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V2EX  ›  Python

如何通过牛顿法求近似平方根?

  •  
  •   kaolalicai · 95 天前 · 1470 次点击
    这是一个创建于 95 天前的主题,其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

    这是一篇考拉内部小型技术分享的文章。
    这次分享一个求近似平方根的快速方法: 牛顿法。
    先上代码:

    def sqrt(n):
        ret = n
        while ret * ret > n:
            ret = (ret + n / ret) / 2
        return ret
    
    print(sqrt(4))
    print(sqrt(2))
    

    代码很简短,很神奇,为什么这样子可以求出来平方根呢?下面来推导一下。

    设 n 的平方根为 x, 则有 , 即, 写成对 x 的函数的形式为。假设 n=4, 我们都知道,4 的平方根是 2,那用牛顿法怎么求出来呢?先画出来这个函数的图形。

    from matplotlib import pyplot as plt
    import numpy as np
    %matplotlib notebook
    
    xs = np.linspace(-6, 6, 1000)
    ys = [x * x - 4 for x in xs]
    
    plt.xlabel('x')
    plt.ylabel('y')
    plt.plot(xs, [0] * 1000)
    plt.plot([0] * 1000, np.linspace(-6, 30, 1000))
    plt.plot(xs, ys)
    
    <IPython.core.display.Javascript object>  
    

    [<matplotlib.lines.Line2D at 0x1217b25f8>]
    

    然后我们取一个点,先取点, 然后做一条切线,它会跟 x 轴相交于点(2.5, 0), 相同横坐标对应函数上的点为, 然后我们在 x1 处再做一条切线,它会和 x 轴相交于点(2.05, 0), 相同横坐标对应函数上的点为 x2(2.05, 0.2025), 继续这样迭代下去,将很快求出来最后 x 是 2.

    def f(x):
        return x * x - 4
    
    xs = np.linspace(-6, 6, 1000)
    ys = [f(x) for x in xs]
    
    plt.xlabel('x')
    plt.ylabel('y')
    plt.plot(xs, [0] * 1000)
    plt.plot([0] * 1000, np.linspace(-6, 30, 1000))
    plt.plot(xs, ys)
    plt.plot(4, f(4), 'ro')
    plt.annotate('x0(4, 12)', (2, 12))
    plt.plot([4, 4], [0, 12], '--')
    
    k0 = (f(4 + 0.1) - f(4 - 0.1)) / 0.2
    b0 = f(4) - k0 * 4
    
    def f_tangent0(x):
        """
        点 x0 的切线方程
        """
        return k0 * x + b0
    
    xs = np.linspace(2, 6, 1000)
    ys = [f_tangent0(x) for x in xs]
    plt.plot(xs, ys)
    
    plt.plot(2.5, f(2.5), 'ro')
    plt.annotate('x1(2.5, 2.25)', (0.5, 5))
    plt.plot([2.5, 2.5], [0, 2.25], '--')
    
    k1 = (f(2.5 + 0.1) - f(2.5 - 0.1)) / 0.2
    b1 = f(2.5) - k1 * 2.5
    
    def f_tangent1(x):
        """
        点 x1 的切线方程
        """
        return k1 * x + b1
    
    xs = np.linspace(1, 6, 1000)
    ys = [f_tangent1(x) for x in xs]
    plt.plot(xs, ys)
    
    
    # plt.plot(2.05, f(2.05), 'ro')
    # plt.annotate('x1(2.05, 0.2)', (2.05, -5))
    
    
    <IPython.core.display.Javascript object>
    

    [<matplotlib.lines.Line2D at 0x12ee97c18>]
    

    从图形上可以比较直观的理解牛顿迭代法,但是从代数上怎么进行计算呢?现在来推导一下:

    设 n 的平方根为 x, 则有 , 即, 写成对 x 的函数的形式为,我们取一个点, 作一条切线,那么切线的斜率 k 就是的导数:

    由上面的图可以看出来,作 x0 到 x 轴的垂线,围成了一个三角形,由三角定理可知:

    所以有:

    化简得:

    再看一次代码:

    def sqrt(n):
        ret = n
        while ret * ret > n:
            ret = (ret + n / ret) / 2
        return ret
    

    一致!

    牛顿迭代法求平方根就是这样推导出来的。

    其实牛顿法,除了应用在求平方根上,还有很多应用,在机器学习算法的最后优化步骤中,会使用牛顿法求任意函数的最优解,不仅限于这种类型。

    建议大家做一下 leetcode 这道题: sqrtx,会加深理解。


    分享内容出自考拉程序猿 Hank 的 blog Hank ‘ s blog

    13 回复  |  直到 2019-04-11 17:13:48 +08:00
        1
    salamanderMH   95 天前
    不错
        2
    loryyang   95 天前
    赞,数学上面好多东西还是挺好玩的
        3
    snw   95 天前 via Android
    有个疑问:你如何确保 while ret * ret > n 不会陷入死循环?
        4
    bxb100   95 天前
    是时候分享一波魔法数了 0x5f3759df
        5
    gabon   95 天前 via Android
    我记得研究生读的数值分析就是讲的各种无法直接求解的函数逼近算法,还是很有意思的
        6
    azh7138m   95 天前 via Android
    哎,我一直以为是二分查找。。。。
    我选择卡马克开方(
        7
    bxb100   95 天前
    @snw #3 好像这里还要加上 ret (看精度)不变时候跳出
        8
    atz   95 天前
    def sqrt(n):
    ret = n+1
    while ret * ret > n:
    ret = (ret + n / ret) / 2
    return ret

    第一步应该多加个 1 否则小于 1 的数不能计算
        9
    yyConstantine   95 天前 via iPhone
    @bxb100 WTF 编程法~~
        10
    snw   95 天前 via Android
    @bxb100
    一般会直接指定精度或循环次数,而不是任由浮点尾数趋于不变,毕竟浮点的尾数很难预测。
        11
    ultimate   95 天前
    (define (abs x)
    (cond ((> x 0) x)
    ((= x 0) 0)
    ((< x 0) (* -1 x))))
    (define (square x) (* x x))
    (define (cube x) (* x x x))
    (define (good-enough? guess x)
    (< (abs (- (cube guess) x)) 0.001))
    (define (improve guess x)
    (/ (+ (/ x (square guess)) (* 2 guess)) 3))
    (define (cube-root-iter guess x)
    (if (good-enough? guess x)
    guess
    (cube-root-iter (improve guess x) x)))
    (define (cube-root x)
    (cube-root-iter 1.0 x))
    牛顿法求立方根,迭代公式 x1=(x0/n^2+2*n)/3
    (手动滑稽~)
        12
    araraloren   95 天前
    马克。
        13
    zooo   74 天前
    @gabon 本科数值分析也学过
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