迭代法求非线性方程的解中关于不动点的存在性与收敛性的证明


前言

笔者在上完计算方法这门课时,接触到了非线性方程的求解方法,我在学习了二分法后,紧接着学习的是不动点迭代法,在书中关于不动点迭代法的论证引起了我的兴趣,作为一名非数学系学生,我想输出我的理解,其中可能存在错误,如有错误,可发送邮件给我。我的邮件:turokdrake@outlook.com


一、书中的内容

设方程 \( f(x) = 0 \), 其迭代函数为 \( x_{k+1} = \varphi(x_k) \quad k = 0,1,2,... \quad x_0 \in [a, b] \)

以下是迭代函数 \( \varphi(x) \)在满足什么条件时迭代法收敛的讨论:

设迭代函数\( \varphi(x)在 [a,b] \)上具有连续的一阶导数,且

  1. 当\( x \in [a,b] \)时,\( a \leq \varphi(x) \leq b\) ;
  2. 存在正数\(L < 1\),对任意 \( x \in [a,b] \), 有\( |\varphi'(x)| \leq L < 1 \) 成立,则 \( x = \varphi(x) \)在\([a,b]\)上有唯一解\(x^*\),且对任意初始近似值\(x_0 \in [a,b]\),迭代过程\( x_{k+1} = \varphi(x_k)(k = 0,1,2,...)\)收敛,且\( \lim\limits_{k \to \infty} x_k = x^*\)

上面的定理为收敛性定理,下面是关于证明的讨论,我将使用手写的方式阐述,这样就不用编辑Latex公式了XD


二、关于证明的讨论

1.png

\(x^*\)的存在性与唯一性

2.png

\(x^*\)最终收敛于\(x^*\)