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Fixpunktiteration

Tippe auf einem Taschenrechner (im Bogenmaß) eine beliebige Zahl ein und drücke immer wieder die Taste cos. Nach einigen Dutzend Tastendrücken bleibt die Anzeige bei $0{,}739085\ldots$ stehen. Diese Zahl ändert sich durch cos nicht mehr – sie ist ein Fixpunkt. Genau so funktioniert die Fixpunktiteration, mit der man Gleichungen näherungsweise löst.

Was ist ein Fixpunkt?

Eine Zahl $x^*$ heißt Fixpunkt der Funktion $\varphi$ (gelesen „phi“), wenn $\varphi(x^*) = x^*$ gilt – die Funktion lässt sie unverändert. Im Koordinatensystem sind Fixpunkte die Schnittpunkte des Graphen von $\varphi$ mit der Winkelhalbierenden $y = x$.

Jede Gleichung $f(x) = 0$ lässt sich auf viele Arten in die Form $x = \varphi(x)$ bringen. Dann ist jede Lösung der Gleichung ein Fixpunkt von $\varphi$. Aus $\cos(x) - x = 0$ wird zum Beispiel $x = \cos(x)$.

Das Verfahren

Du wählst einen Startwert $x_0$ und setzt immer wieder das letzte Ergebnis ein:

\[ x_{n+1} = \varphi(x_n) \qquad (n = 0, 1, 2, \ldots) \]

Kommen sich die Werte immer näher, nähert sich die Folge einem Fixpunkt. Für $\varphi(x) = \cos(x)$ und $x_0 = 1$:

n$x_n$n$x_n$
01200,739184
10,540302210,739018
20,857553220,73913
30,65429230,739055
40,79348240,739106
50,701369250,739071

Die Werte springen abwechselnd über und unter den Fixpunkt $x^* \approx 0{,}739085$ und kommen ihm dabei immer näher – allerdings recht langsam.

0,20,40,60,811,20,20,40,60,811,2xy0y = xφx₀
Spinnwebdiagramm für $\varphi(x) = \cos(x)$, Start bei $x_0 = 1$

Das Bild heißt Spinnwebdiagramm: Vom Punkt $x_n$ geht es senkrecht zum Graphen von $\varphi$ (das liefert $\varphi(x_n) = x_{n+1}$), dann waagerecht zur Geraden $y = x$ (dort hat der Punkt die x-Koordinate $x_{n+1}$) – und wieder von vorn.

Wann konvergiert die Iteration?

Entscheidend ist die Steigung von $\varphi$ im Fixpunkt. Ist $x_n$ nahe bei $x^*$, dann gilt ungefähr

\[ x_{n+1} - x^* = \varphi(x_n) - \varphi(x^*) \approx \varphi'(x^*) \cdot (x_n - x^*). \]

Der Abstand zum Fixpunkt wird also in jedem Schritt ungefähr mit $\varphi'(x^*)$ multipliziert.

Steigung im FixpunktVerhaltenBild
$0 < \varphi'(x^*) < 1$konvergiert, Werte nähern sich von einer SeiteTreppe
$-1 < \varphi'(x^*) < 0$konvergiert, Werte springen abwechselnd über und unter $x^*$Spirale nach innen
$\varphi'(x^*) = 0$konvergiert besonders schnellsehr kurze Spirale bzw. Treppe
$|\varphi'(x^*)| > 1$der Fixpunkt stößt ab – die Werte entfernen sichTreppe bzw. Spirale nach außen

Merke

Gilt $|\varphi'(x)| < 1$ in einer Umgebung des Fixpunkts und startest Du dort, dann konvergiert die Fixpunktiteration gegen $x^*$. Je kleiner $|\varphi'(x^*)|$, desto schneller. (Genauer fasst das der Fixpunktsatz von Banach.)

Bei $\varphi(x) = \cos(x)$ ist $\varphi'(x^*) = -\sin(0{,}739085) \approx -0{,}67$. Darum die Spirale – und darum das langsame Tempo: Der Fehler schrumpft pro Schritt nur um etwa ein Drittel.

Spinnwebdiagramm zum Ausprobieren

Eine Gleichung – zwei Umformungen

Die Gleichung $x^3 + x - 1 = 0$ hat genau eine Lösung $x^* \approx 0{,}6823$. Man kann sie zum Beispiel so umformen:

  • $x = 1 - x^3$, also $\varphi_1(x) = 1 - x^3$ mit $\varphi_1'(x^*) = -3(x^*)^2 \approx -1{,}40$,
  • $x \cdot (1 + x^2) = 1$, also $\varphi_2(x) = \frac{1}{1 + x^2}$ mit $\varphi_2'(x^*) = \frac{-2x^*}{(1 + (x^*)^2)^2} \approx -0{,}64$.
nmit $\varphi_1$mit $\varphi_2$
00,70,7
10,6570,67114
20,716410,68945
30,632310,67781
40,747190,6852
50,582850,6805
60,8020,68349

Beide Folgen starten bei $0{,}7$ – also ganz dicht an der Lösung. Mit $\varphi_1$ entfernen sich die Werte trotzdem immer weiter, mit $\varphi_2$ pendeln sie sich ein. Vor dem Rechnen lohnt sich deshalb immer der Blick auf $|\varphi'|$.

Das Newton-Verfahren ist auch eine Fixpunktiteration

Mit $\varphi(x) = x - \frac{f(x)}{f'(x)}$ ist die Fixpunktiteration genau das Newton-Verfahren. An einer einfachen Nullstelle gilt hier $\varphi'(x^*) = 0$ – deshalb ist Newton so schnell. Ein bekanntes Beispiel ist das Heron-Verfahren für Wurzeln: $\varphi(x) = \frac{1}{2}\left(x + \frac{a}{x}\right)$ hat den Fixpunkt $\sqrt{a}$.

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Rechner: Fixpunktiteration mit Spinnwebdiagramm

Standard 12, höchstens 60. Bei Konvergenz hört der Rechner früher auf.

Schreibweise: x^2, sqrt(x), e^x, ln(x), sin(x), cos(x), pi. Das Malzeichen darfst Du weglassen (2x). Dezimalzahlen mit Komma.

Online üben

Stelle den Taschenrechner auf Bogenmaß (RAD), wenn sin oder cos vorkommt. Mehrere Werte trennst Du mit Semikolon.

Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Neue Aufgaben

Stufe 3: Konvergenz untersuchen

  1. Aufgabe 1
    \(x^3 - 2x - 5\) \(= 0:\ x = \sqrt[3]{2x + 5}\ \text{oder}\ x\) \(= \frac{x^3 - 5}{2}\)? Welche Form konvergiert (erste/zweite)?
    \(x^* \approx 2{,}0946:\ |\varphi_1'(x^*)|\) \(\approx 0{,}15,\) \(|\varphi_2'(x^*)|\) \(\approx 6{,}58\) \(\Rightarrow\) erste Form
  2. Aufgabe 2
    \(\varphi(x) = \frac{x^2 + 15}{8}:\) Fixpunkte \(x_1^* < x_2^* \text{ und } \varphi'(x_1^*);\) \(\varphi'(x_2^*)\ ?\)
    \(φ′(x₁*); φ′(x₂*)\)
    \(x^2 - 8x + 15\) \(= 0:\ x_1^*\) \(= 3,\) \(x_2^* = 5;\) \(\varphi'(x) = \frac{2x}{8}:\ \frac{3}{4}\ (\)anziehend\(),\) \(\frac{5}{4}\ (\)abstoßend\()\)
  3. Aufgabe 3
    \(x^3 + x - 1\) \(= 0:\ x = \frac{1}{1 + x^2}\ \text{oder}\ x\) \(= 1 - x^3\)? Welche Form konvergiert (erste/zweite)?
    \(x^* \approx 0{,}6823:\ |\varphi_1'(x^*)|\) \(\approx 0{,}64,\) \(|\varphi_2'(x^*)|\) \(\approx 1{,}4\) \(\Rightarrow\) erste Form
  4. Aufgabe 4
    \(e^x - 3x = 0:\ x = \frac{e^x}{3}\ \text{oder}\ x = \ln(3x)\)? Welche Form konvergiert (erste/zweite)?
    \(x^* \approx 0{,}6191:\ |\varphi_1'(x^*)|\) \(\approx 0{,}62,\) \(|\varphi_2'(x^*)|\) \(\approx 1{,}62\) \(\Rightarrow\) erste Form
  5. Aufgabe 5
    \(\varphi(x) = \frac{x^2 + 12}{7}:\) Fixpunkte \(x_1^* < x_2^* \text{ und } \varphi'(x_1^*);\) \(\varphi'(x_2^*)\ ?\)
    \(φ′(x₁*); φ′(x₂*)\)
    \(x^2 - 7x + 12\) \(= 0:\ x_1^*\) \(= 3,\) \(x_2^* = 4;\) \(\varphi'(x) = \frac{2x}{7}:\ \frac{6}{7}\ (\)anziehend\(),\) \(\frac{8}{7}\ (\)abstoßend\()\)

Tippe Deine Lösung ein und klicke auf „Prüfen“ (oder drücke Enter). Brüche als 3/4, Dezimalzahlen mit Komma, mehrere Lösungen mit ; trennen, Potenzen als x^2, Wurzeln als sqrt(5). Punkte: 10 für richtig beim ersten Versuch, 6 nach einem Fehlversuch, 5 mit Tipp, 0 wenn Du Dir vorher die Lösung anschaust. Deine Punkte und Abzeichen siehst Du unter Mein Training.

Arbeitsblatt: Fixpunktiteration

Eine volle DIN-A4-Seite Aufgaben mit Lösungsblatt zum Ausdrucken – bei jedem Klick neue Aufgaben. Klasse 11–13.

Schwierigkeit

Weitere Näherungsverfahren: Intervallhalbierung und Newton-Verfahren. Folgen und ihre Grenzwerte behandelt die Seite Folgen und Reihen.

Weiterlesen: Fixpunktiteration, Fixpunktsatz von Banach bei Wikipedia

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