如何用牛顿法求一个数的*方根

（一）导数与导函数

导数

设函数y=f(x)在点x₀的某个邻域内有定义，当自变量x在x₀处有增量Δx，(x₀+Δx)也在该邻域内时，相应地函数取得增量Δy=f(x₀+Δx)-f(x₀)；如果Δy与Δx之比当Δx→0时极限存在，则称函数y=f(x)在点x₀处可导，并称这个极限为函数y=f(x)在点x₀处的导数记作①f'(x₀) ；②y'│_x=x0 ；③

│_x=x0， 即

导函数

如果函数y=f(x)在开区间内每一点都可导，就称函数f(x)在区间内可导。这时函数y=f(x)对于区间内的每一个确定的x值，都对应着一个确定的导数，这就构成一个新的函数，称这个函数为原来函数y=f(x)的导函数，记作y'、f'(x)、dy/dx或df(x)/dx，简称导数。

导数是微积分的一个重要的支柱。牛顿及莱布尼茨对此做出了卓越的贡献。

几何意义

函数y=f(x)在x₀点的导数f'(x₀)的几何意义：表示函数曲线在点P₀(x₀,f(x₀))处的切线的斜率（导数的几何意义是该函数曲线在这一点上的切线斜率）。

 

 

 

（二）牛顿迭代法

 牛顿迭代法（Newton's method）又称为牛顿-拉夫逊方法（Newton-Raphson method），它是牛顿在17世纪提出的一种在实数域和复数域上*似求解方程的方法。多数方程不存在求根公式，因此求精确根非常困难，甚至不可能，从而寻找方程的*似根就显得特别重要。方法使用函数f(x)的泰勒级数的前面几项来寻找方程f(x) = 0的根。牛顿迭代法是求方程根的重要方法之一，其最大优点是在方程f(x) = 0的单根附*具有*方收敛，而且该法还可以用来求方程的重根、复根。另外该方法广泛用于计算机编程中。

 设r是f(x) = 0的根，选取x0作为r初始*似值，过点（x0,f(x0)）做曲线y = f(x)的切线L，L的方程为y = f(x0)+f'(x0)(x-x0)，求出L与x轴交点的横坐标 x1 = x0-f(x0)/f'(x0)，称x1为r的一次*似值。

过点（x1,f(x1)）做曲线y = f(x)的切线，并求该切线与x轴交点的横坐标 x2 = x1-f(x1)/f'(x1)，称x2为r的二次*似值。重复以上过程，得r的*似值序列，其中x(n+1)=x(n)－f(x(n))/f'(x(n))，称为r的n+1次*似值，上式称为牛顿迭代公式。

 根据牛顿迭代的原理，可以得到以下的计算sqrt（n）的迭代公式：X(n+1)=[X(n)+p/Xn]/2。详细解释见下文。

一般性的编程方法如下：

double sqr(double n) { 
    double k=1.0; 
    while(abs(k*k-n)>1e-9) { 
        k=(k+n/k)/2; 
    } 
    return k; 
}

（三）利用牛顿迭代法计算开*方根

这种算法的原理很简单，我们仅仅是不断用(x,f(x))的切线来逼*方程x^2-a=0的根。根号a实际上就是x^2-a=0的一个正实根，这个函数的导数是2x。也就是说，函数上任一点(x,f(x))处的切线斜率是2x。那么，x-f(x)/(2x)就是一个比x更接*的*似值。代入f(x)=x^2-a得到x-(x^2-a)/(2x)，也就是(x+a/x)/2。

 过程如下：

首先随便猜一个*似值x，然后不断令x等于x和a/x的*均数，迭代个六七次后x的值就已经相当精确了。
例如，我想求根号2等于多少。假如我猜测的结果为4，虽然错的离谱，但你可以看到使用牛顿迭代法后这个值很快就趋*于根号2了：

(       4  + 2/   4     ) / 2 = 2.25
(    2.25  + 2/   2.25  ) / 2 = 1.56944..
( 1.56944..+ 2/1.56944..) / 2 = 1.42189..
( 1.42189..+ 2/1.42189..) / 2 = 1.41423..

 下面用C语言实现一遍：

#include "stdio.h"
#include "math.h"

int main(void)
{
    double n,y=1.0;

    printf("请输入一个需要求其*方根的数：");
    scanf("%lf",&n);

    // 反复代入 x(k+1) = 0.5[x(k)+n/x(k)]
    while(fabs((1.0/2.0*(y+n/y))-y)>=0.00001)
    {
        y=1.0/2.0*(y+n/y);
        printf( "y=%lf\n", y );
    }
    printf("*方根为%f\n",y);
    return 0;
}

程序运行结果：

请输入一个需要求其*方根的数：2
y=1.500000
y=1.416667
y=1.414216
*方根为1.414216

请输入一个需要求其*方根的数：3
y=2.000000
y=1.750000
y=1.732143
y=1.732051
*方根为1.732051

 

 更快的方法

 1999年12月，美国id Software公司发布了名为“雷神之锤III”的电子游戏。它是第一个支持软件加速的游戏，取得了极大成功。（由于影响力过大，文化部于2004年将它列入了非法游戏名单）

雷神之锤III并不是id Software公司的第一次成功。早在1993年开始，这家公司就以“毁灭战士”系列游戏名闻天下。1995年，“毁灭战士”的安装数超过了当年微软的windows 95。据传比尔盖茨才曾经考虑买下id software。（id software公司后来被推出过“上古卷轴”系列的Bethesda公司买下）

id Software所取得的成功很大程度上要归功于它的创始人约翰·卡马克。马克尔也是一个著名的程序员，他是id Software游戏引擎的主要负责人。 回到刚才提到的雷神之锤，马克尔是开源软件的积极推动者，他于2005年公布了雷神之锤III的源代码。至此人们得以通过研究这款游戏引擎的源文件来查看它成功的秘密。

在其中一个名字为q_math.c的文件中发现了如下代码段。

float Q_rsqrt( float number ) { 
    long i; float x2, y; const float threehalfs = 1.5F;
    x2 = number * 0.5F; 
    y = number; 
    i = * ( long * ) &y; // evil floating point bit level hacking 
    i = 0x5f3759df - ( i >> 1 ); // what the fuck? 
    y = * ( float * ) &i; 
    y = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) ); // 1st iteration 
    // y = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) ); // 2nd iteration, this can be removed
    #ifndef Q3_VM #
    ifdef __linux__ assert( !isnan(y) ); // bk010122 - FPE?
    #endif
    #endif return y; 
}

这段代码的作用就是求number的*方根，并且返回它的倒数。经测试这段代码比(float)(1.0/sqrt(x))快4倍。

 以雷神之锤III程序为蓝本可以写出比sqrt()更强大的求*方根函数：

    int sqrt(float x) {   
        if(x == 0) return 0;   
        float result = x;   
        float xhalf = 0.5f*result;   
        int i = *(int*)&result;   
        i = 0x5f375a86- (i>>1); // what the fuck?   
        result = *(float*)&i;   
        result = result*(1.5f-xhalf*result*result); // Newton step, repeating increases accuracy   
        result = result*(1.5f-xhalf*result*result);   
        return 1.0f/result;   
    }  

 

 参考：

http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/2268

http://www.matrix67.com/blog/archives/361

http://blog.csdn.net/wangxiaojun911/article/details/18203333

http://www.cnblogs.com/huashanqingzhu/p/3615543.html

导数_百度百科