Lezione 8 · Canale 1 · mercoledì 7 ottobre 2026
Successioni, Newton e ottimizzazione
Programmazione Matematica
Algoritmi come successioni
Un algoritmo numerico genera una successione di punti che, se funziona, si avvicina alla soluzione. Progettarlo significa trovare la regola che passa da un punto al successivo. Qui la regola nasce sempre dallo stesso passo: al posto di si usa la sua approssimazione lineare, di cui si sa risolvere il problema.
Il metodo di Newton per uno zero
Si cerca lo zero di una funzione non lineare di una variabile. Se fosse lineare basterebbe un'equazione di primo grado. Da un punto qualsiasi si costruisce allora l'approssimazione lineare
e si chiama il punto che la annulla. Se :
Si ripete da , poi da , e così via. Per l'iterazione generica:
Geometricamente l'approssimazione lineare è la tangente al grafico: è l'intersezione della tangente in con l'asse . Il metodo si generalizza ai sistemi di equazioni non lineari in variabili.
Minimizzare: il metodo del gradiente
Si vuole risolvere
cioè esiste ed è continua. Per una funzione complicata lo studio di crescenza e decrescenza non porta al minimo: serve una regola che generi una successione di punti verso di esso.
Da si usa la stessa approssimazione lineare . Si vuole tale che , cioè
Il segno di dice da che parte andare:
- se serve ;
- se serve .
Le due regole si riuniscono in una sola: ci si sposta nel verso opposto alla derivata,
Con questa scelta, se , si ha per ogni . Ma non è lineare: la retta scende, la funzione vera può risalire. Il passo deve essere abbastanza piccolo da avere .
Lo si trova per tentativi, a ogni iterazione:
- si parte da , cioè da alla prima iterazione;
- se lo si tiene;
- altrimenti e si riprova.
Si dimostra che, con , un passo sufficientemente piccolo produce la diminuzione: il dimezzamento prima o poi la ottiene. La successione è
e il procedimento si chiama metodo del gradiente: in una variabile il gradiente è la derivata.
Il metodo del gradiente a più passi
Nell'addestramento delle reti neurali i pesi si aggiornano con questa regola, e il passo si chiama anche learning rate. Backpropagation indica soltanto le formule ricorsive che calcolano le derivate prime di una funzione complessa, non la regola di ottimizzazione.
Bolzano-Weierstrass per successioni in
Per è noto: una successione limitata ha almeno una sottosuccessione convergente. Per si considerano successioni . Per semplicità , con la componente di .
Se è limitata, lo è ciascuna componente. Si estrae una sottosuccessione per volta, ognuna dentro la precedente:
- limitata esiste con , per esempio ;
- limitata esiste con , per esempio ;
- limitata esiste con , per esempio .
Una sottosuccessione di una successione convergente converge allo stesso limite. Lungo le tre componenti convergono insieme:
Lo stesso argomento vale per un numero qualunque di componenti, in qualsiasi ordine.
Corollario (senza dimostrazione). Se e è compatto, cioè chiuso e limitato, esiste una sottosuccessione che converge a un . La limitatezza dà la sottosuccessione convergente, la chiusura dà .
Versione per insiemi
è un punto di accumulazione per se ogni intorno contiene un punto di diverso da .
Teorema. Se è limitato e formato da infiniti punti, esiste punto di accumulazione per .
Dimostrazione. Per ipotesi esiste una successione di infiniti punti distinti di , limitata perché lo è. Per il teorema precedente esiste con . Dunque per ogni esiste tale che
cioè . I punti sono distinti: al più uno coincide con , quindi per grande . Ogni contiene allora un punto di diverso da .
Il teorema ponte
Collega i limiti di funzione a quelli di successione. Senza dimostrazione. Sia e punto di accumulazione per (così il limite in ha senso). Allora
dove può essere finito oppure .
Il punto delicato è «per ogni successione»: le successioni possibili sono infinite e non si controllano tutte. Ne seguono due usi:
- Non esistenza. Due successioni che tendono a ma con che tende a valori diversi bastano a escludere il limite.
- Esistenza. Controllare un numero finito di successioni, anche cento, suggerisce il valore del limite ma non lo dimostra. Per dimostrarlo si torna alla definizione, con gli intorni e .
Esempio: un limite che non esiste
è tutto meno la retta . È aperto, e ogni punto di , origine compresa, è di accumulazione per : il limite per ha senso. Si usano
Entrambe stanno in e tendono a . Ma
quindi e . Per il teorema ponte il limite di per non esiste.
Due successioni verso l'origine
- retta , esclusa dal dominio
Continuità
Sia e .
Se è un punto isolato di , per convenzione è continua in : non si può fare il limite. Se è di accumulazione per , è continua in quando
Il valore esiste perché . Una funzione è continua in se è continua in ogni punto di .
Per non cambia niente: stessa definizione, con punti di e intorni in .
Formulario
Approssimazione lineare
Newton
Gradiente
Passo accettato se
altrimenti
Bolzano-Weierstrass: limitata
Punto di accumulazione per
Teorema ponte
Continuità in di accumulazione