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方法Method

Pellet 圆盘计数与根簇证书

Pellet root cluster certificate · Pellet Tk test · Coefficient-family root clustering

通过平移系数的单项优势认证圆盘根总重数,传递系数误差预算,并以不相交圆盘和次数闭合交付全部复根簇而非伪称不同根隔离。

求根器给出三个靠得很近的小数,可能是三个不同根,也可能是一个重根的数值分裂。若输入系数本来带误差,这个区别甚至不能由当前资料决定。根簇证书换一个可稳定回答的问题:这只圆盘里按重数一共有几个根,而且允许系数怎样变化后仍保持这个数?

形式陈述 ​

把圆心移到零,再找占优势的一项 ​

给定非零多项式

p(z)=∑m=0namzm,an≠0,

系数、圆心 c属于复数,半径 r>0。准确写成

p(c+w)=∑j=0nbjwj.

若对某个整数 0≤k≤n有

(1)|bk|rk>∑j≠k|bj|rj,

则开圆盘 D(c,r)恰有 k个根,计入重数,而且圆周无根。这是Pellet计数中最直接的 Tk优势测试。k=0给无根圆盘;k=n给包含全部根的圆盘;其他 k给局部根簇总数。

在圆周上,以 bkwk为基准,其模是 |bk|rk,其他项之和严格较小。Rouché定理遂给同样的总重数 k,证明只有这一步。重要的计算工作在于:怎样可靠得到每个系数、它的模界以及严格余量。

直觉

“一项赢过所有其他项”是一张容易检查的票据 ​

让 w沿圆周转一圈,bkwk的方向转 k圈。如果其他项的合力始终不足以把它推到零,真实多项式就保留这个读数。系数绝对值求和故意不利用相位抵消,计算方便,代价是有时会拒绝本来有效的圆盘。

因此“测试成功”能认证根数,“没有任何一项成功”只表示这个测试还没有答案。它既不是“没有根”,也不表示一定有根贴在边界。

例子与边界

两个不同半径分别给一根与三根 ​

取

p(z)=z3−4z+1.

在圆心零、半径 1/2时,一次项贡献 2,其余项大小之和为 1+1/8=9/8,所以盘内恰有一个根。在半径三时,三次项贡献27,其余项为13,故盘内恰有三个根。于是中间环域恰有两个根,两个边界都不含根。

改变圆心以后必须重算系数。由二项式展开,

(2)bj=∑m=jn(mj)amcm−j.

不能只把图上的圆移动,却继续使用以零为圆心的 (aj)。

测试失败的两种完全不同的原因 ​

p(z)=z2−1,r=1时,常数项与二次项大小相同,没有严格优势;两个根确实在圆周上,不能使用本页计数。

p(z)=z2+2z+2,r=1时,同样没有一项胜过其他项之和,但根是 −1±i,模均为 2。整个闭单位圆盘其实无根。换一个界、圆心或半径可能成功;这次失败没有证明边界存在零点。

若 p(z)=(z−c)3,任意正半径都能通过 k=3测试。圆盘里却只有一个不同零点。把“总重数三”改写成“三个各自唯一的根”,就超出了证书。

推论与应用

以模的上下界代替不可靠小数 ​

假设得到可靠实数界 Lk≤|bk|、Uj≥|bj|。若

(3)Δ=Lkrk−∑j≠kUjrj>0,

则仍成功。Gaussian有理数可以直接采用

Lk=max(|Rebk|,|Imbk|),Uj=|Rebj|+|Imbj|.

这样全过程仅需有理运算。它们不是最紧的模包围,但每个比较都保留方向。若使用浮点平方根,则必须另给向外舍入或误差包围,普通显示的小数不是证明。

原坐标系数误差怎样传到移动的圆 ​

允许真实输入为

q(z)=∑m=0n(am+δm)zm,|δm|≤ϵm.

在 |z−c|=r上,有

(4)|q(z)−p(z)|≤E(c,r):=∑m=0nϵm(|c|+r)m.

若只知道 C≥|c|,可把右端改成 ∑ϵm(C+r)m。由(3),基准 p在该圆周的模至少为 Δ;因此

(5)Δ>E(c,r)

证明每个允许的 q在该圆盘都有同一个总重数 k。这是对整个误差族的统一保证,不是从若干系数扰动实验外推。

也可以逐个计算平移误差:由(2),第 j个平移系数的误差至多

ej=∑m=jn(mj)ϵm|c|m−j.

将这些误差按 rj求和,再次使用二项式公式,恰得到 ∑jejrj=E(c,r)。这解释了(4)同时计入主项下界的损失和其他项上界的增加。只给其他项加误差而把主项当成准确值,会夸大安全余量。

若 |an|>ϵn,所有允许输入的次数都仍为 n。没有这项前提,最高次系数可能消失,根也可能在系数变化时逃向无穷;不能保持原次数来做全局总数闭合。

从局部圆盘走到全部根覆盖 ​

给出有限只闭包两两不相交的圆盘 D(cs,rs),各有严格成功证书和正整数计数 ks。如果输入次数统一为 n,而

(6)∑sks=n,

就证明每个允许多项式的全部复根都位于这些圆盘内,按总重数无遗漏、无重复。

多项式共有 n个复根这一事实也可在当前接口内获得:在足够大的圆上,首项 anzn胜过全部低次项,Rouché给圆内总重数 n。旧系数根界还提供全部根的统一外界。式(6)使局部已认证重数用完总数,所以外部不可能再有根。

若圆盘重叠,同一个根可能被重复计入;若计数和小于 n,只证明局部结果。程序分别拒绝这两种不完整清单。圆盘边界本身已由严格优势排除,不需要给边界根任意归属。

六次系数族的三簇证书 ​

基准为

p(z)=(z−1)3(z+1)2(z−2i).

允许全部七项原坐标系数的复模误差各不超过 1/1000。以 1,−1,2i为圆心,各取半径 1/4。按上述有理上下界,扣除系数误差后的严格余量分别是

1652594096000,7012594096000,47296834096000.

三者均正,圆盘闭包互不相交,且各自计数为 3,2,1。最高次系数的模至少 999/1000,所以次数始终六,计数也恰好闭合。由此不只是准确基准,而是整个输入误差族都获得全部根簇覆盖。

基准的三重根在扰动后可以分成三个不同根;误差族中也包括未扰动的基准,所以无法统一宣称每个成员都有六个不同根。根簇的直径给位置范围,总重数给数量;精确因式分解才能对某个准确输入另谈不同根与重数。

实现代价与无法承诺的停止 ​

一只圆盘用朴素式(2)需 O(n2)次复数算术,全部优势量可在 O(n)个模界和幂值上形成。m只候选圆盘的直接检查需 O(mn2+m2)次算术,后一项检查两两距离;还须记录 O(mn)个平移系数及 O(m)个余量。精确有理数位成本另计。

这个过程是验证给定根簇,不保证自动寻找任意输入的最优圆盘。一个失败的候选可能只需改变尺度,也可能需要更准系数。若输入只给固定误差盒,根簇内部的不同根数一般不可识别,继续提高计算精度也不会增加输入信息。公开程序因此保留未决状态,不通过无限缩盘来伪称完整隔离。

参考资料
  • Ruben Becker、Michael Sagraloff、Vikram Sharma、Chee Yap,A Near-Optimal Subdivision Algorithm for Complex Root Isolation based on the Pellet Test and Newton Iteration,2016年v4,§3.1 Definition1、式(3)–(4)与Theorem1,印刷12–13页,Tk圆盘计数。本页只使用该充分判据并直接证明,不采用后续Graeffe/Newton加速或其位复杂度。
  • 同论文引言的系数oracle模型说明:有限精度下不能自动区分一个重根与附近多个简单根。本文固定误差族、统一余量和全部根簇清单另行展开,并明确验证与自动隔离的差别。
关系图谱11 个相邻概念 · 2 类关系

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