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算法Algorithm

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。

形式陈述 ​

先定义集合值修正 ​

设 X⊂Rn 是各边长度为正的紧盒,F 在它的一个开邻域上连续可微,c∈X。用逐项区间矩阵 J(X) 包住所有Jacobian矩阵 DF(x),并假设该区间矩阵正则,即每个 A∈J(X) 都可逆。精确区间Newton集合定义为

(1)N(c,X)={c−A−1F(c):A∈J(X)}.

实际算法不必精确求出这个一般并非盒的集合。它调用区间线性系统的包围,寻找包含全部解 As=−F(c) 的修正盒 S,再令 N^=c+S⊇N(c,X)。以下结论都允许用这个可靠外包围。

  • 保留: X 中每个根都属于 N^∩X,所以取交可以安全收缩候选盒。
  • 排除: 若 N^∩X=∅,则 X 内无根。
  • 存在与唯一: 若 N^⊆X,则 X 中恰有一个根,并且它属于 N^。

最后一项在这里允许非严格包含,因为区间Jacobian的正则性已经单独作为前提验证。若换成别的算子或省去正则性,不能自动保留这个边界结论。

一维可直接计算 ​

对 f∈C1,设 D 包含 f′(X) 且 0∉D,则

(2)N^=c−f(c)D.

分子是中心点处的数值,不是整个 f(X)。若中心值也只得到可靠区间 V∋f(c),用 c−V/D 仍保留包含性。分母含零时,普通有界区间除法没有定义;本页算法把它标为未决并细分,未使用扩展除法的多个无界分支。

直觉

普通Newton在一个点画一条切线。区间Newton同时允许盒内出现的全部斜率或线性化矩阵,再把这些可能线性方程的零点包起来。只要真根位于原盒,它对应的某个平均线性化也在允许范围内,所以真根不能被修正集合丢掉。

这解释了“保留”与“存在”的区别。把一个空候选区域收缩得很小仍可能没有根;只有修正集合整个留在原盒中,配合可逆性,才得到连续自映射,进而获得存在性。

证明:平均矩阵不是同一点的Jacobian ​

对 x∈X,沿线段积分得到

(3)F(x)−F(c)=Ac(x)(x−c),Ac(x)=∫01DF(c+t(x−c))dt∈J(X).

逐项区间是凸的,故平均矩阵仍在其中。多维时一般不存在一个共同的 ξ 使 Ac(x)=DF(ξ);证明只需要式(3)的包含关系。

若 F(x)=0,由正则性得 x=c−Ac(x)−1F(c)∈N(c,X),立即得到保留与排除。若有两个根 x,y∈X,对它们之间的线段同样积分,有 0=A(x−y),其中 A∈J(X);可逆性迫使 x=y。

剩下的是存在性。平均矩阵随 x 连续,矩阵求逆在可逆矩阵上连续,因此

T(x)=c−Ac(x)−1F(c)

是连续映射。当 N^⊆X 时,T(X)⊆X。由Brouwer不动点定理,紧凸盒上存在 x∗=T(x∗)。把这一等式代回式(3),即得 F(x∗)=0。我们没有假定直接迭代 T 一定收敛;Brouwer在这里只承担存在性。

例子与边界

平方根的第一张证书 ​

令 f(x)=x2−2,X=[1,2],c=3/2。导数区间 D=[2,4] 不含零,而 f(c)=1/4,所以

N^=32−1/4[2,4]=[11/8,23/16]⊂(1,2).

这一步既证明原区间恰一根,也把它包进宽度 1/16 的新区间。再取新区间中点,第二步得到

[181/128,3983/2816],

读者可分别平方两端,核对它们仍严格夹住 2。判断来自有理不等式,不依赖先知道 2 的小数。

如果将普通Newton的表达式直接按区间代入,算成 X−(X2−2)/(2X),对同一个 [1,2] 反而得到 [0,5/2]。同一变量被多次独立选取产生过宽结果;这不是式(2)中的中心修正。

没有通过时能说什么 ​

取 f(x)=x2+1,X=[1,2],仍有 D=[2,4],但

N^=32−13/4[2,4]=[−1/8,11/16].

它与 X 不交,直接排除。相比之下,f(x)=x2 在 [−1,1] 有唯一根,却因导数区间含零而不能使用本页的正则判据;失败没有证明无根,也没有证明多根。

盒中每个实际Jacobian都可逆,比整个区间矩阵正则弱。区间会允许从不同点独立拼接各个元素,可能包含实际从未出现的奇异矩阵。此时应缩盒、保留相关性或改用别的证明,不能只抽样几个Jacobian就宣称前提已满足。

推论与应用

二次收缩需要哪些额外控制 ​

在一维简单根 α∈X 附近,假设 |f′|≤M,导数区间远离零达到 infd∈D|d|≥m>0,并且其宽度满足 wid(D)≤Lwid(X)。若 c 为中点,则 |f(c)|≤Mwid(X)/2。倒数区间宽度至多 wid(D)/m2,故

(4)wid(N^)≤ML2m2wid(X)2.

这个估计假定中心值和区间端点按精确实数计算。实际可靠外包围还会有舍入或函数求值尾界的宽度,固定精度下可能到达平台,不能无限宣称宽度继续平方。若只知道 f′ 连续,也没有凭空得到式(4)里的线性宽度常数 L。

标量一步只需中心函数值、导数区间和常数次区间操作。多维的主要成本是线性解集的可靠包围,取决于所用子算法;不能把集合值 A−1 当作一次普通 O(n3) 点矩阵求逆。Krawczyk算子采用固定预条件矩阵避免这一步集合值求逆,以另一张可计算内包含证书完成根认证。

参考资料
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

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