Newton-Raphson-Division
# Newton-Raphson-Division

Das Newton–Raphson-Divisions-Verfahren benutzt das Newton-Verfahren, um den Kehrwert eines Nenners $N\in \mathbb {N}$ zu finden und diesen mit einem Zähler $Z\in \mathbb {Z}$ zu multiplizieren für das Ergebnis des Quotienten $Q:=Z/N$.

Wegen der besonderen Bedeutung für die Computertechnik wird das Verfahren im Folgenden für das Dualsystem vorgestellt. Es lässt sich aber auch bei jeder anderen Basis anwenden.

## Schritte

Die Schritte des Newton–Raphson-Divisionsverfahrens sind:

* Finden einer ersten Näherung $X_{0}$ für den Kehrwert $1/N$ des Nenners $N$.
* Berechnen immer besserer Näherungen $X_{1},X_{2},\ldots ,X_{S}$ des Kehrwerts. Hier wird vom Newton-Verfahren Gebrauch gemacht.
* Berechnen des Quotienten durch Multiplikation des Zählers mit dem Kehrwert des Nenners: $Q=ZX_{S}$.

## Newton-Verfahren

Die Anwendung des Newton-Verfahrens benötigt eine Funktion $f(X)$, die eine Nullstelle bei $X=1/N$ hat. Die naheliegende Funktion $f(X)=NX-1$ hat triviale für das Newton-Verfahren untaugliche Ableitungen. Eine brauchbare Funktion ist $f(X)=1/X-N$ mit $f'(X)=-1/X^{2}$. Wegen $f'(X)<0$ schneidet der Graph der Funktion die $X$-Achse transversal, d. h. nicht-berührend. Für die Newton–Iteration ist

    $X_{i+1}=X_{i}-{f(X_{i}) \over f'(X_{i})}=X_{i}-{1/X_{i}-N \over -1/X_{i}^{2}}=X_{i}+X_{i}(1-NX_{i})=X_{i}(2-NX_{i})$,

was ausgehend von $X_{i}$ ausschließlich über Multiplikation und Subtraktion (oder zwei fused multiply-add-Operationen) berechnet werden kann.

## Konvergenzgeschwindigkeit

Wenn der Fehler als $\epsilon _{i}=NX_{i}-1$ definiert ist, dann ist:

    ${\begin{aligned}\epsilon _{i+1}&=NX_{i+1}-1\\&=N(X_{i}(2-NX_{i}))-1\\&=2NX_{i}-N^{2}X_{i}^{2}-1\\&=-(N^{2}X_{i}^{2}-2NX_{i}+1)\\&=-(NX_{i}-1)^{2}\\&=-{\epsilon _{i}}^{2}.\\\end{aligned}}$

Diese Quadrierung des Fehlers bei jedem Schritt – die sog. quadratische Konvergenz des Newton-Verfahrens – sorgt dafür, dass die Anzahl der korrekten Ziffern sich bei jeder Iteration in etwa verdoppelt; eine Eigenschaft die beim Rechnen mit Langzahlen besonders wertvoll ist.

Da für diese Methode die Konvergenzgeschwindigkeit exakt quadratisch ist, folgt, dass

    $S=\left\lceil \log _{2}{\frac {P+1}{\log _{2}17}}\right\rceil \,$

Schritte für eine Genauigkeit von $P$ Binärstellen ausreichen. Das sind 3 für single und 4 für sowohl double wie extended precision IEEE 754 Formate.

## Finden einer ersten Näherung

Durch Bitverschiebungen kann der Nenner $N$ ins Intervall $0{,}5\leq N<1$ gebracht werden. Dieselbe Anzahl Shifts sollte der Zähler $Z$ erfahren, so dass der Quotient ungeändert bleibt. Danach kann man eine lineare Approximation der Form

    ${\frac {1}{N}}:\approx X_{0}:=T_{1}+T_{2}N$ mit $T_{1}:={\frac {48}{17}}$ und $T_{2}:=-{\frac {32}{17}}$

anwenden, um das Verfahren zu initialisieren.

Die Koeffizienten $T_{1}$ und $T_{2}$ dieser linearen (Polynomgrad 1) Approximation ergeben sich folgendermaßen. Der relative Fehler ist $|(T_{1}+T_{2}N-1/N)/(1/N)|=|N(T_{1}+T_{2}N)-1|$. Der Minimalwert des maximalen solchen Fehlers im Intervall $[0{,}5\,;\,1[$ wird gegeben durch den Alternantensatz von Tschebyscheff angewendet auf die Funktion $F(N)=N(T_{1}+T_{2}N)-1$. Das lokale Extremum von $F(N)$ findet statt, wenn $F'(N)=0$ ist, was die Lösung $N=-T_{1}/(2T_{2})$ hat. Nach dem genannten Alternantensatz muss diese Funktion am Extremum (im Inneren) das umgekehrte Vorzeichen als an den Rändern des Intervalls haben, also $F(1/2)=F(1)=-F(-T_{1}/(2T_{2}))$. Für die zwei Unbekannten in den zwei Gleichungen ergibt sich die Lösung $T_{1}=48/17$ und $T_{2}=-32/17$, und der maximale relative Fehler ist $F(1)=1/17$. Nach dieser Approximation ist der relative Fehler des Anfangswertes

    $\vert \epsilon _{0}\vert \leq {1 \over 17}\approx 0{,}059.$

## Pseudocode

Das Folgende berechnet den Quotienten von $Z$ und $N$ mit einer Genauigkeit von $P$ Binärstellen:

Diese Methode benötigt bspw. für eine double-precision Gleitkomma-Division 10 Multiplikationen, 9 Additionen und 2 Shifts.

