Metodi per il calcolo della radice quadrata
Questa voce è dedicata ai molti metodi che sono stati utilizzati per calcolare radici quadrate di numeri reali positivi, o per meglio dire, per calcolare le radici quadrate principali di numeri razionali.
Indice |
Note storiche [modifica]
I primi ad occuparsi del problema dell'estrazione di radice quadrata di un numero sono stati i babilonesi. Essi, tra i primi ad utilizzare un sistema di numerazione posizionale, avevano elaborato un procedimento per l'estrazione di radice quadrata che spesso viene attribuito a matematici posteriori, come Archita (428 - 365 a.C.) oppure ad Erone di Alessandria (vissuto tra il I e II secolo d.C.) oppure a Newton.
I babilonesi avevano ricavato un valore di
pari a 1,414222 con un errore di circa 0,000008 dal valore vero. Di Erone di Alessandria, matematico e scienziato greco, si hanno poche notizie biografiche. Si occupò di meccanica, matematica e fisica. A lui si deve la formula (detta appunto formula di Erone) mediante la quale calcolare l'area di un triangolo qualsiasi, noti i suoi lati. Studiò metodi approssimati per risolvere problemi di misurazione, sia in geometria che in geodesia ed inventò un metodo per approssimare le radici quadrate e cubiche di numeri che non siano quadrati o cubi perfetti. E proprio del metodo di approssimazione delle radici quadrate di cui vogliamo occuparci.
Metodo babilonese [modifica]
Dato un valore
, un algoritmo per approssimare
comunemente usato è conosciuto come metodo babilonese e sfrutta gli stessi principi poi codificati nel metodo di Newton. Questo metodo funziona nel modo seguente:
- Poni
e inizia con un valore arbitrario positivo
(quanto più esso è prossimo alla radice, tanto migliore è la convergenza dell'algoritmo) - sostituisci
con la media di
e 
- aumenta n e vai al punto 2
Questo è un algoritmo a convergenza quadratica, il che vuol dire che il numero di cifre corrette
grossolanamente raddoppia ad ogni passo.
Questo algoritmo può essere rappresentato da
da cui si ricava
.
Dimostrazione della convergenza [modifica]
Per dimostrare la correttezza di questo metodo, prendiamo la successione cercando di valutare la grandezza dell'elemento
in termini di
: quello che si può subito dire è che sia i termini della successione che
sono numeri reali positivi. Il termine n-esimo della successione è:
Il secondo fattore della seconda eguaglianza è del tipo
funzione che ha un punto di minimo assoluto nel primo quadrante per
in cui essa vale 2. In particolare, il valore 2 è assunto dalla funzione soltanto quando
, mentre è sempre maggiore altrove. Da quanto detto segue che
da cui si ricava anche che
. Quindi, riprendendo la formula per
, si ottiene
Questo implica che la successione è strettamente decrescente; inoltre essa è strettamente compresa fra i valori
e
ed è dunque limitata. Poiché una successione monotona converge se e solo se è limitata, esiste un valore
a cui la nostra successione converge.
Punto e rapidità di convergenza [modifica]
Al fine di dimostrare che la nostra successione converge proprio a
e, allo stesso tempo, capire la rapidità di convergenza di questo metodo di calcolo, poniamo
. Sfruttando la relazione ricorsiva fornita dal metodo stesso, abbiamo:
Poiché si è dimostrato che per ogni termine della successione vale
, allora
Adesso, applicando la relazione di ricorrenza a ritroso e ponendo per semplicità di notazione
, si può ottenere
dove
è un intero compreso fra 2 e
. Quando, in particolare, si ha
, segue che, scelto un
sufficientemente grande,
Questa ultima relazione dimostra che la successione converge effettivamente a
e che il metodo babilonese è ottimo per il calcolo della radice quadrata in quanto la sua convergenza è estremamente rapida.
Esempio d'uso [modifica]
Ad esempio, poiché la radice quadrata di 2 deve essere compresa tra 1 e 2, stimiamo che sia circa 1,5. Applicando ripetutamente la formula otteniamo i seguenti valori:





;
in tal modo al quarto passaggio si ha il valore della radice quadrata di 2 corretto alla sesta cifra decimale.
Questo algoritmo funziona ugualmente bene per i numeri p-adici, ma non può essere usato per identificare radici quadrate reali con indice di radice p-esimo. Riferendosi a questo metodo è facile per esempio costruire una sequenza di numeri razionali che converge a
nei reali, ma a
nei 2-adici.
Approssimazione Bakhshali [modifica]
Il metodo Bakhshali è un altro modo per trovare un'approssimazione della radice quadrata di un numero che fu descritto in un antico manoscritto col nome di Manoscritto Bakhshali perché fu scoperto nel 1881 vicino al villaggio di Bakhshali (o Bakhshalai) nella frazione Yusufzai del distretto di Peshawar (ora parte del Pakistan). Il testo era scritto in lingua sarada su corteccia di betulla.
L'approssimazione Bakhshali della radice quadrata si ottiene applicando due volte l'approssimazione semplice.
Con le notazioni precedenti introduciamo 

Sviluppando l'equazione diventa:
Esempio di approssimazione Bakhshali [modifica]
Trova 
- Usiamo

Calcolo della radice quadrata di un intero: algoritmo di Bombelli [modifica]
Questo algoritmo si applica alla notazione decimale (e più in generale ad una scrittura posizionale in una qualsiasi base b) di numeri interi e fornisce la parte intera della radice e l'eventuale resto.
Per tale calcolo si inizia distinguendo nella scrittura in base 10 del radicando gruppi di due cifre, consecutive partendo dal gruppo formato dalla cifra delle unità e da quella delle decine; il gruppo delle cifre di maggior peso può ridursi ad una cifra (come nell'esempio che segue). Risulta comodo scrivere il risultato in costruzione al di sopra di questa scrittura collocando ciascuna cifra del risultato sopra un corrispondente gruppo di cifre del radicando: infatti il numero L di cifre decimali del risultato è uguale al numero dei gruppi di cifre del radicando.
Si opera con tre variabili intere correnti: il risultato in costruzione x, un resto r e una cifra d da accodare alla precedente scrittura di x. Inizialmente x ed r sono poste a 0 e si procede a ripetere L volte il seguente blocco di istruzioni.
- Modifica la scrittura del resto r accodandole il gruppo di cifre più significativo (quelle più a sinistra) non ancora usato. Chiamiamo
il numero così ottenuto (valore corrente). - Trova la più grande cifra
tale che
non superi
. Accoda questa nuova cifra alla scrittura del risultato x. - Sottrai
da
e ottieni così il nuovo resto.
Esempio: Trova la radice quadrata di 1522759.
1 2 3 4
| 01 52 27 59 1 prima cifra della soluzione
x 01 1(20*0+1)=1 +1
00 52 22 seconda cifra della soluzione
2x 00 44 2(20*1+2)=44 + 2
08 27 243 terza cifra della soluzione
24x 07 29 3(20*12+3)=729 + 3
98 59 2464 quarta cifra della soluzione
246x 98 56 4(20*123+4)=9856 4
00 03 L'algoritmo termina: la parte intera è 1234 ed il resto 3
Per adattare l'algoritmo ad una base b diversa da 10, basta sostituire la precedente definizione della y con la
. Usando la base binaria, l'algoritmo si semplifica molto, perché nel passo 2, per trovare la più grande cifra binaria
tale che
, si deve provare solo con
, cioè stabilire se 1002x + 1 ≤ c. Se la disuguaglianza è verificata, allora la nuova cifra del risultato è 1, altrimenti 0.
Stima asintotica del tempo impiegato dall'algoritmo
Per trovare ogni cifra del risultato (in base binaria) sono necessarie le seguenti operazioni:
- moltiplicare
per 1002 e aggiungere 1 (equivale ad accodare 01 alla scrittura binaria); - un confronto, cioè verificare se la disuguaglianza è soddisfatta;
- una differenza tra numeri che hanno al massimo un numero di cifre pari a quello del risultato.
Quindi per trovare la parte intera della radice di un intero
, è necessario un tempo
.
Implementazione con una funzione nel linguaggio C++
int intsqrt(int a, int* pr)
// Dato l'intero positivo a, calcola la parte intera della
// sua radice quadrata principale e il relativo resto;
// pone il resto in *pr e ritorna la radice
{
int x, r, dp1, L, g[10], j, y,yn;
// separa coppie di cifre e calcola numero delle cifre della radice
L=0;
while(a>0)
{
g[L++]=a%100;
a /= 100;
}
// corsa per individuare le successive cifre della radice
x=r=0;
for(j=L-1;j>=0;j--)
{
r=r*100+g[j]; //somma al resto precedente moltiplicato per 100 il nuovo gruppo di 2 cifre
y=0; // determina cifra
for(dp1=1;dp1<10;dp1++)
{
yn=dp1*(20*x+dp1);
if(yn<=r) y=yn; else break;
}
x=x*10+dp1-1; r -= y;
}
*pr=r;
return(x);
}
Calcolo della radice quadrata con qualsivoglia precisione [modifica]
Il precedente algoritmo può essere adattato per ottenere la radice di un numero dato da una scrittura decimale (o posizionale in qualsiasi base) con qualsivoglia precisione. Si voglia ad esempio la radice del numero a = 152.3469 con p=4 cifre decimali. Innanzitutto si considera il numero intero A = a * 100p+1 = 1523469000000; quindi con l'algoritmo precedente si trova la radice di A trovando la parte intera 1234288 e il resto 2134056. Dividendo la parte intera per 10p+1, cioè per la radice del precedente fattore moltiplicativo, si ottiene 12.34288 come valore per difetto. Si può quindi concludere che il valore cercato è 12.3429 e che costituisce un arrotondamento per eccesso.
Si trova però che questi calcoli su numeri interi sono più onerosi di calcoli approssimati basati su considerazioni geometriche sulla funzione radice quadrata, come gli altri qui presentati. I calcoli sugli interi peraltro sono stati utilizzati per verificare la precisione di calcoli di ispirazione geometrica.
Radici quadrate usando il metodo iterativo di Newton [modifica]
Il metodo di Newton trova una singola radice di una funzione
a partire dalla conoscenza di un'approssimazione sufficientemente precisa della radice. Questo metodo converge molto velocemente alla soluzione, richiede poche operazioni per ogni iterazione e, dal punto di vista computazionale è di facile implementazione (per questo viene usato in diverse librerie tra cui la Libreria standard del C). Esso si basa sull'iterazione espressa da:
.
Per trovare la radice quadrata di un numero z sono ampiamente utilizzate due particolari funzioni:
e
.
Primo metodo [modifica]
Il primo metodo ricerca la radice quadrata di z mediante la
Nota che sono radici della funzione
sia
che
, ovvero che
.
La derivata prima della funzione è 
Allora l'iterazione per
è ottenuta come:
e
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. |
Notare che corrisponde esattamente al metodo babilonese.
Secondo metodo [modifica]
Il secondo metodo ricerca il reciproco della radice quadrata di z mediante la funzione
,
funzione avente come radici
e
.
La derivata prima di questa funzione è
.
Quindi l'iterazione alla Newton per
è ottenuta come:
e
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Esempio [modifica]
Usiamo entrambi i metodi per trovare
.
poiché stiamo cercando la radice quadrata di 7
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Confronto [modifica]
L'iterazione per
implica una divisione che è più onerosa, in termini di tempi di calcolo, di una moltiplicazione tra interi. L'iterazione per
non implica divisioni ed è quindi raccomandata per z intero grande.
Questa iterazione usando g implica soltanto un elevamento al quadrato e due moltiplicazioni, in alternativa ad una divisione nel caso di f. Nella implementazione pratica di estrazione di radici quadrate di interi grandi, il calcolo iterativo che richiede g è più veloce per interi grandi z, poiché la divisione è al massimo
, che è un fattore costante del tempo di moltiplicazione. Il termine costante è quasi sempre 3 o più, in quanto una singola divisione con la maggior parte dei dispositivi di calcolo è più veloce di tre moltiplicazioni.
Approssimazione semplice [modifica]
Questo metodo di approssimazione, come dice il nome, è piuttosto semplice, ma può essere altresì altamente impreciso. L'entità dell'imprecisione per questa approssimazione è dipendente dal valore dell'espressione
: quanto più grande è il suo valore, tanto maggiore è l'imprecisione del risultato approssimato.
Costruzione [modifica]
Siano N > 0 e d > 0, allora



.
Dunque il valore di
deve stare tra
e
. Si considera quindi l'approssimazione
ovvero
Esempio:
- Per approssimare la radice di 39, si sostituisce 39 con la somma di un quadrato noto e del valore d pari alla differenza (in questo caso
).
che approssima discretamente il valore effettivo di 6,244997.
Metodo delle equazioni quadratiche [modifica]
La soluzione al problema della ricerca di un valore iniziale ottimale per trovare
dove 1 < r < 100 può essere risolto in questo modo:
| Per radici quadrate di valori maggiori di 100, si usa la seguente identità:
Per radici quadrate di valori minori di 1, si usa la seguente identità |
Usando l'equazione
dove
e 
Risolvere
utilizzando la formula dell'equazione quadratica, scegliendo la soluzione che soddisfa la condizione
.
La soluzione finale è:
L'ovvio problema è che non possiamo valutare le soluzioni dell'equazione quadratica senza l'uso della funzione radice quadrata. Tuttavia possiamo fare in modo che il serpente morda la propria coda.
- Sia

- Allora

- E

Così l'equazione quadratica diventa:
Iterando per
quanto più possibile porta a
Reciprocamente
Così la soluzione finale diventa
Andiamo più a fondo sostituendo a destra
la sua stessa definizione:
Rinormalizzando
Iterando ulteriormente
E avanti così
Esempio di uso del metodo dell'equazione quadratica [modifica]
Trovare 
- Utilizzando l'identità

- Prima trovare
.
Così
perché 
Usando la formula dell'equazione quadratica, otteniamo le due soluzioni:
- sol1 = - 0,165 o sol2 = 25,7519
Scegliamo sol2 dato che soddisfa la condizione
.
- Quindi

Alternativamente
E la soluzione finale è
Voci correlate [modifica]
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|
e inizia con un valore arbitrario positivo 














;






il numero così ottenuto (valore corrente).
non superi
da
per 1002 e aggiungere 1 (equivale ad accodare 01 alla scrittura binaria);
.


.





.
poiché stiamo cercando la radice quadrata di 7





















.

).





























