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方法Method

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。

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,极值定理保证它在闭区间取得:

E=maxx∈[a,b]|e(x)|.

有限网格 G 给 MG=maxz∈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 C1,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:已知 |e(x)−e(y)|≤ω(|x−y|),其中 ω 单调,且网格覆盖半径

δ=maxx∈[a,b]minz∈G|x−z|,

则

MG≤E≤MG+ω(δ).

特别地,若有已证导数界 |e′|≤L,中值定理允许用 ω(t)=Lt。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样条系数 di 的组合,基非负且和为一,则该段 |e|≤maxi|di|。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=x3−3x/4 在 [−1,1] 的导数为 3x2−3/4。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 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
  • Lloyd N. Trefethen,ATAP 第10章:最佳逼近与误差极值;Pachón–Trefethen 2009,§3.5:极值定位在 Remez 中的角色。
  • Carl de Boor,B(asic)-Spline Basics,§8、§11:非负基的系数界与细分。本页的网格覆盖半径界由三角不等式直接证明。
关系图谱9 个相邻概念 · 2 类关系

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