形式陈述
一组区间数据代表哪些方程
把实区间 理路 验证数值计算与区间算术 Verified numerics · Validated numerics · Interval arithmetic 用向外舍入的区间运算构造包含真实结果的可检查外包络,并分辨可靠包含与界的紧致程度。 逐项放进矩阵和向量,写成
A = [ A c − Δ , A c + Δ ] , b = [ b c − δ , b c + δ ] , Δ , δ ≥ 0. 以下矩阵为实 n × n 方阵,n ≥ 1 ,所有不等式和绝对值均逐分量解释。区间内各系数可以独立取值。它们定义一族线性方程组 理路 线性方程组 System of linear equations 可写为矩阵方程 Ax=b 的有限个一次方程系统。 A x = b ,而非一个普通矩阵方程。其联合解集是
(1) Σ ( A , b ) = { x ∈ R n : ∃ A ∈ A , ∃ b ∈ b , A x = b } . 这里同一个 x 只需对应一组合法数据。说 Σ ⊆ X ,则是在说所有合法点系统的每个解都落进外包围 X ;这不要求所有系统共享同一个解。称 A 正则,是指其中每个点矩阵都可逆,不只是中心矩阵可逆。
一个精确的成员判据
Oettli–Prager判据把式(1)中的数据存在量词消去:
(2) x ∈ Σ ( A , b ) ⟺ | A c x − b c | ≤ Δ | x | + δ . 它判断一个指定向量能否由允许的数据产生;并未声称解集是盒,也没有自动算出最窄包围。[1]
必要性直接来自 A = A c + E 、b = b c + e :A c x − b c = e − E x ,而 | E | ≤ Δ 、| e | ≤ δ 。充分性也可以逐行构造。设 r = A c x − b c 、s i = ( Δ | x | + δ ) i 。若 s i > 0 ,取 θ i = r i / s i ,并令
e i = θ i δ i , E i j = − θ i Δ i j sgn ( x j ) . 约定 sgn ( 0 ) = 0 。由 | θ i | ≤ 1 ,这些扰动都合法,且 e i − ∑ j E i j x j = θ i s i = r i 。若 s i = 0 ,式(2)迫使 r i = 0 ,该行取零扰动即可。于是构造出的 A , b 确实满足 A x = b 。
不显式求区间逆的统一证书
给定一个实矩阵 C 和候选中心 x 0 。用可靠区间运算算出非负上界
G ≥ mag ( I − C A ) , z ≥ mag ( C ( b − A x 0 ) ) , 其中区间的 mag 是绝对值的最大值。若找到逐分量正向量 w ,使 G w < w ,便有
(3) q := max i ( G w ) i w i < 1. 此时 A 正则,C 也可逆。再找到非负向量 r 满足
(4) z + G r ≤ r , 就得到所有点系统的统一包围
(5) Σ ( A , b ) ⊆ x 0 + [ − r , r ] . 式(3)和式(4)是两件事:前者认证逆问题确实成立,后者认证给出的半径够大。若 z = 0 , r = 0 ,式(4)即使对奇异系统也可能成立,因而不能单独替代式(3)。
直觉
先把近似中心代回所有允许方程,z 记录预条件后的最坏缺口。G 则记录校正一次后还会留下多少旧误差。式(4)的意思是:外来缺口加上旧误差的残留,仍装得进预留半径。加权向量 w 允许不同坐标有不同自然尺度。
为什么这确实控制全部数据
使用由诱导矩阵范数 理路 矩阵范数与诱导算子范数 Matrix norm · Induced matrix norm · Operator norm of a matrix 用诱导范数和常用可计算矩阵范数度量线性映射的放大能力,并区分算子范数、Frobenius 范数与谱半径。 得到的加权最大范数
‖ v ‖ w = max i | v i | / w i . 对任意 A ∈ A ,有 ‖ I − C A ‖ w ≤ q < 1 。因此几何级数 ∑ k ≥ 0 ( I − C A ) k 收敛并是 C A 的逆;方阵乘积可逆也迫使 A , C 各自可逆。注意这里没有把“C 是计算出来的近似逆”当作未经验证的前提。
固定任意合法 A , b ,其唯一解误差 e = A − 1 b − x 0 满足
e = C ( b − A x 0 ) + ( I − C A ) e . 展开几何级数并逐项取绝对值,得 | e | ≤ ∑ k ≥ 0 G k z 。另一方面,由式(4)归纳得 ∑ k = 0 m − 1 G k z ≤ r − G m r ≤ r 。令 m → ∞ 就得到式(5)。证明对每组数据都相同,因此给的是整族的包围。
例子与边界
一个可以全用分数复算的二维例子
取
A = ( 1 [ − 1 / 5 , 1 / 5 ] [ − 1 / 10 , 1 / 10 ] 1 ) , b = ( 1 1 ) , C = I , x 0 = ( 1 1 ) . 可取 G = ( 0 1 / 5 1 / 10 0 ) 、z = ( 1 / 5 , 1 / 10 ) T 。用 w = ( 1 , 1 ) T 得 q = 1 / 5 。解 r = z + G r 得
(6) r = ( 11 / 49 6 / 49 ) , x 1 ∈ [ 38 / 49 , 60 / 49 ] , x 2 ∈ [ 43 / 49 , 55 / 49 ] . 把两个非对角元同时取负端点,精确解为 ( 60 / 49 , 55 / 49 ) T ,所以这两个上端点确实能达到。下端点只是安全界,不因此宣称式(6)是最窄盒。成员判据在本例化为
| x 1 − 1 | ≤ | x 2 | / 5 , | x 2 − 1 | ≤ | x 1 | / 10. 读者可用它逐点检验包围内哪些位置真能由合法矩阵产生。
量词和相关性不能省略
标量 a , b ∈ [ 1 , 2 ] 独立变化时,联合解集为 { b / a } = [ 1 / 2 , 2 ] 。若问题改为“这个 x 对每个 a ∈ [ 1 , 2 ] 都能找到一个 b ∈ [ 1 , 2 ] 使 a x = b ”,则要求 [ x , 2 x ] ⊆ [ 1 , 2 ] ,只剩 x = 1 。改变数据量词就改变了问题。
若真实模型规定 a = b ∈ [ 1 , 2 ] ,同样只可能有 x = 1 。把这两个出现位置改成可独立取值的区间,会得到较大的 [ 1 / 2 , 2 ] ;它仍是外包围,却丢失了参数关系。式(2)的充分性依赖逐项独立选取数据,不能原封不动用于带相关性或对称性约束的矩阵族。
中心矩阵可逆也不保证整族正则,例如 [ 1 − 2 , 1 + 2 ] = [ − 1 , 3 ] 包含零。反过来,式(3)检验失败只是这个充分判据未成功,不能推断区间中必有奇异矩阵。
推论与应用
计算 C 可先用普通近似算法;认证阶段必须可靠地包住 I − C A 和残差,包括端点运算误差。稠密无结构矩阵下,形成 C 和矩阵乘积的常见算术成本是 O ( n 3 ) ,检查给定 w , r 只需 O ( n 2 ) ;这是浮点或有理算术操作数,有理数位长还需另计。这里交付充分包围,没有求解最窄区间逆的问题。
区间Newton法 理路 区间Newton法 Interval Newton method · 区间牛顿法 用整个盒上的Jacobian线性解集保留全部根,区分收缩、排除和存在唯一性证书,并解释多维平均矩阵与标量除法边界。 正需要这样的线性接口:它的系数矩阵覆盖整个盒上的Jacobian,右端则来自一个中心残差。每次线性包围都要说明包住的是全部可能修正,而不是只解中心矩阵。
参考资料
[1] W. Oettli and W. Prager, “Compatibility of Approximate Solution of Linear Equations with Given Error Bounds for Coefficients and Right-Hand Sides,” Numerische Mathematik 6, 1964, pp. 405–409;IBM原论文目录与摘要 。本页逐行写出充要条件的直接构造。
Siegfried M. Rump, “Verification Methods: Rigorous Results Using Floating-Point Arithmetic” , Acta Numerica 19, 2010, pp. 287–449,作者修订稿§10.5、Theorems 10.6–10.8及§10.7;误差中心化、整族包含与数据依赖。本页使用便于逐分量复核的加权范数充分条件。