Метод простых итераций

Материал из MachineLearning.

(Различия между версиями)

Текущая версия

Содержание

1 Постановка задачи
2 Метод простых итераций в общем виде
- 2.1 Сходимость метода простых итераций
- 2.2 Геометрическая интерпретация
3 Метод релаксации
- 3.1 Выбор параметра
- 3.2 Ускорение сходимости
4 Метод Вегстейна
5 Программная реализация
6 Примеры тестирования
7 Заключение
8 Ссылки
9 Список литературы

Постановка задачи

Пусть есть функция $y = f(x)$ .
Требуется найти корень этой функции: такой $x$ при котором $f(x)=0$
Решение необходимо найти численно, то есть для реализации на ЭВМ. Для решения этой задачи предлагается использовать метод простых итераций.

Метод простых итераций в общем виде

Заменим исходное уравнение $f(x)=0$ на эквивалентное $g(x)=x$ ,и будем строить итерации по правилу $x_{n+1} = g(x_n)$ . Таким образом метод простой итерации - это одношаговый итерационный процесс. Для того, что бы начать данный процесс, необходимо знать начальное приближение $x_0$ . Выясним условия сходимости метода и выбор начального приближения.

Сходимость метода простых итераций

Метод сходится, если при $k \to \infty$ последовательность { $x_n$ } имеет предел.
Обозначим $U_r(a)$ окресность точки $a$ радиуса $r$ , то есть $U_r(a) = \{x:|x-a|<r\}$ .
Теорема 1. Если $g(x)$ липшиц-непрерывна с константой $q \in (0,1)$ на $U_r(a)$ , то есть выполняется

$|g(x'')-g(x')|<q|x''-x'|$ ,

при этом если также выполнено

$|g(a)-a|<(1-q)r$ ,то уравнение $x = g(x)$ имеет единственное решение на $U_r(a)$ и метод простой итерации сходится к решению при любом выборе начального приближения $x_0 \in U_r(a)$ .Так же справедлива оценка: $|x_k-x_*|<q^k|x_0-x_*|$ ,

где $x_*$ - точное решение.

Из оценки видно, что метод линеен. Пусть $g(x)$ непрерывно дифференцируема на $U_r(a)$ , тогда из теоремы вытекают следующие утверждения:
Следствие 1. Если $|g'(x)| \le q < 1$ для $x \in U_r(a)$ , выполнено $|g(a)-a|<(1-q)r$ , и $x_0 \in U_r(a)$ , тогда уравнение $x = g(x)$ имеет единственное решение на $U_r(a)$ и метод простой итерации сходится к решению.

Следствие 2. Если уравнение $x = g(x)$ имеет решение $x_*$ , $g(x)$ непрерывно дифференцируема на $U_r(x_*)$ и $|g'(x_*)|<1$ . Тогда существует $\eps > 0$ такое, что на $U_{\eps}(x_*)$ уравнение не имеет других решений и метод простой итерации сходится к решению при $x_0 \in U_{\eps}(x_*)$

Геометрическая интерпретация

Рассмотрим график функции $y = g(x)$ . Это озночает, что решение уравнения $f(x) = 0$ и $x=g(x)$ - это точка пересечения $g(x)$ с прямой $y = x$ :

И следующая итерация $x_{x+1} = g(x_n)$ - это координата $x$ пересечения горизонтальной прямой точки $(x_n g(x_n))$ с прямой $y = x$ .

Из рисунка наглядно видно требование сходимости $|g'(x)|<1$ . Чем ближе производная $g'(x)$ к $0$ , тем быстрее сходится алгоритм. В зависимости от знака производной вблизи решения приближения могут строится по разному. Если $g'(x)<0$ , то каждое следующее приближение строится с другой стороны от корня:

Метод релаксации

Так как для сходимости метода очень важен выбор функции $g(x)$ , ее обычно берут вида $g(x)=x+s(x)f(x)$ $(1)$ .

Где $s(x)$ не меняет знака на отрезке, на котором ищется корень функции.
Положим $s(x) = c = const$ и рассмотрим метод в этом случае.
Тогда получим метод 'релаксации':

$f(x_n) = \frac{x_{n+1}-x_{n}}{c}$ ,

для которого $g'(x) = 1+cf'(x)$ , и метод сходится при условии

$-2<cf'(x_*)<0$ ,

Пусть в некоторой окресности корня выполняются условия

$f'(x)<0, 0<m_1<|f'(x)|<M_1$ ,

Тогда метод релаксации сходится при $c \in (0,\frac{2}{M_1}).$

Выбор параметра

Оценим погрешность метода релаксации $z_k=x_k-x_*$

$f(x_*+z_n) = \frac{z_{n+1}-z_{n}}{c}$ ,

Применяя теорему о среднем получаем

$f'(x_*+{\theta}z_n)z_n = \frac{z_{n+1}-z_{n}}{c}$ ,

Отсюда

$|z_{n+1}|\le|1+cf'(x_*+{\theta}z_n)||z_n|\le max|1+cf'(x_*+oz_n)||z_n|$ ,

Следовательно

$|z_{n+1}|\le max\{|1-cM_1|,|1-cm_1|\}|z_n|$ ,

Таким образом задача сводится к нахождению минимума функции $F(c)$

$F(c) = max\{|1-cM_1|,|1-cm_1|\}$ ,

Из рассмотрения графика функции видно, что точка минимума определяется

$|1-cM_1| = |1-cm_1|$ при $c\ne 0$ ,

и равна

$c = \frac{2}{M_1+m_1}$

Ускорение сходимости

Как следует из Теоремы 1, метод простых итераций линеен, то есть

$x_n-x_* \approx aq^n$

Воспользуемся этим для оценки погрешности на каждой итерации. Запомним 3 последние итерации и выпишем их оценки:

$x_{k}-x_{*} \approx aq^{k}$ $x_{k+1}-x_{*} \approx aq^{k+1}$ $x_{k+2}-x_{*} \approx aq^{k+2}$

Где $x_{k},x_{k+1},x_{k+2}$ нам известны (вычисленны по какому то линейному алгоритму),а $a,q,x_*$ найдем из системы. Получим:

$x_{*} \approx x_{k+2} - \frac{(x_{k+2}-x_{k+1})^2}{x_{k+2}-2x_{k+1}+x_{k}}$ $(2)$

Метод ускорения сходимости заключается в том, что после вычисления 3 приближений по линейно сходящемуся алгоритму, вычисляется новое приближение по уточняющему правилу (2).
Применительно к методу релаксации имеем:

$x_{*} \approx x_{k+2} - \frac{(x_{k+2}-x_{k+1})^2}{x_{k+2}-2x_{k+1}+x_{k}}$
$\frac{x_{n+1}-x_{n}}{c} = f(x_n)$

Следовательно

$x_{*} \approx x_{k} - c\frac{f^2(x_k)}{f(x_k)-f(x_k-cf(x_k))}$

Можно показать, что данный метод имеет уже квадратичную скорость сходимости.

Метод Вегстейна

Метод Вегстейна, вообще говоря, является модификацией метода секущих, однако его можно назвать и улучшенным методом простой итерации, преобразовав вычислительню формулу

$x_k = x_{k-1} - \frac{f(x_{k-1})(x_{k-1}-x_{k-2})}{f(x_{k-1})-f(x_{k-2})}$

к виду

$x_{k}=x_{k-1} - \frac{x_{k-1}-g(x_{k-1})}{(1-\frac{g(x_{k-1})-g(x_{k-2)}}{x_{k-1}-x_{k-2}})}$

Это двухшаговый метод, и для начала вычислений необходимо задать 2 приближения $x_0,x_1$ .

Программная реализация

Все методы были реализованы на языке C++. Доступ к методам осуществяется через класс

PowerIterationMethod

пример кода:

PowerIterationMethod::PowerIterationParams *params = 
        new PowerIterationMethod::PowerIterationParams (
        f1   // Исходная функция
       ,s1   // Функция s(x) в формусле (1) или константа в методе релаксации
       ,1    // Начальное приближение
       ,0    // Второе приближение для метода Вегстейна
       ,0    // Допустимая погрешность решения
       ,1000 // Максимальное количество итераций
       );
PowerIterationMethod *method = new PowerIterationMethod (params);
method->simpleIteration (); // Вычисление по методу простой итерации
printf ("%f\n",method->getResult ());
printf ("%f",method->getEps ());

Примеры тестирования

Ошибкой будем считать $\eps = f(x_k)-f(x_*) = f(x_k)$ и проверим скорость сходимости методов относительно друг друга.
$f(x) = -(\log(x)-\cos(x))$ $\eps = 10^{-5}$
Начальное приближение $x_0 = 1$
1. Метод простой итерации с $s(x) = 1$ .
Сходимость за 28 шагов.
2. Метод простой итерации с $s(x) = \sin x$ .
Сходимость за 21 шаг.
3. Ускоренный метод простой итерации.
Сходимость за 3 шага.
4. Метод Вегстейна.
Сходимость за 3 шага.

$f(x) = -(\frac{1}{2}+x^2-\cos x)$ Корень $x_* \approx 0.58$
$\eps = 10^{-5}$
Начальное приближение $x_0 = 1$
1. Метод простой итерации с $s(x) = 1$ .
Сходимость за 23 шагов.
2. Метод простой итерации с $s(x) = \sin x$ .
Сходимость за 5 шаг.
3. Ускоренный метод простой итерации.
Сходимость за 4 шага.
4. Метод Вегстейна.
Сходимость за 4 шага.

$f(x) = -(\frac{1}{2}+x^2-\cos x)$ Корень $x_* \approx 0.58$
$\eps = 10^{-8}$
Начальное приближение $x_0 = 0.4$
1. Метод простой итерации с $s(x) = 1$ .
Сходимость за 43 шагов.
2. Метод простой итерации с $s(x) = \sin x$ .
Сходимость за 7 шагов.
3. Ускоренный метод простой итерации.
Сходимость за 5 шагов.
4. Метод Вегстейна.
Сходимость за 7 шагов.

Исходный код можно скачать Код программы

Заключение

Ссылки

Практикум ММП ВМК, 4й курс, осень 2008

Список литературы

А.А.Самарский, А.В.Гулин. Численные методы. Москва «Наука», 1989.
Н.Н.Калиткин. Численные методы. Москва «Наука», 1978.

Это незавершённая статья. Вы поможете проекту, исправив и дополнив её.

Источник — «http://machinelearning.ru/wiki/index.php?title=%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8B%D1%85_%D0%B8%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B9»

Категория: Незавершённые статьи

@@ Строка 1: / Строка 1: @@
 == Постановка задачи ==
 Пусть есть функция <tex>y = f(x)</tex>.<br>
-Требуется найти корень этой функции, то есть <tex>x</tex> при котором <tex>f(x)=0</tex><br>
+Требуется найти корень этой функции: такой <tex>x</tex> при котором <tex>f(x)=0</tex><br>
-Решение необходимо найти численно, то есть для реализации на ЭВМ. Для решения этой задачи предлагается использовать метод простых итераций и его обобщения.
+Решение необходимо найти численно, то есть для реализации на ЭВМ. Для решения этой задачи предлагается использовать метод простых итераций.
-=== Метод простых итераций в общем виде ===
+== Метод простых итераций в общем виде ==
-Заменеим исходное уравнение <tex>f(x)=0</tex> на эквивалентное <tex>g(x)=x</tex>.<br>
+Заменим исходное уравнение <tex>f(x)=0</tex> на эквивалентное <tex>g(x)=x</tex>,и будем строить итерации по правилу <tex>x_{n+1} = g(x_n)</tex>. Таким образом метод простой итерации - это одношаговый итерационный процесс. Для того, что бы начать данный процесс, необходимо знать начальное приближение <tex>x_0</tex>. Выясним условия сходимости метода и выбор начального приближения.
-Итерации будем строить по правилу <tex>g(x_n)=x_{n+1}</tex><br>
+===Сходимость метода простых итераций===
-Для сходимости метода очень важен выбор функции <tex>g(x)</tex>, поэтому ее обычно берут вида <tex>g(x)=x+s(x)f(x).</tex><br>
+Метод сходится, если при <tex>k \to \infty </tex> последовательность {<tex>x_n</tex>} имеет предел.<br>
+Обозначим <tex>U_r(a)</tex> окресность точки <tex>a</tex> радиуса <tex>r</tex>, то есть <tex>U_r(a) = \{x:|x-a|<r\}</tex>.<br>
+'''Теорема 1.''' Если <tex>g(x)</tex> липшиц-непрерывна с константой <tex>q \in (0,1)</tex> на <tex>U_r(a)</tex>, то есть выполняется
+<center><tex>|g(x'')-g(x')|<q|x''-x'|</tex>,</center>
+при этом если также выполнено
+<center><tex>|g(a)-a|<(1-q)r</tex>,</center>то уравнение <tex>x = g(x)</tex> имеет единственное решение на <tex>U_r(a)</tex> и метод простой итерации сходится к решению при любом выборе начального приближения <tex>x_0 \in U_r(a)</tex>.Так же справедлива оценка:
+<center><tex>|x_k-x_*|<q^k|x_0-x_*|</tex>,</center>
+где <tex>x_*</tex> - точное решение.<br><br>
+Из оценки видно, что метод линеен.
+Пусть <tex>g(x)</tex> непрерывно дифференцируема на <tex>U_r(a)</tex>, тогда из теоремы вытекают следующие утверждения:<br>
+'''Следствие 1.''' Если <tex>|g'(x)| \le q < 1</tex> для <tex>x \in U_r(a)</tex>, выполнено <tex>|g(a)-a|<(1-q)r</tex>, и <tex>x_0 \in U_r(a)</tex>, тогда уравнение <tex>x = g(x)</tex> имеет единственное решение на <tex>U_r(a)</tex> и метод простой итерации сходится к решению.<br><br>
+'''Следствие 2.''' Если уравнение <tex>x = g(x)</tex> имеет решение  <tex>x_*</tex>, <tex>g(x)</tex> непрерывно дифференцируема на <tex>U_r(x_*)</tex> и <tex>|g'(x_*)|<1</tex>. Тогда существует <tex>\eps > 0</tex> такое, что на <tex>U_{\eps}(x_*)</tex> уравнение не имеет других решений и метод простой итерации сходится к решению при <tex>x_0 \in U_{\eps}(x_*)</tex><br>
+===Геометрическая интерпретация===
+Рассмотрим график функции <tex> y = g(x)</tex>. Это озночает, что решение уравнения <tex>f(x) = 0</tex> и <tex>x=g(x)</tex> - это точка пересечения <tex>g(x)</tex> с прямой <tex>y = x</tex>:<br>
+<center>[[Изображение:PowerIterationMethod.jpg|300px]]</center>
+И следующая итерация <tex>x_{x+1} = g(x_n)</tex> - это координата <tex>x</tex> пересечения горизонтальной прямой точки <tex>(x_n g(x_n))</tex> с прямой <tex>y = x</tex>.<br>
+<center>[[Изображение:PowerIterationMethod4.jpg|300px]]</center>
+<br>
+Из рисунка наглядно видно требование сходимости <tex>|g'(x)|<1</tex>.  Чем ближе производная <tex>g'(x)</tex> к <tex>0</tex>, тем быстрее сходится алгоритм. В зависимости от знака производной вблизи решения приближения могут строится по разному. Если <tex>g'(x)<0</tex>, то каждое следующее приближение строится с другой стороны от корня:<br>
+<center>[[Изображение:PowerIterationMethod2.jpg|300px]]</center>
+==Метод релаксации==
+Так как для сходимости метода очень важен выбор функции <tex>g(x)</tex>,  ее обычно берут вида <center><tex>g(x)=x+s(x)f(x)</tex>     <tex>(1)</tex>.</center>
 Где <tex>s(x)</tex> не меняет знака на отрезке, на котором ищется корень функции.<br>
-Таким образом метод простой итерации - это одношаговый итерационны процесс.<br>
+Положим <tex>s(x) = c = const </tex> и рассмотрим метод в этом случае.<br>
-===Метод релаксации===
+Тогда получим метод 'релаксации':
-Положим <tex>s(x) = c = const </tex> b и рассмотрим метод в этом случае.<br>
+<center><tex>f(x_n) = \frac{x_{n+1}-x_{n}}{c}</tex>,</center>
-Тогда получим <tex>f(x_n) = \frac{x_{n+1}-x{n}}{c}</tex>
+для которого <tex>g'(x) = 1+cf'(x)</tex>, и метод сходится при условии
-===Сходимость метода===
+<center><tex>-2<cf'(x_*)<0</tex>,</center>
+Пусть в некоторой окресности корня выполняются условия
+<center><tex>f'(x)<0, 0<m_1<|f'(x)|<M_1</tex>,</center>
+Тогда метод релаксации сходится при <tex>c \in (0,\frac{2}{M_1}).</tex>
+===Выбор параметра===
+Оценим погрешность метода релаксации <tex>z_k=x_k-x_*</tex>
+<center><tex>f(x_*+z_n) = \frac{z_{n+1}-z_{n}}{c}</tex>,</center>
+Применяя теорему о среднем получаем
+<center><tex>f'(x_*+{\theta}z_n)z_n = \frac{z_{n+1}-z_{n}}{c}</tex>,</center>
+Отсюда
+<center><tex>|z_{n+1}|\le|1+cf'(x_*+{\theta}z_n)||z_n|\le max|1+cf'(x_*+oz_n)||z_n|</tex>,</center>
+Следовательно
+<center><tex>|z_{n+1}|\le max\{|1-cM_1|,|1-cm_1|\}|z_n|</tex>,</center>
+Таким образом задача сводится к нахождению минимума функции <tex>F(c)</tex>
+<center><tex>F(c) = max\{|1-cM_1|,|1-cm_1|\}</tex>,</center>
+Из рассмотрения графика функции видно, что точка минимума определяется
+<center><tex>|1-cM_1| = |1-cm_1|</tex> при <tex>c\ne 0 </tex>,</center>
+и равна
+<center><tex>c = \frac{2}{M_1+m_1}</tex> </center>
+===Ускорение сходимости===
+Как следует из '''Теоремы 1''', метод простых итераций линеен, то есть
+<center><tex>x_n-x_* \approx aq^n</tex> </center>
+Воспользуемся этим для оценки погрешности на каждой итерации. Запомним 3 последние итерации и выпишем их оценки:
+<center><tex> x_{k}-x_{*} \approx aq^{k}</tex> </center>
+<center><tex> x_{k+1}-x_{*} \approx aq^{k+1}</tex> </center>
+<center><tex> x_{k+2}-x_{*} \approx aq^{k+2}</tex> </center>
+Где <tex> x_{k},x_{k+1},x_{k+2}</tex> нам известны (вычисленны по какому то линейному алгоритму),а <tex>a,q,x_*</tex> найдем из системы. Получим:
+<center><tex> x_{*} \approx x_{k+2} - \frac{(x_{k+2}-x_{k+1})^2}{x_{k+2}-2x_{k+1}+x_{k}}</tex>      <tex>(2)</tex></center>
+Метод ускорения сходимости заключается в том, что после вычисления 3 приближений по линейно сходящемуся алгоритму, вычисляется новое приближение по уточняющему правилу (2).<br>
+Применительно к методу релаксации имеем:
+<center><tex> x_{*} \approx x_{k+2} - \frac{(x_{k+2}-x_{k+1})^2}{x_{k+2}-2x_{k+1}+x_{k}}</tex> </center><br>
+<center><tex>\frac{x_{n+1}-x_{n}}{c} = f(x_n)</tex> </center>
+Следовательно
+<center><tex> x_{*} \approx x_{k} - c\frac{f^2(x_k)}{f(x_k)-f(x_k-cf(x_k))}</tex> </center>
+Можно показать, что данный метод имеет уже квадратичную скорость сходимости.
+==Метод Вегстейна==
+Метод Вегстейна, вообще говоря, является модификацией метода секущих, однако его можно назвать и улучшенным методом простой итерации, преобразовав вычислительню формулу
+<center><tex>x_k = x_{k-1} - \frac{f(x_{k-1})(x_{k-1}-x_{k-2})}{f(x_{k-1})-f(x_{k-2})}</tex></center>
+к виду
+<center><tex>x_{k}=x_{k-1} - \frac{x_{k-1}-g(x_{k-1})}{(1-\frac{g(x_{k-1})-g(x_{k-2)}}{x_{k-1}-x_{k-2}})}</tex></center>
+Это двухшаговый метод, и для начала вычислений необходимо задать 2 приближения <tex>x_0,x_1</tex>.
+== Программная реализация ==
+Все методы были реализованы на языке C++. Доступ к методам осуществяется через класс
+ PowerIterationMethod
+пример кода:
+ PowerIterationMethod::PowerIterationParams *params =
+         new PowerIterationMethod::PowerIterationParams (
+         f1   // Исходная функция
+        ,s1   // Функция s(x) в формусле (1) или константа в методе релаксации
+        ,1    // Начальное приближение
+        ,0    // Второе приближение для метода Вегстейна
+        ,0    // Допустимая погрешность решения
+        ,1000 // Максимальное количество итераций
+        );
+ PowerIterationMethod *method = new PowerIterationMethod (params);
+ method->simpleIteration (); // Вычисление по методу простой итерации
+ printf ("%f\n",method->getResult ());
+ printf ("%f",method->getEps ());
-== Числовые примеры ==
+== Примеры тестирования  ==
-== Рекомендации программисту ==
+Ошибкой будем считать <tex>\eps = f(x_k)-f(x_*) = f(x_k)</tex> и проверим скорость сходимости методов относительно друг друга.<br>
+<tex>f(x) = -(\log(x)-\cos(x))</tex>
+<tex>\eps = 10^{-5}</tex><br>
+Начальное приближение <tex> x_0 = 1</tex><br>
+. Метод простой итерации с <tex>s(x) = 1</tex>.<br>
+Сходимость за 28 шагов.<br>
+. Метод простой итерации с <tex>s(x) = \sin x</tex>.<br>
+Сходимость за 21 шаг.<br>
+. Ускоренный метод простой итерации.<br>
+Сходимость за 3 шага.<br>
+. Метод Вегстейна.<br>
+Сходимость за 3 шага.<br><br><br>
+<tex>f(x) = -(\frac{1}{2}+x^2-\cos x)</tex>
+Корень <tex>x_* \approx 0.58 </tex><br>
+<tex>\eps = 10^{-5}</tex><br>
+Начальное приближение <tex> x_0 = 1</tex><br>
+. Метод простой итерации с <tex>s(x) = 1</tex>.<br>
+Сходимость за 23 шагов.<br>
+. Метод простой итерации с <tex>s(x) = \sin x</tex>.<br>
+Сходимость за 5 шаг.<br>
+. Ускоренный метод простой итерации.<br>
+Сходимость за 4 шага.<br>
+. Метод Вегстейна.<br>
+Сходимость за 4 шага.<br><br><br>
+<tex>f(x) = -(\frac{1}{2}+x^2-\cos x)</tex>
+Корень <tex>x_* \approx 0.58 </tex><br>
+<tex>\eps = 10^{-8}</tex><br>
+Начальное приближение <tex> x_0 = 0.4</tex><br>
+. Метод простой итерации с <tex>s(x) = 1</tex>.<br>
+Сходимость за 43 шагов.<br>
+. Метод простой итерации с <tex>s(x) = \sin x</tex>.<br>
+Сходимость за 7 шагов.<br>
+. Ускоренный метод простой итерации.<br>
+Сходимость за 5 шагов.<br>
+. Метод Вегстейна.<br>
+Сходимость за 7 шагов.<br>
+Исходный код можно скачать [[Media:PowerIterationMethod.zip|Код программы]]
 == Заключение ==
 == Ссылки ==
 * [[Практикум ММП ВМК, 4й курс, осень 2008|Практикум ММП ВМК, 4й курс, осень 2008]]
 == Список литературы ==
-* ''А.А.Самарский, А.В.Гулин.''&nbsp; Численные методы. Москва «Наука», 1989.
+* ''А.А.Самарский, А.В.Гулин.'' Численные методы. Москва «Наука», 1989.
-* ''Н.Н.Калиткин.''&nbsp; Численные методы. Москва «Наука», 1978.
+* ''Н.Н.Калиткин.'' Численные методы. Москва «Наука», 1978.
 {{stub}}