形式陈述
要报告候选 p 对目标 f 的误差,先固定区间 [ a , b ] 和残差 e = f − p 。连续残差的真实指标是绝对值的上确界 理路 上确界与下确界 Supremum and infimum 在偏序中分别作为集合最小上界与最大下界的最紧边界元素。 ,极值定理 理路 极值定理 Extreme value theorem 连续实值函数在非空紧空间上取得最大值和最小值。 保证它在闭区间取得:
E = max x ∈ [ a , b ] | e ( x ) | . 有限网格 G 给 M G = max z ∈ G | e ( z ) | ≤ E ,通常只是下界。以下三条途径可以给全区间上界,所需信息不同。
第一条是完整临界点枚举:若 e 连续、有限分段 C 1 ,则检查区间端点、各分段接点、每个开段内全部 e ′ = 0 的点,就足以取最大绝对值。整段导数恒零时,该段残差恒定,只需一个值。若导数零点无限多,有限枚举法的前提不成立。
第二条复用连续模的误差表证书 理路 连续模 Modulus of continuity · 模连续性 把输入分辨率转成全域振幅上界,并据此给采样、折线逼近与误差验证分配精度。 :已知 | e ( x ) − e ( y ) | ≤ ω ( | x − y | ) ,其中 ω 单调,且网格覆盖半径
δ = max x ∈ [ a , b ] min z ∈ G | x − z | , 则
M G ≤ E ≤ M G + ω ( δ ) . 特别地,若有已证导数界 | e ′ | ≤ L ,中值定理 理路 中值定理 Mean value theorem 由等高端点与内部极值导出平均变化率,区分 Lagrange、Rolle、Cauchy 版本并给出可计算的增量界。 允许用 ω ( t ) = L t 。包含两端、相邻间距不超过 h 的网格满足 δ ≤ h / 2 。
第三条是非负基包围:若某一段残差已精确表示为 Bernstein 或B样条 理路 B样条基与局部支撑 B-spline basis · Cox–de Boor recursion · B样条 从零次区间指示函数递推局部基,证明非负、单位分解、基性质及重复节点下的连续性。 系数 d i 的组合,基非负且和为一,则该段 | e | ≤ max i | d i | 。逐段取最大就是全域上界;它可能不紧,但不是仅在样本处成立。
直觉
第一条把“每个位置都检查”化成可穷尽的特殊位置。若 | e | 在一个光滑段内部取得非零最大值,则 e 或 − e 在那里取得极大,其导数为零;最大值为零时整段没有误差。这是完整枚举足够的理由。
第二条给每个未采点选一个最近网格点。三角不等式得到 | e ( x ) | ≤ | e ( z ) | + ω ( | x − z | ) ,再统一取界。因此真正增加保证的是已证明的连续模,而非“采样点很多”这一形容。
第三条把函数值看作系数的凸组合。若系数范围太宽,可以用节点插入 理路 节点插入与不变曲线 Boehm knot insertion · Spline knot insertion 插入一个节点后局部更新控制系数,证明新旧表示为同一函数,并把细化用于分段多项式提取。 细化区间,再读细段的系数界。细化保持函数不变,所以新的上界有相同的目标对象。
例子与边界
残差 e = x 3 − 3 x / 4 在 [ − 1 , 1 ] 的导数为 3 x 2 − 3 / 4 。全部临界点是 ± 1 / 2 ;加上两个端点后,四个绝对值都为 1 / 4 ,所以 E = 1 / 4 。如果只用网格 { − 1 , 0 , 1 } ,虽也碰巧读到 1 / 4 ,那三个值本身仍不能证明其他位置不更大;导数分析才补上证据。
对同一残差,| e ′ | ≤ 9 / 4 。采用包含端点、步长 h = 1 / 10 的网格,网格最大值 1 / 4 ,采样加导数界仅给
1 / 4 ≤ E ≤ 1 / 4 + ( 9 / 4 ) ( 1 / 20 ) = 29 / 80. 它是正确但偏松的保证。增密能收紧该界;已知全部临界点时,直接分析更精确。
连续模 理路 连续模 Modulus of continuity · 模连续性 把输入分辨率转成全域振幅上界,并据此给采样、折线逼近与误差验证分配精度。 页中的三角尖峰反例说明:任何固定有限网格都可能读到全零,而真实误差仍为一。这里沿用该边界;若搜索程序只返回一个网格数而没有变化率、完整极值或包围证据,验收状态就仍是未认证。
在 [ 0 , 1 ] ,e = x ( 1 − x ) 的二次 Bernstein 系数为 ( 0 , 1 / 2 , 0 ) ,初始凸包给 E ≤ 1 / 2 。在 1 / 2 细分后,左右两段系数分别为 ( 0 , 1 / 4 , 1 / 4 ) 与 ( 1 / 4 , 1 / 4 , 0 ) ,得到 E ≤ 1 / 4 ;中点值又为 1 / 4 ,上下界相合。这里没有遗漏段内点,也无需对每个点采样。
推论与应用
若网格求值每项还有已证绝对误差 η ,记计算出的最大值为 M ^ ,则
max ( 0 , M ^ − η ) ≤ E ≤ M ^ + η + ω ( δ ) . 浮点计算的临界点位置和函数值也要包括误差范围。多项式情况下,可用精确代数或带保证的根隔离覆盖所有实根;一般数值求根只找到几个根,尚未证明没有其他根。
对最佳逼近,再附上交错下界 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。 L ,便把“这条曲线误差多大”与“是否已经不能更好”分开验证。Remez 理路 Remez 交换算法 Remez exchange algorithm · Remez algorithm · 雷梅兹算法 交替解等幅方程与更换参考点,以证据上下界判断最优或近最优,并报告退化和未认证退出。 的最后一步应留下这对界;若只完成网格搜索,就写“网格最大误差”,并明确网格及精度。
分段残差若有跳点,应先报告函数不连续,并分别纳入两侧极限及所选点值;此时全域上确界可能不是某个已取到的函数值。跨越跳点不能使用连续残差的全局 Lipschitz 界,须分段处理。
参考资料