Az érintőmódszer történetéről

Facebook
Nyomtatás

Hosszú évek óta tanítok matematikatörténetet, de mindig tanulok valami újat. A napokban láttam a Netflixen egy filmet, 21 – Las Vegas ostroma, amelyben elhangzott egy abszurd állítás: Newton ellopta az érintőmódszert Raphsontól. Kicsit utánanéztem a történetnek. A magyar nyelvű wikipédia Newton-módszer szócikke a lényeget vázolja, de számomra nem eléggé érthetően. Az ott ajánlott [2] forrás segítségével sikerült a lényeget megértenem, és ez alapján tájékoztatom az Érintő olvasóit.

A közfelfogás szerint (amit eddig én is elfogadtam) a nemlineáris egyenletek numerikus megoldásának új korszakát nyitotta meg a Newton-féle érintőmódszer (1671).

erintomodszer 2GRX
1. ábra. Az érintőmódszer működése

Ha \(f\) skalár–skalár függvény, amelynek \(\xi\) gyöke, azaz \(f(\xi)=0\), akkor egy közelítő \(x_n\) gyök ismeretében megpróbálkozhatunk az érintőegyenes \(x_{n+1}\) metszéspontját adó \(f'(x_n)(x_{n+1}-x_n)+f(x_n)=0\) egyenletből adódó \[\displaystyle x_{n+1}=x_n-{{f(x_n) }\over {f'(x_n)}}\] iterációval. Ez a módszer nem mindig konvergál, de jó esetben nemcsak konvergál, hanem nagyon gyorsan konvergál. Ha nem ismerjük a függvény deriváltját, akkor a következő közelítéssel élhetünk: \[\displaystyle f'(x_n)\approx \frac{f(x_n)-f(x_{n-1})}{x_n-x_{n-1}}.\]

A legegyszerűbb alkalmazás a \(\beta>0 \) szám négyzetgyökének megkeresése, ekkor \(f(x)=x^2-\beta\): \[\displaystyle x_{n+1}=\frac{1}{2}\left(x_n+\frac{\beta}{x_n}\right).\]

Külön érdekesség, hogy ezt a módszert már az ókori babilóniaiak is ismerték [1]. Vélhetőleg ennek segítségével határozta meg Arkhimédész \(\sqrt{3}\) jó közelítő értékét i.e. 240 körül, amikor az egységátmerőjű kör kerületét szoros alsó–felső korlátok közé szorította.

A valóság azonban bonyolultabb, és visszavezet az 1960-as években még a középiskolában oktatott speciális négyzetgyökvonási algoritmushoz, amelyet a matematikatörténet Vieta nevéhez fűz (1600 előtt). Az egyszerűség kedvéért itt is a babiloni \(\sqrt{2}\)-es példát vesszük, és a 100-szoros \(\beta=200\)-zal folytatjuk. Kezdő lépésként egy olyan természetes számot választunk, amely alulról jól közelíti a \(\sqrt{200}\)-at: \(x_0=14\), amelynek négyzete 196.

Ahhoz, hogy pontosítsuk ezt a becslést, jelölje az első tizedesjegyet \(y\), azaz \(\sqrt{200}\approx 14+0{,}1y_1\)-gyel próbálkozunk. Elvégezve a négyzetre emelést, a \(200\approx 196+2{,}8y_1+0{,}01y_1^2\) közelítést kapjuk, amelyből eldobjuk a négyzetes tagot, és csak az első értékes jegyet tartjuk meg: \[\displaystyle 4=2{,}8y_1,\]azaz\[y_1=1.\]

Még egy lépéssel tovább lépünk: \(\sqrt{200}\approx 14{,}1+0{,}01y_2\), azaz újbóli négyzetreemeléssel \[\displaystyle 200\approx (14{,}1+0{,}01y_2)^2\approx 198{,}81+0{,}282y_2,\] azaz \(y_2=1{,}19/0{,}282=4{,}\dots \) A közelítő eredmény \(\sqrt{2}=1{,}414\dots\)

Sem Newton 1671-ben, sem Raphson 1690-ben nem tudott elszakadni a Vieta-módszer algebrai hatókörétől, bár ők nem ragaszkodtak a tizedesjegyek egymás utáni meghatározásához. Valóban, a fenti módszerben már az első közelítésben megkaphattuk volna a 0,14-ot.

A korra jellemző, hogy nem általános, hanem speciális polinomokat vizsgáltak, mi azonban kedvelt harmadfokú egyenletüket paraméteresen írjuk föl: \[\displaystyle f(x)=x^3 -px-q=0.\]

Itt a fokozatos megközelítésnél nincs szükség explicit deriválásra, elegendő az \(x_{n+1}=x_n+e_n\) lineáris közelítése: \[\displaystyle 0\approx f(x_{n+1})=(x_n+e_n)^3 -p(x_n+e_n)-q\approx x_n^3-px_n-q+(3x_n^2-p)e_n,\] azaz \[\displaystyle e_n=\frac{x_n^3-px_n-q}{3x_n^2-p}.\]

Csak az \(f'(x_n)=3x_n^2-p\) (és az \(f(x_n)=x_n^3-px_n-q\)) jelölés bevezetésével kapjuk meg az érintőmódszert.

A Principia III. kiadásában (1726-ban) a Kepler-feladat megoldásával kapcsolatban Newton nem algebrai egyenletet is megoldott módszerével, ez azonban 1882-ig észrevétlenül maradt. Ezt leszámítva, mindkét szerző kizárólag polinomiális egyenletekre szorítkozott.

338px GodfreyKneller IsaacNewton 1689 2GRX
2. ábra. Godfrey Kneller festménye: IsaacNewton –1689 (Forrás:https://hu.wikipedia.org/w/index.php?title=Isaac_Newton&oldid=23210874)

Simpson volt az első (neve az integrálási szabályáról maradt fenn), aki 1740-ben nem algebrai (négyzetgyökös) függvényeket vizsgált, és a levezetésnél explicite differenciálta a függvényeket. De az igazi érintőmódszert, az általunk is alkalmazott jelöléssel csak Lagrange publikálta 1798-ban, ő Newton mellett még Raphson nevét is megemlítette. Fourier 1831-ben már csak Newtonra hivatkozott, és ez okozhatta azt, hogy Raphsont és Simpsont sokáig elfeledték.

375px Raphson 2GRX
3. ábra. Raphson aláírása felvételekor a Királyi Társaságba (Forrás: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Raphson.gif)

Zárásként megemlítjük, hogy bár Newton valóban évtizedekkel Raphson után publikálta kezdetlegesebb módszerét, nem lopott el semmit sem Raphsontól, és nem is volt köztük prioritási vita. De a matematika vonzerejét mutatja, hogy hollywoodi filmekben is megjelennek komoly matematikai problémák, még ha időnként eltorzítva is.

Irodalomjegyzék

[1] Boyer, C. B. (1968): A History of Mathematics, Princeton, Princeton University Press. Kiegészített kiadás: Revised by Uta C. Merzbach (1991), Wiley.

[2] Ypma, T. (1995): Historical development of the Newton–Raphson-method, SIAM Review, 37:4, 531–551.

Simonovits András

A rovat ajánlott cikkei
Az Érintő, és benne a Tudomány rovat mostanában sokat foglalkozik a mesterséges intelligencia egyre növekvő szerepével a matematikában. Pach János írása Pálvölgyi Dömötöréhez hasonlóan az Erdős-sejtés cáfolatától indul, de más vizekre hajózik…
A lefedőkongruenciák elmélete Erdős Pál egyik legkedvesebb kutatási területe volt. Gyarmati Katalin cikke egy olyan problémájának történetét vázolja, amelynek megoldására kezdetben 10, majd 1000 dollárt ajánlott fel. Sejtésének az ellenkezőjét bizonyították be a 2000-es években. Itt egy elemi bizonyítást láthatunk a probléma továbbgondolására.
Ez a cikk több szempontból is Pálvölgyi Dömötör MI-ről és matematikáról szóló írásának folytatása. Az eredmény, amelyről beszámolunk, ugyanabból a gondolatkörből nőtt ki, amely az egységtávolságok problémájánál is fontos szerepet játszott és sok szálon kapcsolódik magyar matematikusok munkájához.
Ez a szöveg a ChatGPT 5.5 Thinking modell segítségével készült: ő írta az első verziót, majd visszajelzéseim alapján újra és újra átírta, végül a végső verziót átszerkesztettem és kiegészítettem. Már önmagában ez is jól mutatja, mennyire témába vág, amiről a cikk szól. – Pálvölgyi Dömötör.
Mi található a valós számokon túl? Hát, sokan tudják: a komplex számok! Node azon is túl? Sir William Rowan Hamilton (képünkön a róla készült festmény, forrás:Wikipedia) a 19. században felfedezte a kvaterniókat, de még ezeken is túlléphet, és szépen felépítve eljuthat az olvasó az októniók és szedéniók fogalmához Csonka Bence cikkéből.
Hírlevél feliratkozás