Orden de convergencia

Convergencia lineal, cuadrática y superlineal, y cómo leer el orden en la sucesión de errores.

Autor

Arturo Sanjuán

Fecha de publicación

15 de octubre de 2026

Recordemos el análisis de la serie de errores del método de punto fijo, que vimos en la nota de raíces y puntos fijos, y usémoslo para darle nombre a la velocidad con que converge un método. Después lo aplicamos a Newton, que vimos en la nota anterior, y a la secante. Seguimos las secciones 4.2, 4.3 y 4.4 del libro de Driscoll y Braun.

1 El error en la iteración de punto fijo

Sea \(p\) la solución exacta, es decir, \(g(p)=p\) o, de forma equivalente, \(f(p)=g(p)-p=0\). El error absoluto en el paso \(k\) es \(\varepsilon_k=x_k-p\). Como \(x_{k+1}=g(x_k)\), expandiendo \(g\) en Taylor alrededor de \(p\) y usando \(g(p)=p\),

\[\varepsilon_{k+1}+p=g(p+\varepsilon_k)=g(p)+g'(p)\,\varepsilon_k+o(\varepsilon_k)=p+g'(p)\,\varepsilon_k+o(\varepsilon_k).\]

Para \(\varepsilon_k\) pequeño el resto \(o(\varepsilon_k)\) se puede despreciar, y queda

\[\boxed{\varepsilon_{k+1}\approx g'(p)\,\varepsilon_k.}\]

Ya vimos que para que el método funcione cerca de una semilla se requiere \(|g'(p)|<1\), y que entonces el error decrece como un múltiplo escalar del error anterior. Esto motiva la definición.

2 Convergencia lineal

ImportanteDefinición: convergencia lineal

Si \(x_k\to x^*\) y el error \(\varepsilon_k=x_k-x^*\) satisface

\[\lim_{k\to\infty}\frac{|\varepsilon_{k+1}|}{|\varepsilon_k|}=\sigma<1,\]

se dice que la convergencia es lineal.

En el punto fijo, \(\sigma=|g'(p)|\). Supongamos que la razón es exactamente \(\sigma\) en cada paso. Entonces

\[|\varepsilon_k|=\sigma\,|\varepsilon_{k-1}|=\sigma^2\,|\varepsilon_{k-2}|=\cdots=\sigma^k\,|\varepsilon_0|=\sigma^k c,\qquad c=|\varepsilon_0|,\]

de donde, al tomar logaritmos,

\[\log|\varepsilon_k|=k\log\sigma+\log c.\]

Es una relación lineal entre \(\log|\varepsilon_k|\) y \(k\), con pendiente \(\log\sigma<0\): si graficamos los errores en escala logarítmica contra \(k\), aparece una recta. De ahí el nombre.

Por ejemplo, para \(g(x)=\cos x\) y \(x_0=1\), el punto fijo es \(p\approx0{,}7390851\) y \(g'(p)=-\operatorname{sen}(p)\approx-0{,}67361\). Los cocientes \(\varepsilon_{k+1}/\varepsilon_k\) se acercan a ese valor, alternando de signo porque \(g'(p)<0\), de modo que \(\sigma\approx0{,}6736\):

\(k\) \(\varepsilon_k\) \(\varepsilon_{k+1}/\varepsilon_k\)
\(0\) \(0{,}26091\) \(-0{,}76187\)
\(5\) \(-0{,}037716\) \(-0{,}65952\)
\(10\) \(0{,}0051522\) \(-0{,}67551\)
\(20\) \(9{,}9267\times10^{-5}\) \(-0{,}67365\)
\(30\) \(1{,}9095\times10^{-6}\) \(-0{,}67361\)

3 Convergencia cuadrática: el método de Newton

Veamos ahora la convergencia del método de Newton con este lenguaje del error; en la nota anterior vimos que era cuadrática. Sea \(r\) una raíz de \(f\) con \(f'(r)\ne0\), y \(f\) dos veces diferenciable cerca de \(r\). Con \(\varepsilon_k=x_k-r\), restando \(r\) a ambos lados de \(x_{k+1}=x_k-f(x_k)/f'(x_k)\) se obtiene

\[\varepsilon_{k+1}=\varepsilon_k-\frac{f(r+\varepsilon_k)}{f'(r+\varepsilon_k)}.\]

Hacemos una expansión de Taylor de orden 2 en \(f\) y de orden 1 en \(f'\). Como \(f(r)=0\),

\[\varepsilon_{k+1}=\varepsilon_k-\frac{f'(r)\,\varepsilon_k+\tfrac12f''(r)\,\varepsilon_k^2+o(\varepsilon_k^2)}{f'(r)+f''(r)\,\varepsilon_k+o(\varepsilon_k)}=\varepsilon_k-\varepsilon_k\,\frac{1+\dfrac{f''(r)}{2f'(r)}\,\varepsilon_k+o(\varepsilon_k)}{1+\dfrac{f''(r)}{f'(r)}\,\varepsilon_k+o(\varepsilon_k)}.\]

El denominador es \(1+\dfrac{f''(r)}{f'(r)}\varepsilon_k+o(\varepsilon_k)\), con \(\left|\dfrac{f''(r)}{f'(r)}\varepsilon_k\right|<1\) porque \(\varepsilon_k\) es pequeño. Por la serie geométrica,

\[\frac{1}{1+\dfrac{f''(r)}{f'(r)}\,\varepsilon_k+o(\varepsilon_k)}=1-\frac{f''(r)}{f'(r)}\,\varepsilon_k+o(\varepsilon_k),\]

de donde

\[\begin{aligned} \varepsilon_{k+1}&=\varepsilon_k-\varepsilon_k\left(1+\frac{f''(r)}{2f'(r)}\,\varepsilon_k+o(\varepsilon_k)\right)\left(1-\frac{f''(r)}{f'(r)}\,\varepsilon_k+o(\varepsilon_k)\right)\\ &=\varepsilon_k-\varepsilon_k\left(1-\frac{f''(r)}{2f'(r)}\,\varepsilon_k+o(\varepsilon_k)\right)\\ &=\frac12\,\frac{f''(r)}{f'(r)}\,\varepsilon_k^2+o(\varepsilon_k^2). \end{aligned}\]

ImportanteDefinición: convergencia cuadrática

Si \(x_k\to x^*\) y el error \(\varepsilon_k=x_k-x^*\) satisface

\[\lim_{k\to\infty}\frac{|\varepsilon_{k+1}|}{|\varepsilon_k|^2}=L>0,\]

se dice que la convergencia es cuadrática.

Es el caso de Newton: dividiendo el resultado anterior por \(\varepsilon_k^2\),

\[\frac{|\varepsilon_{k+1}|}{|\varepsilon_k|^2}=\frac12\left|\frac{f''(r)}{f'(r)}\right|+o(1),\]

y tomando \(k\to\infty\) a ambos lados, \(L=\dfrac12\dfrac{|f''(r)|}{|f'(r)|}\), que es positivo siempre que \(f''(r)\ne0\). Tomando logaritmos en \(|\varepsilon_{k+1}|\approx L\,|\varepsilon_k|^2\),

\[\log|\varepsilon_{k+1}|\approx2\log|\varepsilon_k|+\log L,\qquad\frac{\log|\varepsilon_{k+1}|}{\log|\varepsilon_k|}\approx2+\frac{\log L}{\log|\varepsilon_k|}\longrightarrow2\quad(k\to\infty),\]

porque \(\log|\varepsilon_k|\to-\infty\). En palabras, cada paso de Newton duplica aproximadamente el número de cifras correctas.

ImportanteDefinición: convergencia superlineal

Si \(x_k\to x^*\) y existen constantes \(\alpha>1\) y \(L>0\) tales que

\[\lim_{k\to\infty}\frac{|\varepsilon_{k+1}|}{|\varepsilon_k|^\alpha}=L,\]

se dice que la convergencia es superlineal de orden \(\alpha\). Con \(\alpha=2\) es cuadrática, y con \(\alpha>2\) se llama supercuadrática.

4 La secante: superlineal, pero no cuadrática

En el método de Newton reemplacemos \(f'(x_k)\) por una pendiente \(m\) que aproxime la tangente: la de la recta secante por los dos últimos puntos de la gráfica,

\[m=\frac{f(x_k)-f(x_{k-1})}{x_k-x_{k-1}}.\]

El método de la secante es entonces

\[x_{k+1}=x_k-\frac{f(x_k)}{m}=x_k-f(x_k)\,\frac{x_k-x_{k-1}}{f(x_k)-f(x_{k-1})},\]

y necesita dos iterados iniciales. Geométricamente, \(x_{k+1}\) es el punto donde la recta secante corta el eje horizontal.

Interpretación gráfica del método de la secante: el siguiente iterado es donde la recta por los dos últimos puntos corta el eje xₖ₋₁ xₖ xₖ₊₁ r pendiente m

4.1 El error de la secante

Con \(\varepsilon_j=x_j-r\) se tiene \(x_k-x_{k-1}=\varepsilon_k-\varepsilon_{k-1}\), y restando \(r\) en la fórmula anterior,

\[\varepsilon_{k+1}=\varepsilon_k-f(x_k)\,\frac{\varepsilon_k-\varepsilon_{k-1}}{f(x_k)-f(x_{k-1})}.\]

Llevando todo al denominador común \(f(x_k)-f(x_{k-1})\), los términos \(\varepsilon_k f(x_k)\) se cancelan:

\[\varepsilon_{k+1}=\frac{\varepsilon_k\,[f(x_k)-f(x_{k-1})]-f(x_k)\,(\varepsilon_k-\varepsilon_{k-1})}{f(x_k)-f(x_{k-1})}=\frac{f(x_k)\,\varepsilon_{k-1}-f(x_{k-1})\,\varepsilon_k}{f(x_k)-f(x_{k-1})}.\]

Expandimos ahora con Taylor de orden 2 alrededor de \(r\): \(f(x_j)=f'(r)\,\varepsilon_j+\tfrac12f''(r)\,\varepsilon_j^2+o(\varepsilon_j^2)\) para \(j=k,k-1\). En el numerador, los términos con \(f'(r)\) se cancelan entre sí y queda

\[f(x_k)\,\varepsilon_{k-1}-f(x_{k-1})\,\varepsilon_k=\tfrac12f''(r)\,\varepsilon_k^2\varepsilon_{k-1}-\tfrac12f''(r)\,\varepsilon_{k-1}^2\varepsilon_k+\cdots=\tfrac12f''(r)\,\varepsilon_k\varepsilon_{k-1}\,(\varepsilon_k-\varepsilon_{k-1})+\cdots,\]

mientras que el denominador es \(f'(r)\,(\varepsilon_k-\varepsilon_{k-1})+\cdots\). Por lo tanto

\[\varepsilon_{k+1}\approx\frac{\tfrac12f''(r)\,\varepsilon_k\varepsilon_{k-1}\,(\varepsilon_k-\varepsilon_{k-1})}{f'(r)\,(\varepsilon_k-\varepsilon_{k-1})}=\frac12\,\frac{f''(r)}{f'(r)}\,\varepsilon_k\varepsilon_{k-1}.\]

Los puntos suspensivos también llevan el factor \(\varepsilon_k-\varepsilon_{k-1}\): un término \(c_i\varepsilon^i\) del desarrollo de \(f\), con \(i\ge2\), aporta \(c_i\,\varepsilon_k\varepsilon_{k-1}\,(\varepsilon_k^{\,i-1}-\varepsilon_{k-1}^{\,i-1})\) al numerador, y con \(i\ge1\) aporta \(c_i\,(\varepsilon_k^{\,i}-\varepsilon_{k-1}^{\,i})\) al denominador. Ambos son divisibles por \(\varepsilon_k-\varepsilon_{k-1}\), y por eso la cancelación es legítima.

\[\boxed{\varepsilon_{k+1}\approx\frac12\,\frac{f''(r)}{f'(r)}\,\varepsilon_k\varepsilon_{k-1}}\]

Si \(\varepsilon_{k-1}\) fuera igual a \(\varepsilon_k\), la secante sería la tangente y recuperaríamos la fórmula de Newton, \(\varepsilon_{k+1}\approx\frac12\frac{f''(r)}{f'(r)}\varepsilon_k^2\).

4.2 El orden de la secante

Como \(\varepsilon_{k+1}\) depende de los dos errores anteriores, no sabemos de antemano a qué potencia de \(\varepsilon_k\) es proporcional. Supongamos que los errores tienen esta forma, con \(c>0\) y \(\alpha>0\):

\[|\varepsilon_{k+1}|=c\,|\varepsilon_k|^\alpha,\qquad|\varepsilon_k|=c\,|\varepsilon_{k-1}|^\alpha.\]

Sea \(C=\left|\dfrac{f''(r)}{2f'(r)}\right|\). Por la fórmula del error de la secante,

\[|\varepsilon_{k+1}|\approx C\,|\varepsilon_k|\,|\varepsilon_{k-1}|=C\,c\,|\varepsilon_{k-1}|^{\alpha+1},\]

y por otro lado

\[|\varepsilon_{k+1}|=c\,|\varepsilon_k|^\alpha=c\,\big(c\,|\varepsilon_{k-1}|^\alpha\big)^\alpha=c^{1+\alpha}\,|\varepsilon_{k-1}|^{\alpha^2}.\]

Igualando ambas expresiones,

\[|\varepsilon_{k-1}|^{\alpha^2-\alpha-1}\approx C\,c^{-\alpha}.\]

El lado derecho es una constante positiva, mientras que \(|\varepsilon_{k-1}|\to0\). Esto solo es posible si el exponente es cero, es decir, si

\[\alpha^2=\alpha+1\qquad\Longrightarrow\qquad\alpha=\frac{1+\sqrt5}{2}=\phi\approx1{,}618,\]

la razón áurea, que es la única raíz positiva. De paso, la constante queda determinada por \(c^\alpha=C\), o sea \(c=\left|\dfrac{f''(r)}{2f'(r)}\right|^{\alpha-1}\), porque \(1/\phi=\phi-1\).

Entonces los errores de la secante satisfacen

\[\lim_{k\to\infty}\frac{|\varepsilon_{k+1}|}{|\varepsilon_k|^\alpha}=L>0,\qquad\alpha=\frac{1+\sqrt5}{2}\in(1,2),\]

es decir, la convergencia es superlineal pero no cuadrática. Tomando logaritmos a ambos lados, \(\log|\varepsilon_{k+1}|\approx\alpha\log|\varepsilon_k|+\log L\), de donde

\[\frac{\log|\varepsilon_{k+1}|}{\log|\varepsilon_k|}\longrightarrow\alpha.\]

5 Leer el orden en la práctica

La sucesión de cocientes \(\log|\varepsilon_{k+1}|/\log|\varepsilon_k|\) sirve en general: su límite \(\alpha\) es el orden de convergencia del algoritmo que estemos probando. Para calcularla necesitamos errores, así que usamos aritmética de precisión extendida (200 dígitos) y una raíz de referencia calculada con mucha más precisión que los iterados. En doble precisión el error llega a \(10^{-16}\) en pocos pasos y la sucesión se estanca antes de mostrar la tendencia.

Tomamos \(f(x)=xe^x-2\), cuya raíz es \(r\approx0{,}8526055020137255\). Con Newton desde \(x_0=1\):

\(k\) \(\lvert\varepsilon_k\rvert\) \(\log\lvert\varepsilon_{k+1}\rvert\big/\log\lvert\varepsilon_k\rvert\) \(\lvert\varepsilon_{k+1}\rvert\big/\lvert\varepsilon_k\rvert^2\)
\(0\) \(0{,}1474\) \(2{,}184\) \(0{,}70305\)
\(1\) \(0{,}01527\) \(2{,}065\) \(0{,}76244\)
\(2\) \(1{,}779\times10^{-4}\) \(2{,}030\) \(0{,}76980\)
\(3\) \(2{,}436\times10^{-8}\) \(2{,}015\) \(0{,}76989\)
\(4\) \(4{,}567\times10^{-16}\) \(2{,}007\) \(0{,}76989\)
\(5\) \(1{,}606\times10^{-31}\) \(2{,}004\) \(0{,}76989\)

El cociente de logaritmos tiende a \(2\), y el cociente \(|\varepsilon_{k+1}|/|\varepsilon_k|^2\) se estabiliza en \(0{,}76989\), que es justamente \(\frac12|f''(r)/f'(r)|\). Con la secante, partiendo de \(x_1=1\) y \(x_2=0{,}5\):

\(k\) \(\lvert\varepsilon_k\rvert\) \(\log\lvert\varepsilon_{k+1}\rvert\big/\log\lvert\varepsilon_k\rvert\)
\(4\) \(0{,}01303\) \(1{,}787\)
\(5\) \(4{,}275\times10^{-4}\) \(1{,}594\)
\(6\) \(4{,}270\times10^{-6}\) \(1{,}649\)
\(7\) \(1{,}405\times10^{-9}\) \(1{,}619\)
\(8\) \(4{,}620\times10^{-15}\) \(1{,}625\)
\(9\) \(4{,}999\times10^{-24}\) \(1{,}620\)
\(10\) \(1{,}778\times10^{-38}\) \(1{,}620\)
\(11\) \(6{,}845\times10^{-62}\) \(1{,}619\)

El cociente de logaritmos se acerca a \(\phi\approx1{,}618\). El cociente \(|\varepsilon_{k+1}|/|\varepsilon_k|^\alpha\) oscila alrededor de \(0{,}85\) y se acerca lentamente al valor que predice la deducción, \(\left|\frac{f''(r)}{2f'(r)}\right|^{\alpha-1}\approx0{,}8508\).

Para convergencia lineal el cociente de logaritmos también tiende a \(\alpha=1\), pero muy despacio: con \(|\varepsilon_k|=\sigma^kc\) vale \(1+\dfrac{\log\sigma}{k\log\sigma+\log c}\), que decrece como \(1/k\). En la iteración \(x_{k+1}=\cos x_k\) de arriba vale \(1{,}20\) en \(k=0\) y todavía \(1{,}02\) en \(k=39\). Para detectar una convergencia lineal conviene mirar directamente el cociente \(\varepsilon_{k+1}/\varepsilon_k\).

NotaTarea

Resuelva todos los ejercicios de las secciones 4.2, 4.3 y 4.4 de Fundamentals of Numerical Computation (iteración de punto fijo, método de Newton y métodos basados en interpolación), disponibles en https://fncbook.com/julia/fixed-point/#exercises, https://fncbook.com/julia/newton/#exercises y https://fncbook.com/julia/secant/#exercises.