- •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
§8. О нелокальных вариантах метода хорд и стеффенсена.
Для решения нелинейного уравнения (1.1) А.С.Сергеевым [106] был предложен операторный вариант метода хорд, локально сходящийся со сверхлинейной скоростью.
Итерационная процедура имела следующий вид:
,
(1.261)
Достоинство метода (1.261) состоит в том, что метод применим в том случае, если оператор f лишь непрерывен в области D и первые и вторые разделенные разности оператора f равномерно ограничены в D. К числу важных недостатков метода (1.261) является необходимость иметь в своем распоряжении достаточно хорошие начальные приближения и , а также знание оценок ряда глобальных констант, нахождение которых часто представляет задачу, сравнимую по трудности с решением задачи (1.1).
Положим,
что в интересующей нас области
для каждого
выполняется условие:
(1.262)
Рассматривается итерационный процесс (1.261).
Относительно сходимости процесса (1.261) справедлива
Теорема 1.49. Пусть в области D выполняются условие (1.262) и элементы , таковы, что
,
,
,
,
(1.263)
тогда итерационный
процесс (1.261) с квадратичной скоростью
сходится к единственному в
решению x*
уравнения (1.1).
Доказательство. Выведем вначале некоторые соотношения:
Так
как
,
то в силу теоремы Банаха существует
оператор, обратный оператору
и
.
Далее, имеем соотношение
.
Используя аналог интерполяционной
формулы Ньютона для операторов и условия
теоремы, получаем оценку
(1.264)
Покажем, что при переходе от точки x1 к точке x2, соотношение (1.264) не меняется. Имеем
И если потребовать,
чтобы выполнялось соотношение
,
а это неравенство будет выполнятся при
,
то получим, что соотношение (1.264) при
переходе от точки
к точке
не нарушается.
Из соотношения (1.264) следует квадратичная сходимость последовательности , определённой процессом (1.261), к – решению уравнения (1.1).
Докажем
единственность полученного решения в
сфере
.
Пусть в
существует
еще одно решение
.
Имеем:
Если
то решений будет не более одного. Нетрудно
найти радиус области единственности.
Он равен
.
Найдём радиус сферы существования решения. Для этого рассмотрим ряд соотношений, которые следуют из приведённых выше неравенств:
Индуктивные рассуждения позволяют получить оценку
из которой следует,
что радиус существования решения
.
Чтобы
решение в
существовало и было единственным,
достаточно выполнения соотношения
,
которая непременно выполняется при
выполнении неравенства
,
где
Из
последнего неравенства следует, что
при
решение
в области
существует и единственно. Теорема
доказана.
Предложенные
ниже нелокальные варианты метода хорд
“работают” при “плохих” начальных
приближениях и некоторые из вариантов
продолжаемы даже в том случае, если на
каких-либо элементах
,
оператор
обращается в нуль.
Условие (1.262) часто представляется достаточно обременительным: в ряде важных задач условие симметричности (1.262) не выполняется, в связи с чем это условие заменяется другим [111]:
Следствием из последнего соотношения является равенство (аналог интерполяционной формулы для операторов)
которое положено в основу наших дальнейших рассуждений.
Введение демпфирующего множителя позволяет построить следующий нелокальных процесс:
Шаг 1. Решается линейное уравнение относительно поправки
(1.265)
Шаг 2. Очередное приближение находится по правилу
(1.266)
Шаг 3.
Если
и(или)
(-
параметр останова) – конец просчетов,
иначе
Шаг 4.
Если
,
то
,
иначе
(1.267)
и переход на шаг 1.
Теорема
1.50. Пусть в
области
,
существует
-решение
уравнения (1.1) и выполняются следующие
условия:
a)
b)
c)
.
Тогда
итерационный процесс (1.265)–(1.267) со
сверхлинейной скоростью (локально с
квадратичной) сходится к
.
Оценки погрешности n-го
приближения имеет вид
.
Доказательство. Используя аналог интерполяционной формулы Ньютона для операторов и условия теоремы, имеем оценку
(1.268)
В
силу (1.267) n,
для которого
справедлива цепочка равенств
. (1.269)
Перепишем соотношение (1.268) в виде
(1.270)
Пусть
таково, что
,
тогда в силу (1.270)
,
в этом случае в силу (1.267)
.
Рассмотрим
,
которое, в силу (1.269) равно
и так как
,
то
.
Таким
образом, последовательность итерационных
параметров
монотонно возрастает, а последовательность
-
монотонно убывает с ростом n.
Индуктивные рассуждения позволяют
получить оценку
,
из которой следует слабая сходимость
элементов
,
генерируемых алгоритмом (1.265) – (1.267), к
.
Справедливо
и более сильное утверждение: так как из
(1.268) и условий теоремы имеем, что
,
то
(1.271)
Из
(1.271) следует фундаментальность
последовательности
и в силу полноты пространства X
существование предельного элемента,
который, как нетрудно убедиться, является
решением уравнения (1.1). Оценка погрешности
n-го
приближения получается переходом к
пределу в (1.271) при
.
Имеем
.
Радиус
сферы
определяем стандартным образом.
Индуктивно получаются оценки
Переход к пределу в последнем неравенстве при n позволяет утверждать, что все последовательные приближения не выходят за пределы сферы . Теорема доказана.
Замечание 18. Локальная квадратичная скорость сходимости процесса (1.265) – (1.267) следует из (1.270) при n=1. А.С.Сергеевым [106] доказана лишь локальная сверхлинейная скорость сходимости процесса (1.261).
В теореме 1.50 требовалось существование apriori существование - решения уравнения (1.1) и принадлежность его замыканию сферы : Предлагаемая ниже теорема позволяет снять это требование.
Теорема 1.51. Пусть оператор f удовлетворяет в D тем же условиям, что и в теореме 1.50, исключая требование существования , существует такое число , что выполняются соотношения
(1.272)
тогда уравнение
(1.1) имеет решение
,
к которому сходятся итерации (1.265),
(1.266), (1.272), начиная с
.
При этом справедлива оценка погрешности m-го приближения
Доказательство.
Так как
выполняются условия теоремы 1.50, то
справедлива оценка (1.270),
,
а в силу условия (1.272)
и при этом величина
такова, что
.
Таким образом, локальная квадратичная
сходимость наступает на элементе
,
для которого справедливо соотношение
.
Стандартным
рассуждением доказывается фундаментальность
последовательности элементов
,
сохранение условия (1.272) при переходе
от точки
к точке
и справедливость оценки
.
Так что в сфере D существует предельный элемент и справедлива оценка
(1.273)
Переходя к пределу в (1.273) при , имеем, что -решение уравнение (1.1). Оценка погрешности n-го приближения следует из (1.273) и соотношения
Теорема доказана.
Теоремы аналогичные теоремам 1.50 и 1.51 можно доказать относительно нелокальных вариантов метода хорд, где и очередное приближение находится следующими способами:
одношаговые методы неполного прогноза
1-ый способ –
. (1.274)
Очередное приближение
находится по формуле
;
2-ой способ –
. (1.275)
Очередное приближение
находится по формуле
;
одношаговый метод полного прогноза
3-ий способ –
(1.276)
Очередное приближение находится по формуле ;
многошаговые методы неполного прогноза
4-ый способ –
. (1.277)
.
Очередное приближение находится по формуле ;
5-ый
способ –
, (1.278)
,
.
Очередное приближение находится по формуле ;
6-ой
способ –
, (1.279)
,
.
Очередное приближение находится по формуле ;
7-ой способ – , (1.280)
,
.
Очередное приближение находится по формуле ;
многошаговый метод полного прогноза
8-ой
способ –
(1.281)
Очередное приближение находится по формуле ;
Замечание 19. Как показывает вычислительная практика решения ряда существенно нелинейных задач, применение алгоритмов, в которых обратная связь реализуется на непропорциональной основе, оказывается эффективнее.
Пусть на каком-нибудь шаге итерационного процесса оператор обращается в нуль, в этом случае в итерационном процессе поправку находим, решая уравнение
. (1.282)
Откуда
оценка для
имеет вид
.
Рассмотрим итерационный процесс:
Шаг 1. Решается уравнение (1.282)
Шаг 2.
Вносится поправка в вектор
(1.283)
Шаг 3. Если и(или) (- параметр останова) – конец просчетов, иначе
Шаг 4.
Если
,
то
,
иначе
,
,
(1.284)
и переход на шаг 1.
Теорема 1.52. Пусть в области D существует - решение уравнения (1.1). Тогда при выполнении условия b) теоремы 1.50 и соотношения
(1.285)
итерационный процесс (1.282) – (1.284) со сверхлинейной скоростью сходится к и справедливы оценки погрешности n-го приближения:
(1.286)
Доказательство. Представим уравнение (1.1) в “неявном” виде
В силу условий теоремы и аналога формулы Ньютона для операторов имеем оценку
Из
(1.284) следует, что
,
в силу чего оценка для
принимает вид
(1.287)
Так
как в силу (1.285)
,
то
.
Поскольку
,
тогда 2>1.
С учетом последних соотношений имеем, что
Индуктивные рассуждения позволяют получить оценку
. (1.288)
При
этом последовательность элементов
монотонно убывает, а последовательность
итерационных параметров
монотонно возрастает.
Переходя к пределу в (1.288) при , убеждаемся в том, что последовательность элементов , генерируемая формулами (1.282) – (1.284) сходится по функционалу к . Стандартными рассуждениями нетрудно показать сильную (по норме) сходимость последовательности элементов к и справедливость оценки (1.286).
Сверхлинейность
процесса следует из (1.287) при
.
Теорема
доказана.
Теоремы,
аналогичные доказанной выше, могут быть
сформулированы и доказаны относительно
процессов, где
и очередные приближения определяем
формулами (1.274) – (1.281).
Аналогично теореме 1.51 может быть сформулирована и доказана теорема с использованием доказательных вычислений, позволяющая снять априорное требование существования в D решения .
Рассмотренные выше частично регуляризованные варианты метода хорд оказываются малоэффективными в случае “плохих” задач. Для решения “плохих” задач применяют регуляризованные итерационные процессы, в которых поправка xn находится из решения уравнения
здесь
оператор, сопряженный оператору
,
который является оператором первой
разделенной разности, а шаговые длины
по одной из формул этого параграфа или
из соотношений (1.274) – (1.281).
Перейдем к рассмотрению других нелокальных итерационных процессов, отличных от метода хорд.
Исследуя
процессы, описываемые нелинейными
уравнениями, мы почти всегда имеем дело
с приближёнными решениями. Чрезвычайно
важными являются два вопроса, как
эффективно организовать процесс
получения приближённого решения и
насколько точно это приближённое решение
описывает реальный процесс, в частности,
существует ли в определённой окрестности
приближённого решения точное изолированное
решение уравнения
,
где X–
B-пространство.
Для решения уравнения (1.1) часто используют метод Ньютона с регулировкой шага (МНРШ)
(1.289)
или варианты метода Гаусса-Ньютона с регулировкой шага (МГНРШ)
(1.290)
,
,
Здесь
Е– единичный оператор;
–производная
Фреше оператора f
на элементе
оператор, сопряжённый оператору
;
и
–
операторы, обратные соответственно
операторам
и
.
В зависимости от способа получения итерационных параметров различают варианты МНРШ (1.289) и МГНРШ (1.290) [83].
Относительно
оператора f
обычно полагают, что
и в D
существует ограниченный обратный
оператор
.
В ряде важных практических задач оператор
f
лишь непрерывен
в D
и
выполняются условия
(1.291)
Здесь
–
разностное отношение первого порядка
оператора f
[111]. Ниже будем рассматривать уравнения
с негладкими операторами.
Нерегуляризованные алгоритмы (МНРШ). Одношаговые методы.
Пусть
оператор
и такой, что выполняются условия (1.291).
Рассмотрим итерационный процесс
(1.292)
Используя, рассмотренный выше, аналог интерполяционной формулы Ньютона для операторов и соотношение (1.292), имеем оценку
(1.293)
Соотношение
(1.293) является базовым при рассмотрении
семейства итерационных процессов,
которые получаются при различных
способах введения итерационных параметров
(способах
регулировки шага). Если, следуя идеям
работы [83], определить итерационные
параметры
следующим образом:
(1.294)
,
,
то, взяв
таким, чтобы выполнялось соотношение
,
из (1.293), (1.294) имеем, что
;
и
.
Индуктивные рассуждения позволяют
утверждать, что итерационные параметры
с четными и нечетными индексами образуют
монотонно возрастающие последовательности,
нормы последовательности элементов
монотонно убывают к нулю, все
,
и если в области
решение
уравнения (1.1) существует, то итерационный
процесс (1.292), (1.294) сходится к
.
Нетрудно проверить, что процесс(1.292),
(1.294) с
имеет квадратичную скорость сходимости.
Действительно, из (1.293) при
имеем, что
или
.
Из последнего неравенства следует, что
достаточным условием квадратичной
сходимости процесса (1.289) с
является условие
.
В процессе реализации алгоритма (1.289),
(1.294) это условие при некотором номере
k
начинает выполняться. Тогда, как следует
из (1.294),
для
будут равными единице. Таким образом,
нами доказана
Теорема 1.53. Пусть в области существует решение и оператор f удовлетворяет условиям (1.291). Тогда, если , итерационный процесс (1.292), (1.294) со сверхлинейной (локально квадратичной) скоростью сходится к .
Замечание 20. Итерационный процесс лишь символически записывается в виде (1.292). В действительности реализуется следующая пошаговая процедура, при этом находится по некоторому правилу.
Шаг 1. Решается линейная система
Шаг 2.
Шаг 3.
Если
и (или)
(
–
параметр останова,
),
то конец просчётов, иначе переход на
шаг 4.
Шаг4. Если
,
то
,
иначе
находим по правилу (1.294) и переход на шаг
1.
Замечание 21. При использовании процесса (1.292), (1.294) знание оценок глобальных констант K, B, M не требуется, важен лишь факт их существования.
Замечание
22.
В работе
[110] доказана локальная квадратичная
сходимость процесса (1.292) с
для случая, когда оператор разделённой
разности первого порядка симметричен,
т.е. выполняется условие
.
Это требование, как показано в [96],
является чрезвычайно обременительным
и ему не удовлетворяют операторы
разделённой разности первого порядка
во всех важных для практики случаях.
Выше доказана локальная квадратичная сходимость процесса (1.292) с без использования симметричности оператора разделённой разности первого порядка.
В итерационном процессе (1.292), (1.294) шаговая длина автоматически изменялась непропорционально изменению нормы невязки, что позволяет эффективно управлять процессом.
Определим итерационные параметры формулами
(1.295)
(1.296)
Теорема
1.54. Пусть в
области
выполняются условия теоремы 1.53 и, кроме
того, имеет место неравенство
.
Тогда итерационный процесс (1.292), (1.295),
(1.296) со сверхлинейной скоростью сходится
к
.
Доказательство. Из формулы (1.295) следует, что справедливо равенство
(1.297)
которое при замене
n
на
имеет вид
(1.298)
Разделив соотношение (1.297) на соотношение (1.298). Имеем оценку, связывающую шаговую длину с нормой невязки:
, (1.299)
В
силу (1.293) и условий теоремы справедлива
оценка
.
С учётом (1.293) и (1.295) имеем оценку
Продолжая индуктивные рассуждения и учитывая соотношение (1.299), нетрудно получить оценку
, (1.300)
из которой с
очевидностью следует сходимость по
функционалу последовательности
приближённых решений
к
,
а также сильная сходимость последовательности
к
.
Далее
покажем, что
/;(0
при
.
Положив противное, из (1.295), (1.300) имеем,
что
со сверхлинейной скоростью, а из (1.296).
(1.300) следует, что
стремится к нулю со скоростью не выше
линейной. Противоречие будет снято,
если отказаться от предположения, что
при
.
Как
следует из (1.296),
аппроксимирует
,
а из (1.300) следует, что существует такой
номер k,
что для всех i>k
начинает выполняться условие
,
и мы имеем локальную квадратичную
сходимость процесса (1.292), (1.296), (1.297).
Стандартными рассуждениями нетрудно
показать, что все последовательные
приближения
.
Теорема
доказана.
Рассмотрим один из представителей многошаговых методов, когда на шаге 4 итерационный параметр находится по формуле
Нетрудно заметить, что шаговые длины и нормы невязок на соседних шагах связаны соотношением
из которого следует,
что
.
В связи с вышесказанным и базовым соотношением, связывающем нормы невязок на соседних шагах, доказывается достаточно просто
Теорема 1.55. Пусть
в сфере
существует решение
.
Тогда итерационный процесс
,
,
,
при выполнении
условия
со сверхлинейной (локально с квадратичной)
скоростью сходится к
.
Аналогичные теоремы могут быть сформулированы и достаточно просто доказаны относительно других способов задания шаговой длины.
Среди нелокальных методов сходящихся со сверхлинейной скоростью отметим методы, в которых шаговая длина определяется следующим образом:
одношаговый метод неполного прогноза
1-ый способ –
(1.301)
одношаговый метод полного прогноза
2-ой способ –
(1.302)
многошаговые методы неполного прогноза
3-ий
способ –
(1.303)
;
4-ый
способ –
(1.304)
;
.
5-ый
способ –
, (1.305)
;
многошаговые методы полного прогноза
6-ой
способ –
; (1.306)
;
7-ой
способ –
(1.307)
8-ой
способ –
; (1.308)
;
9-ый способ –
(1.309)
Требование
существования ограниченного оператора
во всей области D
является также достаточно обременительным
условием. Попытаемся снять это условие,
для чего, следуя идеям работы [60], введём
соотношения, связывающие нормы операторов
и
:
Здесь
Если
,
то в силу теоремы Банаха существует
оператор, обратный оператору
и справедлива оценка
.
Используя аналог интерполяционной
формулы Ньютона для операторов и формулу
(1.292) при
,
получим оценку
(1.310)
Тогда
определим
так, чтобы при переходе от точки
к точке
выполнялось
соотношение
,
где
.
Неравенство
справедливо при
.
Нетрудно получить радиус области
существования решения уравнения (1.1) в
сфере
.
Учитывая (1.310), получаем оценку для
сходящегося процесса (1.394) с
(1.311)
Наряду с оценкой(1.311) может быть получена оценка (1.312)
. (1.312)
Найдём
условие, при выполнении которого решений
в области
не более одного. Положим, что в
существуют два решения
и
.
Тогда, если имеют место соотношения
(1.291), получим оценку
(1.313)
Здесь
.
Если в (1.313) потребовать, чтобы
или
то в сфере
будет не более одного решения.
В
условиях сходящегося процесса (1.292) с
рассмотрим неравенство
(1.314)
которое равносильно
утверждению
.
Из (1.314) следует оценка
. (1.315)
Если
в качестве
взять правую часть соотношения (1.312) и
потребовать выполнение условия
(1.316)
то неравенство (1.316) также равносильно утверждению . Из оценки (1.316) имеем соотношение, связывающее нормы поправок на соседних шагах:
(1.317)
Так
как
то
Тогда из выполнения соотношения
(1.318)
будет следовать неравенство (1.317). Таким образом, из сходимости процесса и утверждения следует (1.318). С другой стороны, если выполняется соотношение (1.318), то . В самом деле, соотношение (1.318) эквивалентно
(1.319)
Но
в условиях сходящегося процесса величина
‑ минимальный радиус единственности,
поэтому из (1.319) и сходимости процесса
следует, что
,
а это условие того, что
.
Таким образом, может быть сформулирована
Теорема
1.56. Пусть
оператор f
удовлетворяет
в D
условиям (1.291). Тогда итерационный процесс
(1.292) с
при выполнении соотношения (1.318) с
квадратичной скоростью сходится к
единственному в
решению уравнения (1.1).
Замечание 23. Доказанная выше теорема 1.56 относится к классу так называемых «доказательных» вычислений, поскольку вся необходимая информация получается в результате работы вычислительного алгоритма.
