanation of the iterative process starting with an initial guess close to the root.

Geometric interpretation of the Newton-Raphson method using a tangent line to the function graph.

Graphical demonstration of the method's convergence to the root with successive iterations.

The importance of choosing a good initial guess to speed up convergence.

Analytical steps of the Newton-Raphson method using the formula for successive approximations.

Example problem to demonstrate the calculation procedure of the method.

Derivative calculation required for the Newton-Raphson formula application.

Iterative process illustrated with a specific function to find a root using the method.

Graphical observation of the root's location and the rationale for choosing the starting point.

Detailed calculation steps for the first few iterations of the method.

Observation of the method's convergence with each iteration getting closer to the root.

The challenge of the method lies in accurately substituting values into the function and its derivative.

Final approximation of the root with an accuracy of two decimal places after several iterations.

Conclusion of the method's effectiveness and the practicality of stopping at a certain level of precision.

Encouragement for viewers to like, subscribe, and share the video for further support.

Transcripts

play00:03

Hola amigos Bienvenidos a otro vídeo más

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del Canal física y mates en este vídeo

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vamos a explicar de una forma detallada

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muy fácil el método de Newton rapson y

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vamos a hacer un ejercicio para que

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aprendáis a usar este método de una

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forma rápida y eficaz primero vamos a

play00:23

ver lo que sería la definición del

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método para saber exactamente Para qué

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se usa nos dicen que el objetivo de este

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método el objetivo de este método para

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estimar la solución de una ecuación F

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dex = 0 es decir que el objetivo de este

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método es encontrar raíces de ecuaciones

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es producir una sucesión de

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aproximaciones que se acerquen a la

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solución cada una de esas aproximaciones

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se llaman iteraciones esto lo Vais a ver

play00:51

Ahora más adelante en el problema y lo

play00:53

Vais a entender perfectamente dice que

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escogemos el primer número x 0 de la

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secuencia un número lo que sucede que

play01:00

esté cercano a la raíz y luego en

play01:03

circunstancias favorables el método hace

play01:05

el resto moviéndose paso a paso hacia la

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raíz es decir

play01:09

en en Romano paladín este método lo que

play01:13

consiste en lo siguiente tenemos una

play01:14

función que por el motivo que sea es

play01:16

complicado encontrar Cuál es el valor

play01:19

exacto de la de la raíz entonces lo que

play01:22

vamos a hacer es tomar un valor x u0 que

play01:26

creemos que puede estar cerca de la raíz

play01:30

eh Y a partir de ese de ese punto x o0

play01:34

aplicamos el método que consigue

play01:36

consiste en ir haciendo una serie de

play01:39

aproximaciones sucesivas c una cada una

play01:42

de ellas se llama iteraciones hasta que

play01:44

llegamos al valor casi exacto de de la

play01:48

raíz de acuerdo en eso consiste el

play01:51

método de Newton rapson Bueno pues vamos

play01:54

a ver ahora cómo se procede con este

play01:59

método

play02:00

antes de comenzar con el procedimiento

play02:03

del método de Newton rapson y hacer el

play02:05

problema me gustaría perder un minutito

play02:07

en dar una explicación geométrica al

play02:10

procedimiento Porque si entendéis bien

play02:12

la explicación geométrica Vais a

play02:14

entender muy bien este tipo de problemas

play02:17

fijaros tenemos en color azul una

play02:19

función I = FX = F dex pintada en color

play02:24

azul a la que le queremos encontrar una

play02:27

raíz por el procedimiento del método de

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Newton gráficamente podemos observar que

play02:32

la raíz es este cuadradito de color azul

play02:34

Es decir es el corte de la función con

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el eje X en qué consiste el

play02:40

procedimiento del método pues tomamos un

play02:42

punto x sub c0 que consideremos que está

play02:44

cercano a la raíz Cómo consideramos que

play02:47

está cercano a la raíz pues vemos la

play02:49

Gráfica de la función a la que le

play02:52

queremos calcular la raíz o bien lo

play02:54

echamos a suertes no en ese punto x su0

play02:57

trazamos la recta tangente a la gráfica

play03:00

y vemos el punto de corte con el eje x y

play03:02

obtenemos un punto x sub1 en este punto

play03:06

x sub1 volvemos a repetir el mismo

play03:07

procedimiento trazamos una recta

play03:09

tangente a la Gráfica y calculamos el

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punto de corte con el eje x y calculamos

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y obtenemos así el punto x sub2 en este

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punto x sub2 qué es lo que hacemos

play03:20

trazamos la recta tangente a la función

play03:22

y calculamos el punto de corte con el

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eje x que es x sub 3 en esto consiste el

play03:29

mé de Newton fijaros como a partir de X

play03:31

sub 0 vamos obteniendo el punto x sub 1

play03:33

el X sub 2 y el X sub 3 en solo tres

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iteraciones fijaros qué cercano estamos

play03:40

ya de la raíz que estamos buscando x1

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sería una aproximación muy mala porque

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está muy lejos del punto x sub2 ya sería

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una aproximación No muy buena pero

play03:52

tampoco muy mala porque está

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relativamente cerca del punto pero

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fijaros que el punto x sub 3 ya ser una

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aproximación relativamente buena a la

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raíz que estamos buscando gráficamente

play04:03

Ese es el método de Newton ahora vamos a

play04:06

ver analíticamente cómo se hace con

play04:09

números el procedimiento es el siguiente

play04:12

dice adivine una primera aproximación a

play04:15

la solución de la ecuación es decir

play04:18

cuando dice adivine dice que cojas el

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punto x su0 con el que vas a empezar nos

play04:23

dicen aquí una gráfica de la función te

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puede ayudar use la primera aproximación

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para obtener la segunda la segunda para

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obtener la tercera y así sucesivamente

play04:32

usando esta fórmula que tenemos aquí que

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vamos a aprender a usarla ahora mismo

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haciendo el problema Es decir con el

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primer valor la primera aproximación que

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lo tenemos que tomar nosotros según

play04:44

nuestro criterio lo metemos en esta

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fórmula y obtendremos el X sub 1 después

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el X sub 1 lo metemos en esta fórmula y

play04:51

obtendremos el X sub2 el X sub 2 lo

play04:54

metemos en esta fórmula y obtenemos el X

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sub 3 y así sucesivamente hasta que

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lleguemos muy muy muy muy cerca de la

play05:01

raíz buscada Bueno pues vamos a hacer un

play05:05

problema para que veáis Cuál es el

play05:07

procedimiento de cálculo el problema es

play05:10

el siguiente nos dicen que encontremos

play05:12

una buena aproximación a una raíz de la

play05:14

siguiente

play05:15

función usando el método de Newton

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rapson tomamos como Punto de partida el

play05:21

x = 1 Bueno he colocado aquí la la

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fórmula que condensa el método de Newton

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y es la función a la que le tenemos que

play05:32

que calcular

play05:33

eh una buena aproximación a su raíz en

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la función x cu - x - 1 que yo he

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igualado a 0 pues para que veamos que es

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una ecuación a la que le tenemos que

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encontrar las

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raíces nos dan como Punto de partida el

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x = 1 quiero que miréis eh la Gráfica

play05:50

que tenemos aquí esta gráfica se

play05:51

corresponde con la función a la que a la

play05:53

que le queremos encontrar la raíz

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fijaros que la que la raíz

play06:00

se encuentra justamente entre el un Y el

play06:03

dos la raíz es este punto de aquí vale

play06:09

Esa es la

play06:10

raíz entonces tiene tiene sentido que

play06:13

tomemos como Punto de partida el x = 1

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porque es un punto que está cercano a la

play06:18

raíz tiene sentido que tomemos el x = 1

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como Punto de partida de acuerdo

play06:23

Entonces vamos a comenzar la primera

play06:25

iteración con el uno y nos iremos

play06:27

acercando hasta que lleguemos

play06:30

con muy buena aproximación a la raíz

play06:32

fijaros que está un poquito antes del de

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la mitad del segmento que un el uno con

play06:37

el dos por lo tanto va a ser menos de

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1,5 verdad a Ojo va a ser menos que 1,5

play06:43

bueno pues vamos a aplicar el método de

play06:45

Newton rapson para que veáis cómo es

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tenemos que nuestro Punto de partida es

play06:50

x = 1 bueno primero voy a calcular la

play06:53

derivada de esta función puesto que

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fijaros que tengo aquí hacer uso de la

play06:56

derivada y lo voy a

play06:58

necesitar F prima de X la derivada de

play07:01

esta función sería 3x cu - 1 de acuerdo

play07:05

Bueno ya la tengo calculada Bueno pues

play07:08

comenzamos con El Punto de partida pues

play07:10

Tendremos que x sub 1 vale 1 de acuerdo

play07:13

esa es nuestra primera iteración vamos

play07:16

con la segunda iteración aplicamos la

play07:18

fórmula x sub2 será igual a anterior que

play07:23

es el X sub 1

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men f x sub 1 parido por F prima de X

play07:31

sub 1 esto es igual x sub 1 vale 1

play07:35

menos F de 1 que no es más que sustituir

play07:40

el 1 en la función F y ver cuánto te da

play07:44

entre F prima de 1 que no es más que

play07:47

sustituir el 1 en la función derivada y

play07:50

ver cuánto te das Bueno pues

play07:53

esto bueno esta primera la voy a hacer

play07:55

así paso a paso esto sería 1

play07:58

menos 1 al cubo - 1 - 1 es sustituir el

play08:03

1 en la función y aquí es sustituir el 1

play08:06

en la función derivada Me quedaría 3 * 1

play08:09

cu - 1 Bueno pues si hacéis esta

play08:12

operación os va a salir que esto vale

play08:14

1.5 es decir la primera iteración nos da

play08:18

que la raíz Sería bueno la segunda

play08:20

iteración Perdón nos da que la raíz

play08:22

estaría en el 1 y Med fijaros que en el

play08:23

1 y Med no está está un poquito antes

play08:25

pero bueno es una primera aproximación

play08:27

vamos a seguir iterando tercera

play08:30

iteración x sub 3 Pues sería la anterior

play08:32

x sub2 menos una fracción f evaluado en

play08:37

la iteración anterior F prima evaluada

play08:41

en la iteración

play08:42

anterior es decir esto es igual la

play08:46

iteración anterior es 1 y5 1 y5

play08:50

menos la función f evaluada en el 1 y

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Med es decir sustituimos el 1 y Med aquí

play08:57

y la función F F prima evaluada También

play09:01

en en el 1 y medio es decir sustituimos

play09:03

el 1 y medio aquí Bueno pues si hacemos

play09:07

esto parece un TR y es un 5 eh si

play09:10

sustituimos el 1 y Med aquí y el 1 y Med

play09:13

aquí os digo ya el resultado esto sale

play09:19

1.34

play09:21

782 fijaros que ya no sería 1 y Med sino

play09:26

sería

play09:27

1.34 vale en adelante lo que vale

play09:30

nuestra raíz vamos a hacer otra

play09:32

iteración más porque todavía no nos

play09:34

estamos acercando y ahora Vais a ver

play09:36

porque sé que no nos estamos acercando x

play09:39

sub 4 Pues sería x sub 3 men el F de X

play09:44

sub 3 par por el F prima de X sub 3 es

play09:47

decir x sub 3 sería

play09:50

1.34

play09:52

782

play09:54

menos el F de

play09:58

1.34 7 8 2 que no es más que sustituir

play10:03

este número con ts decimales en la

play10:05

función y obtener lo que te da y aquí el

play10:09

F prima de

play10:11

1.34 782 que no es más que sustituir en

play10:15

la función F prima ese valor Bueno pues

play10:17

esto da os lo digo que lo tengo aquí

play10:20

calculado

play10:22

1.

play10:25

32

play10:27

52 quiero que veáis una cosa fijaros ya

play10:30

estamos muy muy muy cerca Por qué Porque

play10:34

en la iteración tercera en la iteración

play10:37

tercera obtuvimos

play10:39

1. 34782 y en la iteración cuarta ya

play10:43

estamos repitiendo el 1

play10:45

con3 os dais cuenta aquí era 1.34 y pico

play10:49

y aquí es 1.32 y pico es decir ya la

play10:53

tercera iteración y la

play10:55

cuarta coinciden en el 1.3 es decir que

play10:59

nuestra raíz nuestra raíz si quisiéramos

play11:02

tomarla con la precisión de un decimal

play11:05

ya podríamos decir que es 1 con3 Vamos a

play11:08

ver cuánto es la que qué obtendríamos en

play11:11

la quinta iteración x sub 5 es = x sub 4

play11:16

men F de X sub 4 partido por el F prima

play11:21

de X sub

play11:23

4 x sub 4 sería

play11:27

1.325 2

play11:30

menos la f en el 1 3 2 5 2 y la f prima

play11:37

evaluada en el

play11:40

1.32 52 creo que no me equivocado verdad

play11:44

Bueno pues esto da

play11:49

1.32 47 fijaros

play11:53

ahora ya no solamente tiene en común con

play11:56

el

play11:57

anterior el el primer decimal sino

play12:00

también el segundo lo veis entre la

play12:03

tercera y la cuarta

play12:05

iteración nos da como información que la

play12:08

raíz va a ser 1 con3 como mínimo 1 con3

play12:12

que son los dos dígitos que coinciden

play12:16

pero si comparamos la cuarta con la

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quinta ya ya no coinciden dos dígitos

play12:21

sino tres es decir dos decimales

play12:24

entonces podemos concluir ya en la

play12:26

quinta iteración en la quinta itera

play12:29

podemos concluir que con

play12:32

una exactitud de dos decimales nuestra

play12:35

raíz Es

play12:37

aproximadamente

play12:40

1.32 de acuerdo

play12:44

1.32 en esto consiste el método de

play12:48

Newton rapson como podéis ver la la

play12:51

dificultad de este método consiste en

play12:54

tener que sustituir estos valores en la

play12:56

función porque bueno sustituir calcular

play12:59

F de1 y F prima de 1 es relativamente

play13:01

sencillo es poner el un un aquí

play13:03

calcularlo y un uno aquí y calcularlo

play13:05

pero cuando tengáis que calcular F de

play13:08

1.34 782 es decir Elevar ese número al

play13:12

cubo menos ese número menos 1 pues ya

play13:15

eso es una cuenta más complicada No y lo

play13:18

mismo aquí no

play13:20

1,34 782 al cuad y lo que te dé por TR y

play13:23

la restas uno tampoco mucho No pero

play13:25

quiero que veáis cómo se cómo es el

play13:28

procedimiento y que la dificultad está

play13:30

en operar bien con los números de

play13:32

acuerdo Bueno amigos Espero que hayáis

play13:35

entendido perfectamente En qué consiste

play13:37

el método de Newton rapson que el vídeo

play13:39

os haya gustado si ha sido así por favor

play13:41

Dale al botoncito de me gusta es una

play13:43

forma de darme las gracias eh

play13:46

suscribiros al Canal para así estar al

play13:48

corriente de todos de todos los vídeos

play13:51

que vamos subiendo y bueno compartir con

play13:53

vuestros compañeros Este vídeo porque

play13:56

seguro que le puede resultar muy útil y

play13:59

os lo agradecen un abrazo amigos nos

play14:00

vemos en el siguiente vídeo hasta

play14:11

pronto

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