形式陈述
输入为 、、非负整数次数上限 ,以及区间内 个有序互异参考点 。先选任一 基 ,解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。
这里 是带符号幅值,,参考误差为 ;非负下界写成 。互异点保证精确系统可逆:齐次解若 ,多项式值严格交替,迫使次数至多 的多项式有 个根;若 ,它在全部参考点为零,仍只能为零。
随后在整个区间寻找残差 的最大绝对值点 ,并给误差上界 。当 、且实际发现 ,用单点交换保持旧残差的符号交替:
- 位于两参考点之间,替换这两个邻点中与 同号的那个
- ,同号时替换 ,异号时删去最右点再把 放在最左;右端情形对称
- 并列最大点按固定规则选一个,例如取最左点
重解等幅方程并继续。若无法认证全域最大点,可把搜索结果用于生成候选,但要保留“未认证”状态;不能把某个网格最大点无条件写成全局最大点。
直觉
等幅方程让当前参考点的峰同高,交换则把被遗漏的更高峰放进来。交错下界理路Chebyshev 交错定理Chebyshev alternation theorem · Equioscillation theorem · 等振荡定理用交替达到最大误差的点认证最佳多项式,完整证明必要、充分、唯一性及近最佳下界。与全域上界理路一致误差的全区间证书Uniform error certification · Continuous supremum error bounds把临界点、连续模或非负基包围变成全区间误差上界,并说明有限采样本身不能证明上确界。始终承担不同任务:前者证明所有候选都不能优于 ,后者证明当前候选不差于 。
交换确实提高下界。对新参考点 ,令
次数至多 的多项式 满足 ,因为这是它在 点的 Lagrange 表示中 的系数,而该系数为零。 的符号为 ,故 全同号。对新等幅方程相加,得到
可将分子中的 换成旧残差 ,因为旧 的和为零。若新点上旧残差仍交替,所有绝对值至少为 ,并有一点严格更大,上式的绝对值是这些绝对误差以 加权的平均,因而严格大于 。这证明精确交换的进步,不等于证明任意浮点实现都会收敛。
例子与边界
对 、、,取初始参考点 。等幅方程的解为
三个参考误差为 。残差导数仍为 ;完整检查端点及 得
所以 、。最大点并列时取较左的 ,它位于 和零之间,误差为正,故替换同号的零。新参考为 ,重解得
再次检查全区间临界点,得 ,算法凭上下界相合结束。这是实际改变参考点的一次交换,不是先给出最优解再画等高峰。
若初始参考反而取 ,系统给 。三个采样误差全为零,区间内却在 有大小 的误差。零幅表示当前符号交换退化,只有另外证明 才能称为精确成功;否则应重选互异参考点,例如上面的非对称三点。
推论与应用
一个可复核的实现至少返回候选多项式、参考点、方程残差、、全域搜索方法和退出理由。输入无效、非有限函数值、病态系统导致求解不可靠、无法找到足够交替点、点合并、重复参考集合、进步停滞或达到预定工作预算,都应返回失败或未认证候选,保留当前证据。
已认证的停止规则可以是 ,其中容差由任务给定, 必须真为全域上界。它认证当前误差与最佳误差的差距,不一定认证所有多项式系数都已接近最优系数。浮点参考误差若只“近似等高”,应用已验证符号和实际绝对误差的最小下界,而非直接把求解器打印的 当作严密下界。
在平滑、非退化的极值结构附近,适当的 Remez 变体可以很快;一般连续函数可能有尖点、平坦极值或许多局部峰,搜索与交换规则需要相应处理。工程上常用缩放后的 Chebyshev 基或重心表示,避免把高次单项式系统的病态误当成逼近问题无解。本文不把有理函数的非线性分母问题纳入这一线性系统。
参考资料