形式陈述
一个只需点矩阵乘法的盒
设 F 在紧盒 X = c + [ − r , r ] ⊂ R n 的开邻域上连续可微,各 r i > 0 ,c 为盒中心。以可靠区间运算 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。 得到中心值包围 f c ∋ F ( c ) ,以及覆盖所有Jacobian矩阵 理路 Jacobian 矩阵 Jacobian matrix 多元映射各偏导数组成并表示其导数的矩阵。 的 J ( X ) 。任取实方阵 C ,定义计算的Krawczyk盒
(1) K ( c , X ) = c − C f c + ( I − C J ( X ) ) [ − r , r ] . 式(1)右侧按照区间加乘计算,不是把同一个不确定Jacobian在所有出现位置强制关联。矩阵 C 通常来自中心Jacobian的近似逆,但证书不要求先相信它是精确逆。
保留与排除。 X 内每个根都在 K ( c , X ) 中,所以 X ∩ K 可用于收缩;若二者不交,则 X 内无根。这两条结论对任意 C 都成立。
严格内包含证书。 若
(2) K ( c , X ) ⊂ int X , 则 X 中恰有一个根,根属于 K ( c , X ) 。此外,C 以及 J ( X ) 中的每个点矩阵都可逆。这里的严格包含必须对每个坐标都成立,不是只比较面积或体积。
怎样直接检查式(2)
写 Z = − C f c 、E = I − C J ( X ) ,令 B = mag ( E ) 。因为 [ − r , r ] 对称,精确区间乘法给出
E [ − r , r ] = [ − B r , B r ] . 因此只需可靠地验证
(3) mag ( Z ) + B r < r . 机器运算若进一步外扩,验证外扩后的Krawczyk盒严格在内也足够;式(3)中的每个上界同样必须向安全方向计算。
直觉
考虑固定斜率迭代 T ( x ) = x − C F ( x ) 。近似逆把主要线性变化抵消,I − C D F ( x ) 留下没能抵消的部分。Krawczyk盒把整盒通过 T 后可能落到的位置包起来:中心残差决定整体平移,Jacobian不确定性决定剩余伸缩。
小残差只让平移项小。还要确认剩余伸缩无法把点推出边界,才得到式(3)。当某个坐标的允许半径很小时,必须按该坐标自己的尺度比较,不能仅看未经缩放的总残差。
严格包含为什么同时给出可逆与唯一
由式(3),
q = max i ( B r ) i r i < 1. 在加权诱导范数 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。 ‖ v ‖ r = max i | v i | / r i 下,每个 A ∈ J ( X ) 都满足 ‖ I − C A ‖ r ≤ q 。几何级数说明 C A 可逆,因此 C , A 都可逆。这一步认证了近似逆的资格,而非把它当作黑箱事实。
沿 c 到 x 的线段积分,有 F ( x ) = F ( c ) + A x ( x − c ) ,其中 A x ∈ J ( X ) 。所以 T ( x ) ∈ K ( c , X ) ⊂ X ,即 T 确实是盒上的自映射。再沿任意 x , y ∈ X 的连线积分,得
‖ T ( x ) − T ( y ) ‖ r ≤ q ‖ x − y ‖ r . 闭盒在这个范数下完备。Banach不动点定理 理路 Banach 不动点定理 Banach fixed-point theorem · Contraction mapping theorem 完备空间中的统一压缩给出唯一不动点;用几何尾和证明收敛,并把后验误差与残差转成停止证书。 于是给唯一不动点 x ∗ ;由 C F ( x ∗ ) = 0 及 C 可逆,得到 F ( x ∗ ) = 0 。所有根也都是不动点,故唯一性成立。它还给固定斜率迭代的后验误差界;这不是每步重新求Jacobian的普通Newton轨道。
图片加载失败 局部根证书与完整区域
例子与边界
不用精确逆也能认证
对 f ( x ) = x 2 − 2 ,取 X = [ 1 , 2 ] 、c = 3 / 2 、C = 1 / 3 。于是
− C f ( c ) = − 1 / 12 , 1 − C f ′ ( X ) = [ − 1 / 3 , 1 / 3 ] , 故
K = 3 2 − 1 12 + [ − 1 / 6 , 1 / 6 ] = [ 5 / 4 , 19 / 12 ] ⊂ ( 1 , 2 ) . 这给出唯一根证书;盒宽比本例区间Newton的 1 / 16 大,但不涉及区间求逆。若把 C 改成便于十进制书写的 33 / 100 ,同样可直接检查式(3)。C 不是精确逆不妨碍证明,未经包围的舍入误差才会破坏它。
圆与指数曲线的两张证书
设
(4) F ( x , y ) = ( x 2 + y 2 − 1 y − e x / 2 ) . 取
X − = [ − 983 / 1000 , − 981 / 1000 ] × [ 186 / 1000 , 188 / 1000 ] , C − = 1 1000 ( − 528 198 − 99 1037 ) , X + = [ 528 / 1000 , 530 / 1000 ] × [ 848 / 1000 , 850 / 1000 ] , C + = 1 1000 ( 400 − 680 340 423 ) . 用有理Taylor尾界包围指数后,Krawczyk盒分别包含在下面特意向外取整的十进制盒中:
(5) K − ⊂ [ − 0.9823206 , − 0.9823149 ] × [ 0.1872201 , 0.1872219 ] , K + ⊂ [ 0.5290003 , 0.5290069 ] × [ 0.8486169 , 0.8486226 ] . 每个展示端点都表示精确的有限小数;指数并没有被当作精确浮点数。两盒的加权压缩上界分别小于 0.002767 和 0.003237 。由式(2),两原盒各有一个根,且它们不交。式(5)尚未排除其他位置还有根;完整终点 继续提供整个目标矩形的覆盖树。
弱包含与失败判据
若只知 K ⊆ X ,并且已经另行证明 C 可逆,则 T 为连续自映射,可用Brouwer定理 理路 Brouwer 不动点定理 Brouwer fixed-point theorem 闭球到自身的任意连续映射都有不动点。 证明至少一根;唯一性仍需别的条件。以 C = 0 为例,不论 F 如何都有 K = X ,连无根函数 F ≡ 1 也如此,所以不能从弱包含中省略可逆性。
严格包含是充分条件,不是存在根的必要条件。对重根 f ( x ) = x 2 ,任何含零的正半径盒,其导数区间含零;本判据若成功就会强迫所有允许导数非零,因此不会成功。遇到这种情形应输出未决,而不是宣布无根。
推论与应用
稠密 n 维下,构造近似逆和矩阵积的通常算术成本为 O ( n 3 ) ,其后矩阵乘向量与式(3)的检查为 O ( n 2 ) ;还应另计函数、Jacobian区间求值和端点位长。若不断缩盒到舍入平台,继续增加迭代数未必有用,需要提高求值精度或改写过宽的区间表达式。
区间根覆盖证书 理路 区间根覆盖证书 Interval root cover certificate · Validated branch-and-prune root coverage 以互不相交的局部根证书和完整二叉盒树认证紧区域内的全部根,保留未决叶,证明覆盖不变量并明确有限停止与计算成本。 把本页当作局部接口:每张成功证书贡献一个已知根盒,外围区域另做无根排除。两张成功但相交的盒可能包住同一个根,不能直接把证书张数当作根数;本单元终点使用不交盒避免这一计数歧义。
参考资料