FH- FH -Lausitz Lausitz
Vorlesung Finanzmathematik Vorlesung Finanzmathematik
Vortrag
Vortrag Numerische Numerische Lö L ösung von Gleichungen sung von Gleichungen bei bei
Prof. Dr. Dr. R.
Prof. Dr. Dr. R.- -R. Redetzky R. Redetzky
bearbeitet durch: Monika Lange / Christiane Marx WI 03 bearbeitet durch: Monika Lange / Christiane Marx WI 03
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 2
1. Bestimme die Nullstellen der folgenden Funktion durch Auflösung der entsprechenden Gleichungen!
a)
y=x5−32= 0 y
320=x5− 32=x5
5
32 x =
= 2 x
b)
y=4x3+1084
3108 = x
−
27=x3−
=x
−3 27
108 4 0= x3+
− 3
= x c)
12 0
12
7 7
−
=
−
= x x y
12=x7
=x
712
42616 ,
=1 x
d)
9 3 0
9 3
−
=
−
=
x
y x
3x
9= / ln 3 ln 9 ln =x⋅
=x 3 ln
9 ln
=2 x
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 3
256 4 0
256 4
−
=
−
=
x
y x
4x
256=
Zu Aufgabe1.
e)
4 ln 256 ln =x⋅
=x 4 ln
256 ln
= 4 x
f)
256 25 , 0 0
256 25 , 0
−
=
−
=
x
y x
25x
, 0 256=
25 , 0 ln 256 ln =x⋅
=x 25 , 0 ln
256 ln
− 4
= x
g)
173 1 , 12 0
173 1 , 12
−
=
−
=
x
y x
1x
, 12 173=
1 , 12 ln 173 ln =x⋅
=x 1 , 12 ln
173 ln
06693 ,
= 2 x
h)
7 , 0 4 , 0 0
7 , 0 4 , 0
−
=
−
=
x
y x
4x
, 0 7 , 0 =
4 , 0 ln 7 , 0 ln =x⋅
=x 4 , 0 ln
7 , 0 ln
38926 ,
=0 x
=0 y
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 4
8 36
² 21
³
2 − + +
= x x x
2. Die Funktion
y
hat eine Nullstelle zwischen den Punkten x1= 2und x2= 3. Bestimme einen Näherungswertfür diese Nullstelle mit a) Regula Falsiund b) dem Halbierungsverfahren. Die Schranke liegt bei C = 0,001.I. x1= 2
f(x1) = 12 f(x2) = -19 x2= 3
0
2
228
1
⋅ y = − <
y
ÆNullstelle
existiert
1 1 2
1 2 1
3
y
y y
x x x
x ⋅
−
− −
= 12 2 , 3870968
12 19
2 2 3
3
⋅ =
−
−
− −
=
II.
x
47709 , 1 ) 3870968 ,
2
3
= f ( =
y y
3= 1 , 47709 > C
Æweiter
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 5
III. Iteration
72 , 17 12 47709 , 1 ) ( )
( x
3⋅ f x
1= ⋅ = f
06 , 28 19 47709 , 1 ) ( )
( x
3⋅ f x
2= ⋅ − = −
f
ÆEntscheidung
NST ist zwischen x
3und x
23870968 ,
3 2
1 =x =
x
47709 ,
1
= 1 y
2=3 x
2 =−19 y
43131 , 2 47709 , 47709 1 , 1 19
3870968 ,
2 3870968 3 ,
3
2 ⋅ =
−
−
− −
= x
34843 , 1 ) 43131 , 2
3
= f ( =
y
C
y3 =1,34843> Æ
weiter
> 0
< 0
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 6
IV. Iteration
19917 , 0 47709 , 1 34843 , 1 ) ( )
( x
3⋅ f x
1= ⋅ =
f
56203 , 2 19 34843 , 1 ) ( )
( x
3⋅ f x
2= ⋅ − = −
f
ÆEntscheidung
NST ist zwischen x
3und x
243131 ,
3
2
1
= x = x
134843 ,
1
= 0 y
2=3 x
2 =−19 y
435315 ,
2 134843 , 134843 0 , 0 19
43131 , 2 43131 3
,
3
2 ⋅ =
−
−
− −
= x
011918 ,
0 ) 435315 ,
2
3
= f ( =
y
C
y
3= 0 , 011918 >
Æweiter
> 0
< 0
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 7
226 , 0 19 011918 , 0 ) ( )
( x
3⋅ f x
2= ⋅ − = −
f
ÆEntscheidung
NST ist zwischen x
3und x
2435315 ,
3
2
1
= x = x
011918 ,
1
= 0 y
2=3 x
2 =−19 y
43566 , 2 011918 ,
011918 0 ,
0 19
435315 ,
2 435315 3
,
3
2 ⋅ =
−
−
− − x =
Æ
weiter
3 1
3) ( ) 0,011918 0,134843 1,60710
(x ⋅f x = ⋅ = ⋅ −
f
3 3
= f ( 2 , 43566 ) = 1 , 05 ⋅ 10
−y
C y
3= 1 , 05 ⋅ 10
−3>
> 0
< 0
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 8
VI. Iteration
Æ
Entscheidung NST ist zwischen x
3und x
243566 ,
3 2
1=x =
x x2=3
2 =−19 y
Æ
Abbruch
5 3
= f ( 2 , 4357 ) = 9 , 255 ⋅ 10
−y y
3= 9 , 255 ⋅ 10
−5< C
5 3
1
3
) ( ) 1 , 05 10 0 , 011918 1 , 25 10
( x ⋅ f x = ⋅
−⋅ = ⋅
−f
019 , 0 19 10 05 , 1 ) ( )
(x3 ⋅f x2 = ⋅ −3⋅− =− f
3 1
= 1 , 05 ⋅ 10
−y
4357 , 2 10 05 , 10 1 05 , 1 19
43566 , 2 43566 3
,
2
3 33
⋅ ⋅ =
⋅
−
−
− −
=
− −x
4357 ,
0
2
3
= x =
x
> 0
< 0
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 9
2. b) Halbierungsverfahren
Gleichung: y = 2 x
3− 21 x
2+ 36 x + 8 Nullstellen zw. x
1= 2 und x
2= 3
Schranke bei c = 0,001
12
8 2 36 2 21 2 2
1
2 3 1
=
+
⋅ +
⋅
−
⋅
= y y
19
8 3 36 3 21 3 2
2
2 3 2
−
=
+
⋅ +
⋅
−
⋅
= y y
1. Iteration
2
2 1 3
x
x x +
=
5 , 2
2 3 2
3 3
=
= + x
x y(x3)=y(2,5)
( ) ( )
2 ) (
8 5 , 2 36 5 , 2 21 5 , 2 2 ) 5 , 2 (
3
2 3
−
=
+
⋅ +
⋅
−
⋅
= x y y
c
y
3>
2>0,0012
0
1
⋅ y <
y
12⋅(−19)=−228<0START
WEITER
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 10
3
⋅ y y
124 12 ) 2 (
−
=
⋅
−
=
< 0
y3⋅y2==(38−2)>
⋅(0
−19)Zwischen x
2und x
3liegen die Nullstellen
2
3
x
x =
12 2
1 1
=
= y x
2 5 , 2
2 2
−
=
= y x
x
1und y
1werden übernommen
2
0
1
⋅ y <
y
0 24 ) 2 (
12⋅ − =− <
WEITER
2. Iteration
2
2 1 3
x x =x +
25 , 2
2 5 , 2 2
3 3
=
= + x
x y(x3)= y(2,25) 46875 , 5 ) (x3 = y
c
y
3>
5,46875>0,001WEITER
=
⋅ 1
3 y
y 5,46875⋅12=65,625 >0
=
⋅ 2
3 y
y 5,46875⋅(−2)=−131,25<0
Zwischen x1 und x3 liegen die Nullstellen
1
3
x
x =
46875, 5
25 , 2
1 1
=
= y x
2 5 , 2
2 2
−
=
= y x
2
0
1
⋅ y <
y
5,46875⋅(−2)=−10,94<0WEITER
x
2und y
2werden aus der 2.Iteration übernommen
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 12
3. Iteration
2
2 1 3
x
x =x + 2,375
2 5 , 2 25 , 2
3= + =
x y(x3)=1,8398
c
y
3>
1,8398>0,001WEITER
=
⋅
13
y
y
=
⋅
23
y y
0616 , 10
0 12 , 20 <
−
>0
Zwischen x1 und x3 liegen die Nullstellen
1
3
x
x =
8398 , 1
375 , 2
1 1
=
= y x
2 5 , 2
2 2
−
=
= y
x
x
2und y
2werden aus der 2.Iteration übernommen
2
0
1
⋅ y <
y
1,8398⋅(−2)=−3,6796<0WEITER
4.Iteration
2
2 1 3
x
x =x + 2,4375
2 5 , 2 375 , 2
3= + =
x y(x3)=−0,0552
y
3> c
001 , 0 0552 , 0 >
−
WEITER
=
⋅
13
y
y
=
⋅
23
y y
0 1015 , 0 <
− 2030 ,
0 >0
x
3= x
28398 , 1
375 , 2
1 1
=
= y x
0552 , 0
4375 , 2
2 2
−
=
= y x
2
0
1
⋅ y <
y
−0,102<0WEITER
5.Iteration
2
2 1 3
x
x =x + 2,40625
2 375 , 2 4375 , 2
3= + =
x y(x3)=0,8987
c
y
3>
0,8987>0,001WEITER
=
⋅
13
y
y
=
⋅
23
y y
6535 ,
1 >0 0 0912 , 0 <
−
1
3
x
x =
8987 , 0
40625 , 2
1 1
=
= y x
0552 , 0
4375 , 2
2 2
−
=
= y x
2
0
1
⋅ y <
y
WEITER
6.Iteration
421875 , 2 2
4375 , 2 40625 , 2
3 + =
=
x y3=0,42336
y
3> c
WEITER
=
⋅
13
y
y
=
⋅
23
y y
3804 , 0
0 0321 , 0 <
−
>0
x
3= x
142336 , 0
421875 , 2
1 1
=
= y x
0552 , 0
4375 , 2
2 2
−
=
= y x
2
0
1
⋅ y <
y
WEITER
7.Iteration
4297 , 2 2
4375 , 2 421875 , 2
3= + =
x y3 =0,1836
y
3> c
WEITER
=
⋅
13
y
y
=
⋅
23
y y
777 , 0 >0
0 292 , 4 <
−
1
3
x
x =
1836 , 0
4297 , 2
1 1
=
= y x
0552 , 0
4375 , 2
2 2
−
=
= y x
2
0
1
⋅ y <
y
WEITER
8. Iteration
0646 , 0
4336 , 2
3 3
=
= y
x
y
3> c
WEITER
=
⋅
13
y y
=
⋅
23
y y
0118 , 0 >0
0 10 543 ,
6 ⋅ 4 <
− −
x
3= x
10646 , 0
4336 , 2
1 1
=
= y x
0552 , 0
4375 , 2
2 2
−
=
= y
x
y
1⋅ y
2< 0
WEITER
9. Iteration
00472 , 0
43555 , 2
3 3
=
= y
x
y
3> c
WEITER
=
⋅
13
y
y
=
⋅
23
y y
000305 ,
0 >0 0 0000168 ,
0 <
−
1
3
x
x =
WEITER
00472 , 0
4356 , 2
1 1
=
= y x
0552 , 0 4375 , 2
2 2
−
=
= y
x
y
1⋅ y
2< 0
WEITER
10.Iteration
026 , 0
43655 , 2
3 3
−
=
= y
x
y
3> c
WEITER
=
⋅
13
y
y
=
⋅
23
y y
0 000123 ,
0 <
−
00000677 ,
0 >0
x
3= x
2WEITER
00472 , 0
4356 , 2
1 1
=
= y x
026 , 0
43655 , 2
2 2
−
=
= y
x
y
1⋅ y
2< 0
WEITER
11.Iteration
0114 , 0
436075 , 2
3 3
−
=
= y
x
y
3> c WEITER y
3⋅ ⋅ y
1= =
2 3
y y
0 00005382 ,
0 <
−
00001399 ,
0 >0
x
3= x
2WEITER
00472 , 0
4356 , 2
1 1
=
= y x
0114 , 0
436075 , 2
2 2
−
=
= y
x
y
1⋅ y
2< 0
WEITER
12.Iteration
001624 , 0
4358 , 2
3 3
−
=
= y
x
y
3> c
WEITER
=
⋅
13
y
y
=
⋅
23
y y
0 00000767 ,
0 <
−
0000000874 ,
0 >0
2
3
x
x =
WEITER
00472 , 0
4356 , 2
1 1
=
= y x
001624 , 0 4358 , 2
2 2
−
=
= y
x
y
1⋅ y
2< 0
WEITER
13.Iteration
000111 , 0
4357 , 2
3 3
=
= y
x
y
3> c
WEITER
=
⋅
13
y
y
=
⋅
23
y y
000000526 ,
0 >0
0 000000181 ,
0 <
− 3 1
x x =
WEITER
00011 , 0
4357 , 2
1 1
=
= y x
001624 , 0
4358 , 2
2 2
−
=
= y
x
14.Iteration
0008097 , 0
43573 , 2
3 3
−
= y x
< c
0
3
x
x =
NullstelleABBRUCH
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 17
3. Bestimme näherungsweise mit der regula falsieine Nullstellevon y in [1,2], C = 0,001,
1 2
3 3 2
5− − + +
=x x x x
y
I. x1= 1
f(x1) = -2 f(x2) = 3 x2= 2
0
2
6
1
⋅ y = − <
y
ÆNullstelle
existiert
1 1 2
1 2 1
3
y
y y
x x x
x ⋅
−
− −
= 2 1 , 4
2 3
1 1 2
3
⋅ − =
+
− −
=
II.
x
37 , 4 ) 4 , 1
3
= f ( = −
y y
3= 4 , 37 > C
Æweiter
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 18
III. Iteration
74 , 8 2 37 , 4 ) ( )
( x
3⋅ f x
1= − ⋅ − = f
12 , 13 3 37 , 4 ) ( )
( x
3⋅ f x
2= − ⋅ = −
f
ÆEntscheidung
NST ist zwischen x
3und x
24 ,
3 1
1=x =
x
37 ,
1
= − 4 y
2=2 x
2=3 y
7558 , 1 37 , 37 4 , 4 3
4 , 1 4 2
,
3
1 ⋅ − =
+
− −
= x
96 , 2 ) 7558 , 1
3
= f ( = −
y
C
y
3= 2 , 96 >
Æweiter
> 0
< 0
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 19
947 , 12 37 , 4 96 , 2 ) ( )
( x
3⋅ f x
1= − ⋅ − = f
88 , 8 3 96 , 2 ) ( )
( x
3⋅ f x
2= − ⋅ = −
f
ÆEntscheidung
NST ist zwischen x
3und x
27558 ,
3 1
1=x =
x
96 ,
1
= − 2 y
2=2 x
2=3 y
877 , 1 96 , 96 2 , 2 3
7558 , 1 7558 2 ,
3
1 ⋅ − =
+
− − x =
7067 , 0 ) 877 , 1
3
= f ( = −
y
C
y
3= 0 , 7067 >
Æweiter
> 0
< 0
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 20
V. Iteration
09 , 2 96 , 2 7076 , 0 ) ( )
( x
3⋅ f x
1= − ⋅ − = f
12 , 2 3 7067 , 0 ) ( )
( x
3⋅ f x
2= − ⋅ = −
f
ÆEntscheidung
NST ist zwischen x
3und x
2877 ,
3 1
1=x =
x
7067 ,
1
= − 0 y
2=2 x
2=3 y
9149 , 1 7067 , 7067 0 , 0 3
877 , 1 877 2
,
3
1 ⋅ − =
+
− −
= x
266 , 0 ) 9149 , 1
3
= f ( =
y
C
y
3= 0 , 266 >
Æweiter
> 0
< 0
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 21
VI. Iteration
1879 , 0 7067 , 0 266 , 0 ) ( )
( x
3⋅ f x
1= ⋅ − = − f
532 , 0 3 266 , 0 ) ( )
( x
3⋅ f x
2= ⋅ =
f
ÆEntscheidung
NST ist zwischen x
3und x
19149 ,
3 1
2=x =
x
266 ,
2
= 0 y
877 ,
1=1 x
7067 ,
1=−0 y
9045 , 1 7067 , 7067 0 , 0 266 , 0
877 , 1 9149 , 877 1 ,
3
1 ⋅ − =
+
− − x =
0167 , 0 ) 9045 , 1
3
= f ( = −
y
C
y
3= 0 , 0167 >
Æweiter
> 0
< 0
VII. Iteration
011 , 0 7067 , 0 0167 , 0 ) ( )
( x
3⋅ f x
1= − ⋅ − = f
Æ
Entscheidung NST ist zwischen x
3und x
29045 ,
3 1
1=x =
x
0167 ,
1
= − 0 y
9149 ,
1=1 x
266 ,
1=0 y
90514 , 1 0167 , 0167 0 , 0 266 , 0
9045 , 1 9149 , 9045 1 ,
3
1 ⋅ − =
+
− −
= x
C y
3= 4 , 46 ⋅ 10
−4<
4 3
= f ( 1 , 90514 ) = − 4 , 46 ⋅ 10
−y
90514 ,
0
1
3
= x =
x
Æ
Abbruch
3 1
3) ( ) 0,0167 0,266 4,44 10
(x ⋅f x =− ⋅ =− ⋅ −
f
> 0
< 0
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 23
4. Die Funktion
y = 2 x ³ − 21 x ² + 36 x + 8
36 42 6
' = x
2− x + y
42 12 '
' = x − y
hat eine Nullstelle zwischen den Punkten x1= 2und x2= 3. Bestimme die Nullstellemit dem Newton Verfahren.
Die Schranke liegt bei C = 0,001.
x
1= 2 f(x
1) = 12
I.24
1
' = − y
18
1
'' = − y
[ ) ' ( ) '' ] ( ) 1
(
2 1
1
1
⋅ <
x f
x f x
f 0 , 375
) 24 (
) 18 ( 12
2
=
−
−
⋅ < 1
ÆStartpunkt geeignet gewählt
I. Iteration
1 1 1
2
y '
x y x = −
24 2 12
2
= − −
x
5 ,
2
= 2 x
2
= − 2 y
7139 , 30
3
' = − y
II. Iteration
5 , 31 5 2 ,
3
2 −
− −
= x
2 2 2
3
y '
x y
x = − x
3= 2 , 4365
024699 ,
3
= − 0 y
5 , 31
2
' = −
C y
>
Æweiter
2
= 2 y
024699 ,
3
= 0
y > C
Æ
weiter
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 25
III. Iteration
3 3 3
4
y '
x y
x = − x
4= 2 , 4365 − − − 0 30 , 024699 , 7139 4357
,
4
= 2 x
6 4
= − 4 , 4839 ⋅ 10
−y
< C
ÆAbbruch
6 4
= 4 , 4839 ⋅ 10
−y
4357 ,
0 2
4 = x =
x
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 26
36 42 6
' = x
2− x + y
42 12 '' = x − y
x
1= 3 f(x
1) = -19
I.
y
1' = − 36
6
1
'' = − y
[ ' ( ) ] 1
) ( '' ) (
2 1
1
1
⋅ <
x f
x f x
f 0 , 0879
) 36 (
) 6 ( ) 19 (
2
=
−
−
⋅
− < 1
ÆStartpunkt geeignet gewählt
1 1 1
2
y '
x y x = −
36 3 19
2
−
− −
= x
4722 ,
2
= 2 x
129 ,
2
= − 1 y
707 , 30
3
' = − y
II. Iteration
162 , 31
129 , 4722 1 ,
3
2 −
− −
= x
2 2 2
3
y '
x y
x = − x
3= 2 , 43597
3 3
= − 8 , 199 ⋅ 10
−y
162 , 31
2
' = −
C y
>
Æweiter 129
,
2
= 1 y
3 3
= 8 , 199 ⋅ 10
−y > C
Æ
weiter
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 28
III. Iteration
3 3 3
4
y '
x y x = −
707 , 30
10 199 , 43597 8 , 2
3
4
−
⋅
− −
=
−x
4357 ,
4
= 2 x
7 4
= − 4 , 55 ⋅ 10
−y
< C
ÆAbbruch
7 4
= 4 , 55 ⋅ 10
−y
4357 ,
0 2
4 = x =
x
5. Die Funktion
y=x5−3x3−2x2+x+1hat Nullstellen in der Nähe von a) x=1 und b) x=2. Bestimme diese mit dem Newton-Verfahren (c = 0,001).
1+2 Ableitung bilden
4 18 20 ''
1 4 9 5 '
3 2 4
−
−
=
+
−
−
=
x x y
x x x y
1=1 x
2
1 1 1 2 1 3 1
1
2 3 5 1
−
=
+ +
⋅
−
⋅
−
= y y
7 '
1 1 4 1 9 1 5 '
1
2 4 1
−
=
+
⋅
−
⋅
−
⋅
= y y
2 ''
4 1 18 1 20 ''
1 3 1
−
=
−
⋅
−
⋅
= y y
) 1 ( ' (
) ( '' ) (
2 1
1
1 ⋅ <
x f
x f x
f 0,082 1
49 4 ) 7 (
) 2 ( ) 2 (
2 = = <
−
−
⋅
−
START
1.Integration
1 1 1
2 y'
x y
x = − 0,714286
) 7 (
) 2 1 (
2 =
−
− −
= x
21348 , 0
1 ) 714286 , 0 ( ) 714286 , 0 ( 2 ) 714286 , 0 ( 3 ) 714286 , 0 (
2
2 3
5 2
−
=
+ +
−
−
= y y
14744 , 5 '
1 714286 , 0 4 ) 714286 , 0 ( 9 ) 714286 , 0 ( 5 '
2
2 4
2
−
=
+
⋅
−
−
= y y
a)
11. November 2004 von M. Lange und C. Marx 30
2.Integration
2 2 2
3 y'
x y
x = − 0,67105
) 14744 , 5 (
) 21348 , 0 714286 ( ,
3 0 =
−
− −
= x
3 3=−8,3726⋅10− y
74076 , 4 '3=− y
3.Interation
3 3 3
4 y'
x y
x = − 0,67458
) 74076 , 4 (
) 10 3726 , 8 672813 ( , 0
3
4 =
−
⋅
− −
= −
x
00003019 ,
4 =−0 y
75845 , 4 '4=− y
67105 ,
0 0
4=x =
x
001 ,
4
< 0
y Abbruch!!
b)
3 2
1 1
=
= y x
120 ''
37 '
1 1
=
= y
y 1
) ( ' (
) ( '' ) (
2 1
1
1 ⋅ <
x f
x f x
f 0,263 1
1369 360 )
37 (
120 3
2 = = <
⋅
START
1.Integration
1 1 1
2 y'
x y
x = − 1,918919
37 2 3
2= − =
x
9789 , 27 '
3751547 , 0
2 2
=
= y y
2.Integration
2 2 2
3 y'
x y
x = − 1,90551
9789 , 27
3751547 , 918919 0 ,
3=1 − =
x
6189 , 26 '
10 15 , 9
3
3 3
=
⋅
= −
y y
3.Integration
3 3 3
4 y'
x y
x = − 1,905166
6189 , 26
10 15 , 90551 9 , 1
3
4= − ⋅ − =
x
5845 , 26 '
10 9213 , 5
4
6 4
=
⋅
= −
y y
Abbruch!!
x4=x0=1,905166001
,
4