- •Глава 1. Нелокальные итерационные процессы для решения нелинейных уравнений локально сходящиеся с квадратичной скоростью
- •§ 1. Нелокальные нерегуляризованные итерационные процессы для решения уравнения (1.1), реализующие процедуру неполного прогноза-коррекции.
- •§ 3. Нелокальные частично регуляризованные итерационные процессы для решения уравнения (1.1), реализующие процедуру неполного прогноза-коррекции.
- •§ 5. Нелокальные регуляризованные итерационные процессы для решения уравнения (1.1), реализующие процедуру неполного прогноза-коррекции.
- •§8. О нелокальных вариантах метода хорд и стеффенсена.
- •2. Регуляризованные итерационные алгоритмы для решения уравнения (1.1) мгнрш
§ 3. Нелокальные частично регуляризованные итерационные процессы для решения уравнения (1.1), реализующие процедуру неполного прогноза-коррекции.
Если
в области
нарушается условие обратимости оператора
,
то алгоритмы, рассмотренные выше,
нуждаются в модификации. Рассмотрим
ряд частично регуляризованных алгоритмов
для решения уравнения (1.1).
Первый из рассматриваемых ниже алгоритмов имеет вид
Шаг 1. Решается линейная система для определения поправки
. (1.146)
Шаг 2. Вносится поправка в вектор
. (1.147)
Шаг 3.
Если
(параметр останова), то конец просчетов,
иначе
Шаг 4.
Определяется новая шаговая длина: если
,
то устанавливаем
равным 1,
иначе
, (1.148)
и переход на шаг 1.
Относительно оператора f сделаем следующие предположения:
. (1.149)
Теорема
1.28. Пусть в
существует
-
решение уравнения (1.1), оператор
удовлетворяет перечисленным выше
условиям и
,
тогда итерационный процесс (1.146)-(1.148) со
сверхлинейной скоростью сходится к
.
Доказательство. Преобразуем (1.146) к “неявному” виду
. (1.150)
Из (1.146) следует
оценка
,
далее в силу условий теоремы имеем
. (1.151)
После подстановки (1.150) в (1.151) получаем оценку
. (1.152)
Из (1.152) имеем соотношение, связывающее нормы невязок на соседних шагах
(1.153)
,
.
При из (1.153) и условий теоремы имеем, что
,
и так как из (1.148)
при
и
следует что
,
(1.154)
то при n=0
имеем, что
.
Поскольку
,
то из последнего равенства следует, что
,
опираясь на (1.154), методом математической
индукции нетрудно показать, что
последовательности итерационных
параметров
с четными и нечетными индексами образуют
монотонно возрастающие последовательности,
ограниченные снизу числом
,
последовательности
с четными и нечетными индексами образуют
монотонно убывающие к нулю последовательности,
ограниченные сверху числом
и имеет место
. (1.155)
Из
(1.155) следует сходимость последовательности
элементов
к x*.
В силу (1.155)
имеем, что
и, следовательно, существует такой номер
,
что выполняется соотношение
при
,
а это есть достаточное условие сходимости
метода Ньютона, так что в силу построения
алгоритма на
ом
шаге процесс переходит в метод Ньютона
с характерной для последнего квадратичной
скоростью сходимости. Теорема
доказана.
Замечание
8. Квадратичная
скорость сходимости будет иметь место
в силу того, что при
слагаемое
при
становится пренебрежительно малым.
Теорема
1.29. Пусть в
сфере
выполняются условия теоремы 1.28 за
исключением требования факта существования
в
.
Пусть
существует
такое, что
,
,
.
Тогда уравнение (1.1) имеет решение , к которому сходится итерационный процесс (1.146)-(1.148), начиная с . Оценки погрешности ого приближения имеет вид
. (1.156)
Доказательство.
В связи с
тем, что выполняются условия теоремы
1, для номера
имеет место, в силу условий теоремы
1.28, оценка
,
из которой следует,
что, начиная с номера
,
будет выполняться достаточное условие
сходимости метода Ньютона, при этом все
итерации не будут выходить за пределы
сферы
,
и в сфере
будет существовать решение
.
Оценка погрешности
ого
приближения (1.156) получается стандартным
образом. Теорема
доказана.
Следующий многошаговый итерационный процесс будет иметь вид:
Шаг 1. Решается линейное уравнение
,
,
,
. (1.157)
Шаг 2. Вносится поправка в вектор
. (1.158)
Шаг 3.
Если
(параметр останова), то конец просчетов,
иначе
Шаг 4. Определяется новая шаговая длина: если , то устанавливаем равным 1, иначе
,
,
. (1.159)
и переход на шаг 1.
Теорема
1.30. Пусть
,
в
существует решение
уравнения (1.1) и справедлива оценка
.
Тогда если выполняется условие
,
то итерационный процесс (1.157)-(1.159) со
сверхлинейной (локально квадратичной)
скоростью сходится по функционалу к
– решению
уравнения (1.1), итерационные параметры
монотонно возрастают и область
имеет вид
,
.
Доказательство. Представим уравнение (1.157) в виде
(1.160)
В силу условий теоремы и (1.160) имеем оценку
(1.161)
.
Пусть выполняется условие
. (1.162)
Тогда, как следует из (1.161), (1.162),
;
(1.163)
с учетом (1.159),
представимо в виде
.
Так что из (1.161) следует оценка
При
этом так как
,
то
,
.
Так
как
;
,
то индуктивные соображения позволяют
получить оценку
(1.164)
и при этом все
,
.
Таким
образом, до того момента, пока
,
последовательность итерационных
параметров с четными и нечетными
индексами образуют монотонно возрастающую
последовательности, последовательности
с четными и нечетными индексами образуют
монотонно убывающие последовательности.
Переход к пределу в (1.164) при
позволяет утверждать, что последовательность
элементов
,
определяемая итерационным процессом
(1.157)-(1.159), по функционалу стремится к
– решению уравнения (1.1).
Проверим фундаментальность последовательности . Используя (1.157), условия теоремы и неравенство треугольника, имеем оценку:
,
которая доказывает фундаментальность последовательности , откуда в силу полноты пространства следует существование предельного элемента .
Найдём
радиус области
.
,
.
Продолжая цепочку неравенств, имеем
.
Переходя к пределу в последнем неравенстве при , получаем радиус области .
Сверхлинейность
процесса (1.157) - (1.159) следует из того, что,
начиная с некоторого номера
,
величина
становится меньше
– точности просчетов, и при этом
одновременно начинает выполняться
достаточное условие сходимости метода
Ньютона
и
для
.
В этих условиях процесс (1.157) - (1.159)
переходит в метод Ньютона с характерной
для последнего квадратичной скоростью
сходимости. Теорема
доказана.
Замечание
9. Условие
непрерывной обратимости оператора
в
существенно слабее традиционного
условия непрерывной обратимости
оператора
,
.
Процесс (1.157)-(1.159) будет работать даже в
том случае, если на каком–либо элементе
окажется, что
(
–нуль
пространства).
Замечание 10. При доказательстве теоремы 1.30 нам потребовалось условие существования в решения уравнения (1.1).
Ниже покажем, как избавиться от этого достаточно обременительного условия за счет контроля поведения некоторых параметров итерационного метода в процессе счета.
В
теореме 1.1 постулировалось существование
– решения уравнения (1.1), и принадлежность
его замыканию сферы
.
В рассматриваемой ниже теореме 1.31 это условие снимается.
Теорема
1.31. Пусть
оператор
удовлетворяет в
тем же условиям, что и в теореме 1.30,
исключая требования существования a
priori
,
существует такое число
,
что выполняются соотношения
,
, (1.165)
и
. (1.166)
Тогда
уравнение (1.1) имеет решение
,
к которому сходятся итерации
(1.157)-(1.159), начиная с
.
При этом справедлива оценка погрешности
-го
приближения:
(1.167)
,
.
Доказательство.
Так как
выполняются условия теоремы 1.30, то
справедлива оценка (1.161) и
,
.
В силу (1.161) и (1.166) имеем оценку
(1.168)
В
силу малости
итерации (1.157)-(1.159) при
практически переходят в метод Ньютона
с
и при этом из (1.168) следует, что
(1.169)
Стандартными
рассуждениями доказывается фундаментальность
последовательности элементов
,
сохранение условия (1.169) при переходе
от точки
к точке
и справедливость оценки
,
(1.170)
Таким
образом, в сфере
существует предельный элемент
и справедлива оценка
(1.171)
.
Переходя к пределу в (1.170) при , имеем, что – решение уравнения (1.1). Оценка (1.167) следует из (1.170) и соотношения
.
Теорема доказана.
Замечание
11. Теорема
1.31 может служить примером доказательных
вычислений, так как в результате работы
вычислительного процесса мы можем
убедиться, что все
для
,
а это условие поддаётся эффективной
проверке, поскольку, как только
становится равным 1, все остальные
параметры
,
,
автоматически будут равны единице, что
следует из доказанного в теореме 1.30
соотношения
.
Замечание 12. Как теорема 1.30, так и теорема 1.31 обладают тем недостатком, что нам необходимо знать оценку глобальной константы . Если оценка находится за разумный объем вычислительной работы, теоремы 1.30, 1.31 достаточно эффективны.
При рассмотрении вычислительного процесса в работах [21] – [23] предполагалось, что изменение нормы невязки пропорционально изменению параметра .
По-видимому, большие возможности могут представить алгоритмы, в которых обратная связь реализована на непропорциональной основе. Вычислительная практика решения ряда существенно нелинейных задач с успехом подтвердила это предположение.
Для алгоритмов, неполного прогноза рассмотренных в §1 и не вошедших в §3, могут сформулированы и доказаны теоремы, аналогичные доказанным выше.
Относительно процессов, рассмотренных в этом параграфе справедливо замечание 1.
