Semilocal convergence of a k-step iterative process and its application for solving a special kind of conservative problems

[EN] In this paper, we analyze the semilocal convergence of k-steps Newton's method with frozen first derivative in Banach spaces. The method reaches order of convergence k + 1. By imposing only the assumption that the Fr,chet derivative satisfies the Lipschitz continuity, we define appropriate recurrence relations for obtaining the domains of convergence and uniqueness. We also define the accessibility regions for this iterative process in order to guarantee the semilocal convergence and perform a complete study of their efficiency. Our final aim is to apply these theoretical results to solve a special kind of conservative systems.Hernández-Verón, MA.; Martínez Molada, E.; Teruel-Ferragud, C. (2017). Semilocal convergence of a k-step iterative process and its application for solving a special kind of conservative problems. Numerical Algorithms. 76(2):309-331. https://doi.org/10.1007/s11075-016-0255-zS309331762Amat, S., Busquier, S., Bermúdez, C., Plaza, S.: On two families of high order Newton type methods. Appl. Math. Comput. 25, 2209–2217 (2012)Argyros, I.K., Hilout, S., Tabatabai, M.A.: Mathematical Modelling with Applications in Biosciences and Engineering. Nova Publishers, New York (2011)Argyros, I.K., George, S.: A unified local convergence for Jarratt-type methods in Banach space under weak conditions. Thai. J. Math. 13, 165–176 (2015)Argyros, I.K., Hilout, S.: On the local convergence of fast two-step Newton-like methods for solving nonlinear equations. J. Comput. Appl. Math. 245, 1–9 (2013)Argyros, I.K., Ezquerro, J.A., Gutiérrez, J.M., Hernández, M.A., Hilout, S.: On the semilocal convergence of efficient Chebyshev–Secant-type methods. J. Comput. Appl. Math. 235, 3195–2206 (2011)Cordero, A., Hueso, J.L., Martínez, E., Torregrosa, J.R.: Generating optimal derivative free iterative methods for nonlinear equations by using polynomial interpolation. Math. Comput. Mod. 57, 1950–1956 (2013)Ezquerro, J.A., Grau-Sánchez, M., Hernández, M. A., Noguera, M.: Semilocal convergence of secant-like methods for differentiable and nondifferentiable operators equations. J. Math. Anal. Appl. 398(1), 100–112 (2013)Honorato, G., Plaza, S., Romero, N.: Dynamics of a higher-order family of iterative methods. J. Complexity 27(2), 221–229 (2011)Jerome, J.W., Varga, R.S.: Generalizations of Spline Functions and Applications to Nonlinear Boundary Value and Eigenvalue Problems, Theory and Applications of Spline Functions. Academic Press, New York (1969)Kantorovich, L.V., Akilov, G.P.: Functional analysis Pergamon Press. Oxford (1982)Keller, H.B.: Numerical Methods for Two-Point Boundary-Value Problems. Dover Publications, New York (1992)Na, T.Y.: Computational Methods in Engineering Boundary Value Problems. Academic Press, New York (1979)Ortega, J.M.: The Newton-Kantorovich theorem. Amer. Math. Monthly 75, 658–660 (1968)Ostrowski, A.M.: Solutions of Equations in Euclidean and Banach Spaces. Academic Press, New York (1973)Plaza, S., Romero, N.: Attracting cycles for the relaxed Newton’s method. J. Comput. Appl. Math. 235(10), 3238–3244 (2011)Porter, D., Stirling, D.: Integral Equations: A Practical Treatment, From Spectral Theory to Applications. Cambridge University Press, Cambridge (1990)Traub, J.F.: Iterative Methods for the Solution of Equations. Prentice-Hall. Englewood Cliffs, New Jersey (1964)Argyros, I.K., George, S.: Extending the applicability of Gauss-Newton method for convex composite optimization on Riemannian manifolds using restricted convergence domains. Journal of Nonlinear Functional Analysis 2016 (2016). Article ID 27Xiao, J.Z., Sun, J., Huang, X.: Approximating common fixed points of asymptotically quasi-nonexpansive mappings by a k+1-step iterative scheme with error terms. J. Comput. Appl. Math 233, 2062–2070 (2010)Qin, X., Dehaish, B.A.B., Cho, S.Y.: Viscosity splitting methods for variational inclusion and fixed point problems in Hilbert spaces. J. Nonlinear Sci. Appl. 9, 2789–2797 (2016

Determination of multiple roots of nonlinear equations and applications

The final publication is available at Springer via https://dx.doi.org/10.1007/s10910-014-0460-8[EN] In this work we focus on the problem of approximating multiple roots of nonlinear equations. Multiple roots appear in some applications such as the compression of band-limited signals and the multipactor effect in electronic devices. We present a new family of iterative methods for multiple roots whose multiplicity is known. The methods are optimal in Kung-Traub's sense (Kung and Traub in J Assoc Comput Mach 21:643-651, [1]), because only three functional values per iteration are computed. By adding just one more function evaluation we make this family derivative free while preserving the convergence order. To check the theoretical results, we codify the new algorithms and apply them to different numerical examples.This research was supported by Ministerio de Ciencia y Tecnologia MTM2011-28636-C02-02 and by Vicerrectorado de Investigacion, Universitat Politecnica de Valencia PAID-SP-2012-0474.Hueso Pagoaga, JL.; Martínez Molada, E.; Teruel Ferragud, C. (2015). Determination of multiple roots of nonlinear equations and applications. Journal of Mathematical Chemistry. 53(3):880-892. https://doi.org/10.1007/s10910-014-0460-8S880892533H.T. Kung, J.F. Traub, Optimal order of one-point and multi-point iteration. J. Assoc. Comput. Mach. 21, 643–651 (1974)W. Bi, H. Ren, Q. Wu, Three-step iterative methods with eighth-order convergence for solving nonlinear equations. J. Comput. Appl. Math. 255, 105–112 (2009)W. Bi, Q. Wu, H. Ren, A new family of eighth-order iterative methods for solving nonlinear equations. Appl. Math. Comput. 214, 236–245 (2009)A. Cordero, J.L. Hueso, E. Martínez, J.R. Torregrosa, New modifications of Potra-Pták’s method with optimal fourth and eighth order of convergence. J. Comput. Appl. Math. 234, 2969–2976 (2010)E. Schröder, Über unendlich viele Algorithmen zur Auflösung der Gleichungen. Math. Ann. 2, 317–365 (1870)C. Chun, B. Neta, A third-order modification of Newtons method for multiple roots. Appl. Math. Comput. 211, 474–479 (2009)Y.I. Kim, S.D. Lee, A third-order variant of NewtonSecant method finding a multiple zero. J. Chungcheong Math. Soc. 23(4), 845–852 (2010)B. Neta, Extension of Murakamis high-order nonlinear solver to multiple roots. Int. J. Comput. Math. 8, 1023–1031 (2010)H. Ren, Q. Wu, W. Bi, A class of two-step Steffensen type methods with fourth-order convergence. Appl. Math. Comput. 209, 206–210 (2009)Q. Zheng, J. Wang, P. Zhao, L. Zhang, A Steffensen-like method and its higher-order variants. Appl. Math. Comput. 214, 10–16 (2009)S. Amat, S. Busquier, On a Steffensen’s type method and its behavior for semismooth equations. Appl. Math. Comput. 177, 819–823 (2006)X. Feng, Y. He, High order iterative methods without derivatives for solving nonlinear equations. Appl. Math. Comput. 186, 1617–1623 (2007)A. Cordero, J.R. Torregrosa, A class of Steffensen type methods with optimal order of convergence. Appl. Math. Comput. doi: 10.1016/j.amc.2011.02.067F. Marvasti, A. Jain, Zero crossings, bandwidth compression, and restoration of nonlinearly distorted band-limited signals. J. Opt. Soc. Am. A 3, 651–654 (1986)S. Anza, C. Vicente, B. Gimeno, V.E. Boria, J. Armendáriz, Long-term multipactor discharge in multicarrier systems. Physics of Plasmas 14(8), 082–112 (2007)J.L. Hueso, E. Martínez, C. Teruel, New families of iterative methods with fourth and sixth order of convergence and their dynamics, in Proceedings of the 13th International Conference on Computational and Mathematical Methods in Science and Engineering, CMMSE 2013, 24–27 June 2013A. Cordero, J.R. Torregrosa, Low-complexity root-finding iteration functions with no derivatives of any order of convergence. J. Comput. Appl. Math. doi: 10.10016/j.cam.2014.01.024 (2014)J.R. Sharma, R. Sharma, Modified Jarratt method for computing multiple roots. Appl. Math. Comput. 217, 878–881 (2010

Dynamical study while searching equilibrium solutions in N-body problem

The theory of complex dynamics is usually applied to compare the global convergence properties of different iterative methods, by obtaining the attraction basins for simple polynomial equations in the complex domain. However, in this work, we use it in quite another context: the study of a nontrivial nonlinear system that describes the motion of interacting bodies in celestial mechanics, namely, Newtonian planar circular restricted four-body problem and its relative equilibrium solutions. These have been investigated from a dynamical point of view. New properties of the solutions of this system have been obtained. Practical guidelines for efficient search of relative equilibrium solutions of Nbody problem have been given.This research has been supported by Ministerio de Ciencia y Tecnologia MTM2014-52016-C2-02.Budzko, D.; Hueso Pagoaga, JL.; Martínez Molada, E.; Teruel-Ferragud, C. (2016). Dynamical study while searching equilibrium solutions in N-body problem. Journal of Computational and Applied Mathematics. 297:26-40. https://doi.org/10.1016/j.cam.2015.11.010S264029

Desenvolupament de nous mètodes per a la resolució d'equacions i sistemes d'equacions no lineals

[EN] The necessity of solving nonlinear equations and systems arises naturally in the different areas of engineering and science when integral and differential equations are discretized. Nowadays, computers have become tools to help in the resolution of problems. So, the development of efficient and fast iterative methods are demanded. Numerical analysis is the branch of mathematics which deals these requirements. In this work, we discuss some interesting aspects in this area. In particular, we show an approximation for the derivative thaht allows us to modify a result to get order p+2 from other p-th order method, maintaining the good convergence properties. Other result, let us get a generalization of Sharma's method and build a family of optimal method of 4th order, and other of order 6. We study the number of operations to get the most efficient ones. Finally, we focus in the study of strategies for compute good approximation for the Jacobian matrices using divided differences operators. Our new operator works as well as the other despite being simpler. Theoretical results are compared with several numerical experiences.[CA] La necessitat de resoldre equacions i sistemes d’equacions no lineals sorgeix de manera natural en discretitzar les equacions integrodiferencials que modelen els problemes dels quals s’encarreguen les diferents branques de les ciències i l’enginyeria. Actualment, es pot fer ús dels ordinadors com a eines per facilitar totes les tasques entorn a la seua resolució. Amb la millora dels dispositius, el desenvolupament de les tècniques de computació i l’aritmètica de precisió variable, s’ha generalitzat la demanda de mètodes iteratius que resolguen de forma ràpida i eficient les equacions i sistemes d’equacions. L’Anàlisi Numèrica és la branca de les matem`atiques que respon a aquestos requeriments. En aquest treball tractarem alguns aspectes d’interés d’aquesta àrea. En concret, mostrarem una aproximació de la derivada que ens permeta modificar un resultat per obtenir mètodes d’ordre p + 2 a partir d’altres d’ordre p, de manera que es mantinguen les propietats de convergència i estudiarem la millora l’eficiència d’aquesta tècnica, degut al menor nombre d’avaluacions funcionals, aplicada a mètodes diferent ordre. Un altre resultat s’ha assolit generalitzant el mètode de Sharma, i així construir famílies de mètodes d’ordre 4 òptims i d’ordre 6; amb l’estudi del nombre d’operacions obtindrem els dos mètodes més eficients de la família dels quals estudiarem la seua dinàmica. Una altra línia d’investigació consisteix en l’estudi de les diverses estratègies per aproximar el càlcul de les jacobianes, així els operadors de diferències dividides han contribuït a aquest objectius. Nosaltres hem desenvolupat un operador de diferències dividides mantenint la convergència dels mètodes amb derivades tot i ser més senzill que d’altres ja coneguts. Els resultats teòrics s’han contrastat amb diverses experiències numèriques.Teruel Ferragud, C. (2014). Desenvolupament de nous mètodes per a la resolució d'equacions i sistemes d'equacions no lineals. http://hdl.handle.net/10251/59624Archivo delegad

Desenvolupament de nous mètodes per a la resolució d'equacions i sistemes d'equacions no lineals i Aplicacions

La necesidad de resolver ecuaciones y sistemas de ecuaciones no lineales surge de manera natural en discretizar las ecuaciones integro-diferenciales que modelan los problemas de los que se encargan las diferentes ramas de las ciencias y la ingeniería. Actualmente, se puede hacer uso de los ordenadores como herramientas para facilitar todas las tareas en torno a su resolución. Con la mejora de los dispositivos, el desarrollo de las técnicas de computación y la aritmética de precisión variable, se ha generalizado la demanda de métodos iterativos que resuelvan de forma rápida y eficiente las ecuaciones y sistemas de ecuaciones. El Análisis Numérico es la rama de las matemáticas que responde a estos requerimientos. En este trabajo trataremos algunos aspectos de interés de esta área. En concreto, mostraremos una aproximación de la derivada que nos permita modificar un resultado para obtener métodos de orden p+2 a partir de otras de orden p, de modo que se mantengan las propiedades de convergencia y estudiaremos la mejora de la eficiencia de esta técnica, debido al menor número de evaluaciones funcionales, aplicada a métodos de diferente orden. Otro resultado se ha alcanzado generalizando el método de Sharma, y generando así familias de métodos de orden 4 óptimos y de orden 6; con el estudio del número de operaciones obtendremos los dos métodos más eficientes de la familia de los que estudiaremos su dinámica. Otra línea de investigación consiste en el estudio de las diversas estrategias para aproximar el cálculo de las jacobiana, así los operadores de diferencias divididas han contribuido a estos objetivos. Nosotros hemos desarrollado un operador de diferencias divididas que, a pesar de ser más sencillo que otros ya conocidos, conserva las propiedades de convergencia de los métodos con derivadas. Posteriormente hemos adaptado las familias de métodos de orden 4 y 6 para ecuaciones con raíces múltiples obteniendo también métodos libres de derivadas aplicando el operador en diferencias divididas anteriores. A continuación hemos considerado hemos realizado el estudio del comportamiento dinámico de ciertos métodos aplicados sobre el problema de los N cuerpos. Finalmente hemos obtenido ciertos resultados referentes a la convergencia semilocal. Los resultados teóricos se han contrastado con diversas experiencias numéricas.The need to solve equations and systems of nonlinear equations arises naturally in discretizing the integro-differential equations that model the problems that are responsible for the different branches of science and engineering. Currently, computers can be used as tools to facilitate all tasks related to their resolution. With the improvement of the devices, the development of computing techniques and variable accuracy arithmetic, the demand for iterative methods has been generalized to solve the equations and equation systems quickly and efficiently. Numerical Analysis is the branch of mathematics that meets these requirements. In this paper we will discuss some aspects of interest in this area. In particular, we will show an approximation of the derivative that allows us to modify a result to obtain methods of order p+2 from others of order p, so that the convergence properties are maintained and we will study the improvement of the efficiency of this technique, due to the smallest number of functional evaluations, applied to methods of different order. Another result has been achieved by generalizing the Sharma method, and thus constructing families of order 4 optimal and order methods 6; With the study of the number of operations, we will obtain the two most efficient methods of the family from which we will study its dynamics. Another line of research consists in the study of the various strategies to approximate the calculation of the Jacobins, thus the operators of divided differences have contributed to these objectives. We have developed a divided difference operator that, while being simpler than other ones already known, maintains the convergence properties of methods with derivatives. Later we have adapted families of order methods 4 and 6 for equations with multiple roots, also obtaining derivative free methods by applying the operator in previous divided differences. Below we have considered that we have done the study of the dynamic behavior of certain methods applied to the problem of the N-bodies. Finally we have obtained certain results referring to semilocal convergence. The theoretical results have been contrasted with several numerical experiences.La necessitat de resoldre equacions i sistemes d'equacions no lineals sorgeix de manera natural en discretitzar les equacions integrodiferencials que modelen els problemes dels quals s'encarreguen les diferents branques de les ciències i l'enginyeria. Actualment, es pot fer ús dels ordinadors com a eines per facilitar totes les tasques entorn a la seua resolució. Amb la millora dels dispositius, el desenvolupament de les tècniques de computació i l'aritmètica de precisió variable, s'ha generalitzat la demanda de mètodes iteratius que resolguen de forma ràpida i eficient les equacions i sistemes d'equacions. L'Anàlisi Numèrica és la branca de les matemàtiques que respon a aquestos requeriments. En aquest treball tractarem alguns aspectes d'interés d'aquesta àrea. En concret, mostrarem una aproximació de la derivada que ens permeta modificar un resultat per obtenir mètodes d'ordre p+2 a partir d'altres d'ordre p, de manera que es mantinguen les propietats de convergència i estudiarem la millora de l'eficiència d'aquesta tècnica, degut al menor nombre d'avaluacions funcionals, aplicada a mètodes de diferent ordre. Un altre resultat s'ha assolit generalitzant el mètode de Sharma, i construint així famílies de mètodes d'ordre 4 òptims i d'ordre 6; amb l'estudi del nombre d'operacions obtindrem els dos mètodes més eficients de la família dels quals estudiarem la seua dinàmica. Una altra línia d'investigació consisteix en l'estudi de les diverses estratègies per aproximar el càlcul de les jacobianes, així els operadors de diferències dividides han contribuït a aquests objectius. Nosaltres hem desenvolupat un operador de diferències dividides que, tot i ser més senzill que d'altres ja coneguts, manté les propietats de convergència dels mètodes amb derivades . Posteriorment hem adaptat les famílies de mètodes d'ordre 4 i 6 per a equacions amb arrels múltiples obtenint també mètodes lliures de derivades aplicant l'operador en diferències dividides anteriors. A continuació hem considerat hem realitzat l'estudi del comportament dinàmic de certs mètodes aplicats sobre el problema dels N cossos. Finalment hem obtingut certs resultats referents a la convergència semilocal. Els resultats teòrics s'han contrastat amb diverses experiències numèriques.Teruel Ferragud, C. (2018). Desenvolupament de nous mètodes per a la resolució d'equacions i sistemes d'equacions no lineals i Aplicacions [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107325TESI