雷米茲演算法

雷米茲算法,或稱雷米茲交換算法,由葉夫根尼·列維奇·雷米茲於1934年所發表。 雷米茲算法為一尋找函式簡易近似之疊代算法,特別是定義於切比雪夫空間的函式效果最佳。 一個在切比雪夫空間的典型例子是 n 次項切比雪夫多項式的子空間,屬於實數連續函式之向量空間,定義於 C[a, b] 區間。 給定一子空間,其最佳近似多項式的定義為:可將此近似多項式與原始函式之最大絕對差異最小化者。 在這個情況下,可由equioscillation theorem使其解更精確.

程式

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雷米茲算法由一函式f開始,欲近似一集合X,且在近似的區間上工有 個取樣點 , 通常Chebyshev nodes可映射至該區間,步驟如下:

解線性系統之等式

1.

解線性系統之等式

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(其中 ),

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對於未知的 及E。

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使用 作為多項式 的係數。

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找出集合M,為 之區域極大錯誤點。

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若在 之中的所有 都是相同大小,僅正負號不同的話,則 為極小化極大近似之多項式。若否,則M取代X並重複上述步驟。

此結果稱為最佳近似多項式、切比雪夫近似、或最小化最大近似。

初始化選擇

由於切比雪夫節點在多項式插值理論中所扮演的腳色,故通常選擇其為初始近似的方法。由拉格朗日插值法 L( f) 初始化一函式 f之最佳化問題,可以證明此初始近似之邊界限制為:

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其中節點 ( t, ..., t) 之拉格朗日插值法運算元的常數為

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T為切比雪夫多項式的零點,而

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對提供次最佳之切比雪夫節點來說,其漸進線為

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( γ為歐拉-馬歇羅尼常數),

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而上界為

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Lev Brutman 計算出對 的邊界,而 為切比雪夫多項式之零點

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Rüdiger Günttner由對 之較粗略的估算計算出

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細節討論

在此將提供先前簡述步驟的詳細內容 ,在這個章節令指數 i從 0 跑到 n+1.

步驟 1:給定 , 求 n+2 條等式之線性系統之解

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(其中),

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對於未知的 和 E.

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可以很清楚地觀察到,在這個式子裡 若要成立,只有在節點 為 排序的情況下才能達到,無論是嚴格遞增或遞減。這樣一來這個線性系統便有唯一解。(廣為人知的,並非每個線性系統都可以求解)。 此外,求解之複雜度最少為 ,而一個從函式庫求解的標準計算器需要的複雜度,在此有一簡單證明:

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計算前 n+1個節點之{\displaystyle f(x)}標準 n階插值, 以及對於{\displaystyle (-1)^{i}}之標準 n階插值

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至此,需要次數值運算。

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在 與 之間,多項式 有其 i-階 零點zero between,因此在與之間無任何零點,意即與正負號相同。

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線性組合亦為一 n次多項式

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選擇任何 E,對 ,下列式子與上述等式相同:

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解 E得:

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如前述所提及,上式分母之兩項有相同正負號,因此

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是完整定義的。

給定 n+2 階節點,其誤差為正負輪流:

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de La Vallée Poussin理論說明在這種形況下,沒有誤差少於 E之 n次多項式存在。

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步驟 2把多項式表示由 轉為.

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步驟 3依照以下所述改善輸入節點 的誤差{\displaystyle \pm E}。

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在每個 P-領域,現在的節點 將被區域最大 取代,同樣在每個 N-領域, 將被區域最小取代, 在這部分並不要求高精確律。

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令, 其大小 皆大於或等於 E。 de La Vallée Poussin理論及其證明也可以套用至, 而使此 n次多項式有最小可能誤差的新下界為。

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步驟 4:分別以

與為新的上下界,此疊代算法的終止條件為: 重複上述步驟直到足夠小且不再遞減。

變異

有時候在最大絕對差異點的附近,會有複數個點同時被取代。

有時候相對誤差會被用來衡量函式與其近似的差異,特別是在電腦上用浮點數做運算的函式。

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