1 残差写像と Gauss–Newton 法
定義 1.1. m , n ∈ N ≥ 1 m,n\in\NN m , n ∈ N ≥ 1 とし、U ⊆ R n U\subseteq\R^n U ⊆ R n を開集合とする。
r : U → R m r\colon U\to\R^m r : U → R m をC 1 C^1 C 1 級の写像とし、全微分D r ( x ) Dr(x) D r ( x ) を標準基底に関するm × n m\times n m × n 行列と同一視してJ ( x ) : = D r ( x ) J(x):=Dr(x) J ( x ) := D r ( x ) と書く。ϕ : U → R \phi\colon U\to\R ϕ : U → R をϕ ( x ) : = 1 2 ∥ r ( x ) ∥ 2 2 \phi(x):=\frac12\lVert r(x)\rVert_2^2 ϕ ( x ) := 2 1 ∥ r ( x ) ∥ 2 2 で定める。ϕ \phi ϕ の局所最小点を求める問題を、残差写像 (residual map )r r r に関する 非線形最小二乗問題 (nonlinear least squares problem ) という。
h : U × R → R h\colon U\times\R\to\R h : U × R → R を、各t ∈ R t\in\R t ∈ R についてx ↦ h ( x , t ) x\mapsto h(x,t) x ↦ h ( x , t ) がC 1 C^1 C 1 級である関数とする。観測時刻t 1 , … , t m ∈ R t_1,\dots,t_m\in\R t 1 , … , t m ∈ R 、観測値y ∈ R m y\in\R^m y ∈ R m 、正の実数w 1 , … , w m w_1,\dots,w_m w 1 , … , w m に対して、r i ( x ) : = w i ( h ( x , t i ) − y i ) r_i(x):=\sqrt{w_i}\,\bigl(h(x,t_i)-y_i\bigr) r i ( x ) := w i ( h ( x , t i ) − y i ) (1 ≤ i ≤ m 1\le i\le m 1 ≤ i ≤ m )で定まる残差写像r r r の非線形最小二乗問題を、モデルh h h のデータ( t i , y i ) i = 1 m (t_i,y_i)_{i=1}^m ( t i , y i ) i = 1 m への重みw w w による 当てはめ (curve fitting ) という。このときϕ ( x ) = 1 2 ∑ i = 1 m w i ( h ( x , t i ) − y i ) 2 \phi(x)=\frac12\sum_{i=1}^mw_i\bigl(h(x,t_i)-y_i\bigr)^2 ϕ ( x ) = 2 1 ∑ i = 1 m w i ( h ( x , t i ) − y i ) 2 である。
補題 1.2. m m m 、n n n 、U U U 、r r r 、J J J 、ϕ \phi ϕ を定義 1.1 のとおりとする。
ϕ \phi ϕ はC 1 C^1 C 1 級であり、任意のx ∈ U x\in U x ∈ U について∇ ϕ ( x ) = J ( x ) T r ( x ) \nabla\phi(x)=J(x)^{\mathsf T}r(x) ∇ ϕ ( x ) = J ( x ) T r ( x ) である。
r r r がC 2 C^2 C 2 級ならばϕ \phi ϕ はC 2 C^2 C 2 級であり、任意のx ∈ U x\in U x ∈ U について
∇ 2 ϕ ( x ) = J ( x ) T J ( x ) + ∑ i = 1 m r i ( x ) ∇ 2 r i ( x ) \nabla^2\phi(x)=J(x)^{\mathsf T}J(x)+\sum_{i=1}^mr_i(x)\nabla^2r_i(x) ∇ 2 ϕ ( x ) = J ( x ) T J ( x ) + i = 1 ∑ m r i ( x ) ∇ 2 r i ( x )
である。
定義 1.3. m m m 、n n n 、U U U 、r r r 、J J J 、ϕ \phi ϕ を定義 1.1 のとおりとし、D G N : = { x ∈ U ∣ J ( x ) の列は一次独立 } D_{\mathrm{GN}}:=\{x\in U\mid J(x)\text{ の列は一次独立}\} D GN := { x ∈ U ∣ J ( x ) の列は一次独立 } と置く。D G N ≠ ∅ D_{\mathrm{GN}}\ne\emptyset D GN = ∅ ならばm ≥ n m\ge n m ≥ n である。x ∈ D G N x\in D_{\mathrm{GN}} x ∈ D GN とする。§E20.6 命題 1.2 (2) により、J ( x ) p = − r ( x ) J(x)p=-r(x) J ( x ) p = − r ( x ) の最小二乗解、すなわちp ↦ ∥ r ( x ) + J ( x ) p ∥ 2 p\mapsto\lVert r(x)+J(x)p\rVert_2 p ↦ ∥ r ( x ) + J ( x ) p ∥ 2 の最小値を与えるp ∈ R n p\in\R^n p ∈ R n はただ一つ存在し、§E20.9 命題 6.1 (3) により
s ( x ) : = − ( J ( x ) T J ( x ) ) − 1 J ( x ) T r ( x ) = − J ( x ) † r ( x ) s(x):=-\bigl(J(x)^{\mathsf T}J(x)\bigr)^{-1}J(x)^{\mathsf T}r(x)=-J(x)^\dagger r(x) s ( x ) := − ( J ( x ) T J ( x ) ) − 1 J ( x ) T r ( x ) = − J ( x ) † r ( x ) である。s ( x ) s(x) s ( x ) をx x x における Gauss–Newton 修正量 (Gauss-Newton step ) といい、G ( x ) : = x + s ( x ) G(x):=x+s(x) G ( x ) := x + s ( x ) で定まるG : D G N → R n G\colon D_{\mathrm{GN}}\to\R^n G : D GN → R n を Gauss–Newton 反復写像 (Gauss-Newton iteration map ) という。x 0 ∈ U x_0\in U x 0 ∈ U とし、x k ∈ D G N x_k\in D_{\mathrm{GN}} x k ∈ D GN であるときx k + 1 : = G ( x k ) x_{k+1}:=G(x_k) x k + 1 := G ( x k ) と置く。この反復を Gauss–Newton 法 (Gauss-Newton method ) といい、すべてのk ∈ N ≥ 0 k\in\N k ∈ N ≥ 0 でx k ∈ D G N x_k\in D_{\mathrm{GN}} x k ∈ D GN であるとき、Gauss–Newton 法の反復列( x k ) k ∈ N ≥ 0 (x_k)_{k\in\N} ( x k ) k ∈ N ≥ 0 が定まるという。J ( x ) T J ( x ) J(x)^{\mathsf T}J(x) J ( x ) T J ( x ) は正則であるから、補題 1.2 (1) により、x ∈ D G N x\in D_{\mathrm{GN}} x ∈ D GN についてG ( x ) = x G(x)=x G ( x ) = x であることと∇ ϕ ( x ) = 0 \nabla\phi(x)=0 ∇ ϕ ( x ) = 0 であることは同値である。m = n m=n m = n ならばJ ( x ) † = J ( x ) − 1 J(x)^\dagger=J(x)^{-1} J ( x ) † = J ( x ) − 1 であり、G G G は§E20.23 定義 1.1 のN r N_r N r に一致する。
2 零残差での局所収束
補題 2.1. m m m 、n n n 、U U U 、r r r 、J J J を定義 1.1 のとおりとし、D G N D_{\mathrm{GN}} D GN 、G G G を定義 1.3 のとおりとする。
D G N D_{\mathrm{GN}} D GN は開集合であり、x ↦ J ( x ) † x\mapsto J(x)^\dagger x ↦ J ( x ) † はD G N D_{\mathrm{GN}} D GN 上で連続である。r r r がC 2 C^2 C 2 級ならば、x ↦ J ( x ) † x\mapsto J(x)^\dagger x ↦ J ( x ) † とG G G はD G N D_{\mathrm{GN}} D GN 上でC 1 C^1 C 1 級である。
x ∗ ∈ D G N x_*\in D_{\mathrm{GN}} x ∗ ∈ D GN とし、σ ∗ : = σ n ( J ( x ∗ ) ) \sigma_*:=\sigma_n(J(x_*)) σ ∗ := σ n ( J ( x ∗ )) と置く。x ∈ U x\in U x ∈ U が∥ J ( x ) − J ( x ∗ ) ∥ 2 ≤ σ ∗ / 2 \lVert J(x)-J(x_*)\rVert_2\le\sigma_*/2 ∥ J ( x ) − J ( x ∗ ) ∥ 2 ≤ σ ∗ /2 を満たすならば、x ∈ D G N x\in D_{\mathrm{GN}} x ∈ D GN であり、J ( x ) † J ( x ) = I n J(x)^\dagger J(x)=I_n J ( x ) † J ( x ) = I n 、∥ J ( x ) † ∥ 2 ≤ 2 / σ ∗ \lVert J(x)^\dagger\rVert_2\le2/\sigma_* ∥ J ( x ) † ∥ 2 ≤ 2/ σ ∗ が成り立つ。
証明. (1) を示す。x ∈ D G N x\in D_{\mathrm{GN}} x ∈ D GN をとる。§E20.6 補題 2.1 (2) によりσ n ( J ( x ) ) > 0 \sigma_n(J(x))>0 σ n ( J ( x )) > 0 である。§E20.6 補題 2.1 (1) により∥ J ( y ) − J ( x ) ∥ 2 ≤ ∥ J ( y ) − J ( x ) ∥ F \lVert J(y)-J(x)\rVert_2\le\lVert J(y)-J(x)\rVert_F ∥ J ( y ) − J ( x ) ∥ 2 ≤ ∥ J ( y ) − J ( x ) ∥ F であり、J J J は連続であるから、x x x の開近傍W ⊆ U W\subseteq U W ⊆ U が存在して、y ∈ W y\in W y ∈ W ならば∥ J ( y ) − J ( x ) ∥ 2 < σ n ( J ( x ) ) \lVert J(y)-J(x)\rVert_2<\sigma_n(J(x)) ∥ J ( y ) − J ( x ) ∥ 2 < σ n ( J ( x )) である。§E20.6 補題 2.1 (3) により、y ∈ W y\in W y ∈ W ならばJ ( y ) J(y) J ( y ) の列は一次独立であり、W ⊆ D G N W\subseteq D_{\mathrm{GN}} W ⊆ D GN である。したがってD G N D_{\mathrm{GN}} D GN は開集合である。y ∈ D G N y\in D_{\mathrm{GN}} y ∈ D GN についてM ( y ) : = J ( y ) T J ( y ) M(y):=J(y)^{\mathsf T}J(y) M ( y ) := J ( y ) T J ( y ) は§E20.6 命題 1.2 (2) により正則であり、余因子行列による逆行列の表示から、M ( y ) − 1 M(y)^{-1} M ( y ) − 1 の各成分はM ( y ) M(y) M ( y ) の成分の多項式をdet M ( y ) ≠ 0 \det M(y)\ne0 det M ( y ) = 0 で割ったものである。M ( y ) M(y) M ( y ) の成分はJ ( y ) J(y) J ( y ) の成分の多項式であるから、J ( y ) † = M ( y ) − 1 J ( y ) T J(y)^\dagger=M(y)^{-1}J(y)^{\mathsf T} J ( y ) † = M ( y ) − 1 J ( y ) T の各成分は、J ( y ) J(y) J ( y ) の成分の有理式で分母がD G N D_{\mathrm{GN}} D GN 上で0 0 0 にならないものである。J J J は連続であるからx ↦ J ( x ) † x\mapsto J(x)^\dagger x ↦ J ( x ) † は連続である。r r r がC 2 C^2 C 2 級ならばJ J J はC 1 C^1 C 1 級であるから、x ↦ J ( x ) † x\mapsto J(x)^\dagger x ↦ J ( x ) † はC 1 C^1 C 1 級であり、G ( x ) = x − J ( x ) † r ( x ) G(x)=x-J(x)^\dagger r(x) G ( x ) = x − J ( x ) † r ( x ) もC 1 C^1 C 1 級である。
(2) を示す。§E20.6 補題 2.1 (2) によりσ ∗ > 0 \sigma_*>0 σ ∗ > 0 であり、∥ J ( x ) − J ( x ∗ ) ∥ 2 ≤ σ ∗ / 2 < σ ∗ \lVert J(x)-J(x_*)\rVert_2\le\sigma_*/2<\sigma_* ∥ J ( x ) − J ( x ∗ ) ∥ 2 ≤ σ ∗ /2 < σ ∗ であるから、§E20.6 補題 2.1 (3) によりJ ( x ) J(x) J ( x ) の列は一次独立であってσ n ( J ( x ) ) ≥ σ ∗ / 2 \sigma_n(J(x))\ge\sigma_*/2 σ n ( J ( x )) ≥ σ ∗ /2 である。J ( x ) † J ( x ) = ( J ( x ) T J ( x ) ) − 1 J ( x ) T J ( x ) = I n J(x)^\dagger J(x)=(J(x)^{\mathsf T}J(x))^{-1}J(x)^{\mathsf T}J(x)=I_n J ( x ) † J ( x ) = ( J ( x ) T J ( x ) ) − 1 J ( x ) T J ( x ) = I n であり、§E20.9 命題 6.1 (3) により∥ J ( x ) † ∥ 2 = 1 / σ n ( J ( x ) ) ≤ 2 / σ ∗ \lVert J(x)^\dagger\rVert_2=1/\sigma_n(J(x))\le2/\sigma_* ∥ J ( x ) † ∥ 2 = 1/ σ n ( J ( x )) ≤ 2/ σ ∗ である。▨
定理 2.2. m m m 、n n n 、U U U 、r r r 、J J J を定義 1.1 のとおりとし、D G N D_{\mathrm{GN}} D GN 、G G G を定義 1.3 のとおりとする。R n \R^n R n とR m \R^m R m には Euclid ノルムを、行列にはそれに関する作用素ノルムを用いる。x ∗ ∈ U x_*\in U x ∗ ∈ U はr ( x ∗ ) = 0 r(x_*)=0 r ( x ∗ ) = 0 を満たし、J ( x ∗ ) J(x_*) J ( x ∗ ) の列は一次独立であるとし、σ ∗ : = σ n ( J ( x ∗ ) ) \sigma_*:=\sigma_n(J(x_*)) σ ∗ := σ n ( J ( x ∗ )) と置く。実数R > 0 R>0 R > 0 、γ ≥ 0 \gamma\ge0 γ ≥ 0 について、閉球B ‾ ( x ∗ , R ) : = { x ∈ R n ∣ ∥ x − x ∗ ∥ 2 ≤ R } \overline B(x_*,R):=\{x\in\R^n\mid\lVert x-x_*\rVert_2\le R\} B ( x ∗ , R ) := { x ∈ R n ∣ ∥ x − x ∗ ∥ 2 ≤ R } がU U U に含まれ、任意のx , y ∈ B ‾ ( x ∗ , R ) x,y\in\overline B(x_*,R) x , y ∈ B ( x ∗ , R ) に対して∥ J ( x ) − J ( y ) ∥ 2 ≤ γ ∥ x − y ∥ 2 \lVert J(x)-J(y)\rVert_2\le\gamma\lVert x-y\rVert_2 ∥ J ( x ) − J ( y ) ∥ 2 ≤ γ ∥ x − y ∥ 2 が成り立つとする。γ > 0 \gamma>0 γ > 0 ならばρ : = min { R , σ ∗ / ( 2 γ ) } \rho:=\min\{R,\sigma_*/(2\gamma)\} ρ := min { R , σ ∗ / ( 2 γ )} 、γ = 0 \gamma=0 γ = 0 ならばρ : = R \rho:=R ρ := R と置く。
任意のx ∈ B ‾ ( x ∗ , ρ ) x\in\overline B(x_*,\rho) x ∈ B ( x ∗ , ρ ) についてx ∈ D G N x\in D_{\mathrm{GN}} x ∈ D GN であり、
∥ G ( x ) − x ∗ ∥ 2 ≤ γ σ ∗ ∥ x − x ∗ ∥ 2 2 ≤ 1 2 ∥ x − x ∗ ∥ 2 \lVert G(x)-x_*\rVert_2\le\frac{\gamma}{\sigma_*}\lVert x-x_*\rVert_2^2\le\frac12\lVert x-x_*\rVert_2 ∥ G ( x ) − x ∗ ∥ 2 ≤ σ ∗ γ ∥ x − x ∗ ∥ 2 2 ≤ 2 1 ∥ x − x ∗ ∥ 2
が成り立つ。
任意のx 0 ∈ B ‾ ( x ∗ , ρ ) x_0\in\overline B(x_*,\rho) x 0 ∈ B ( x ∗ , ρ ) について Gauss–Newton 法の反復列( x k ) (x_k) ( x k ) が定まり、すべてのk ∈ N ≥ 0 k\in\N k ∈ N ≥ 0 でx k ∈ B ‾ ( x ∗ , ρ ) x_k\in\overline B(x_*,\rho) x k ∈ B ( x ∗ , ρ ) であって、e k : = x k − x ∗ e_k:=x_k-x_* e k := x k − x ∗ は
∥ e k + 1 ∥ 2 ≤ γ σ ∗ ∥ e k ∥ 2 2 , ∥ e k + 1 ∥ 2 ≤ 1 2 ∥ e k ∥ 2 \lVert e_{k+1}\rVert_2\le\frac{\gamma}{\sigma_*}\lVert e_k\rVert_2^2,\qquad\lVert e_{k+1}\rVert_2\le\frac12\lVert e_k\rVert_2 ∥ e k + 1 ∥ 2 ≤ σ ∗ γ ∥ e k ∥ 2 2 , ∥ e k + 1 ∥ 2 ≤ 2 1 ∥ e k ∥ 2
を満たす。( x k ) (x_k) ( x k ) はx ∗ x_* x ∗ へ少なくとも二次で収束する。γ = 0 \gamma=0 γ = 0 ならばx 1 = x ∗ x_1=x_* x 1 = x ∗ であり、あるk k k でx k = x ∗ x_k=x_* x k = x ∗ ならば、j ≥ k j\ge k j ≥ k を満たすすべてのj j j でx j = x ∗ x_j=x_* x j = x ∗ である。
証明. (1) を示す。x ∈ B ‾ ( x ∗ , ρ ) x\in\overline B(x_*,\rho) x ∈ B ( x ∗ , ρ ) をとり、e : = x − x ∗ e:=x-x_* e := x − x ∗ と置く。Lipschitz 条件とγ ρ ≤ σ ∗ / 2 \gamma\rho\le\sigma_*/2 γ ρ ≤ σ ∗ /2 により∥ J ( x ) − J ( x ∗ ) ∥ 2 ≤ γ ∥ e ∥ 2 ≤ σ ∗ / 2 \lVert J(x)-J(x_*)\rVert_2\le\gamma\lVert e\rVert_2\le\sigma_*/2 ∥ J ( x ) − J ( x ∗ ) ∥ 2 ≤ γ ∥ e ∥ 2 ≤ σ ∗ /2 であるから、補題 2.1 (2) によりx ∈ D G N x\in D_{\mathrm{GN}} x ∈ D GN 、J ( x ) † J ( x ) = I n J(x)^\dagger J(x)=I_n J ( x ) † J ( x ) = I n 、∥ J ( x ) † ∥ 2 ≤ 2 / σ ∗ \lVert J(x)^\dagger\rVert_2\le2/\sigma_* ∥ J ( x ) † ∥ 2 ≤ 2/ σ ∗ である。r ( x ∗ ) = 0 r(x_*)=0 r ( x ∗ ) = 0 であるから
G ( x ) − x ∗ = e − J ( x ) † r ( x ) = J ( x ) † ( J ( x ) e − r ( x ) ) = J ( x ) † ( r ( x ∗ ) − r ( x ) − J ( x ) ( x ∗ − x ) ) G(x)-x_*=e-J(x)^\dagger r(x)=J(x)^\dagger\bigl(J(x)e-r(x)\bigr)=J(x)^\dagger\bigl(r(x_*)-r(x)-J(x)(x_*-x)\bigr) G ( x ) − x ∗ = e − J ( x ) † r ( x ) = J ( x ) † ( J ( x ) e − r ( x ) ) = J ( x ) † ( r ( x ∗ ) − r ( x ) − J ( x ) ( x ∗ − x ) ) である。B ‾ ( x ∗ , ρ ) \overline B(x_*,\rho) B ( x ∗ , ρ ) は凸であるから、t ∈ [ 0 , 1 ] t\in[0,1] t ∈ [ 0 , 1 ] についてx + t ( x ∗ − x ) ∈ B ‾ ( x ∗ , ρ ) ⊆ U x+t(x_*-x)\in\overline B(x_*,\rho)\subseteq U x + t ( x ∗ − x ) ∈ B ( x ∗ , ρ ) ⊆ U であり、Lipschitz 条件から∥ J ( x + t ( x ∗ − x ) ) − J ( x ) ∥ 2 ≤ γ t ∥ e ∥ 2 \lVert J(x+t(x_*-x))-J(x)\rVert_2\le\gamma t\lVert e\rVert_2 ∥ J ( x + t ( x ∗ − x )) − J ( x ) ∥ 2 ≤ γ t ∥ e ∥ 2 である。§E20.23 補題 2.2 をF = r F=r F = r 、a = x a=x a = x 、h = x ∗ − x h=x_*-x h = x ∗ − x に適用すると、右辺の括弧内のベクトルのノルムはγ 2 ∥ e ∥ 2 2 \frac\gamma2\lVert e\rVert_2^2 2 γ ∥ e ∥ 2 2 以下であり、
∥ G ( x ) − x ∗ ∥ 2 ≤ 2 σ ∗ ⋅ γ 2 ∥ e ∥ 2 2 = γ σ ∗ ∥ e ∥ 2 2 \lVert G(x)-x_*\rVert_2\le\frac2{\sigma_*}\cdot\frac\gamma2\lVert e\rVert_2^2=\frac\gamma{\sigma_*}\lVert e\rVert_2^2 ∥ G ( x ) − x ∗ ∥ 2 ≤ σ ∗ 2 ⋅ 2 γ ∥ e ∥ 2 2 = σ ∗ γ ∥ e ∥ 2 2 を得る。γ ∥ e ∥ 2 ≤ γ ρ ≤ σ ∗ / 2 \gamma\lVert e\rVert_2\le\gamma\rho\le\sigma_*/2 γ ∥ e ∥ 2 ≤ γ ρ ≤ σ ∗ /2 であるから、右辺は1 2 ∥ e ∥ 2 \frac12\lVert e\rVert_2 2 1 ∥ e ∥ 2 以下である。
(2) を示す。x k ∈ B ‾ ( x ∗ , ρ ) x_k\in\overline B(x_*,\rho) x k ∈ B ( x ∗ , ρ ) ならば、(1) によりx k ∈ D G N x_k\in D_{\mathrm{GN}} x k ∈ D GN であってx k + 1 = G ( x k ) x_{k+1}=G(x_k) x k + 1 = G ( x k ) が定まり、二つの不等式が成り立ち、∥ e k + 1 ∥ 2 ≤ ρ / 2 \lVert e_{k+1}\rVert_2\le\rho/2 ∥ e k + 1 ∥ 2 ≤ ρ /2 である。x 0 ∈ B ‾ ( x ∗ , ρ ) x_0\in\overline B(x_*,\rho) x 0 ∈ B ( x ∗ , ρ ) から、k k k に関する帰納法により、反復列が定まり、すべてのk k k でx k ∈ B ‾ ( x ∗ , ρ ) x_k\in\overline B(x_*,\rho) x k ∈ B ( x ∗ , ρ ) と二つの不等式が成り立つ。∥ e k ∥ 2 ≤ 2 − k ∥ e 0 ∥ 2 \lVert e_k\rVert_2\le2^{-k}\lVert e_0\rVert_2 ∥ e k ∥ 2 ≤ 2 − k ∥ e 0 ∥ 2 であるからx k → x ∗ x_k\to x_* x k → x ∗ であり、第一の不等式は§E20.4 定義 1.5 の不等式をC = γ / σ ∗ C=\gamma/\sigma_* C = γ / σ ∗ 、k 0 = 0 k_0=0 k 0 = 0 として与える。γ = 0 \gamma=0 γ = 0 ならば第一の不等式から∥ e 1 ∥ 2 ≤ 0 \lVert e_1\rVert_2\le0 ∥ e 1 ∥ 2 ≤ 0 である。e k = 0 e_k=0 e k = 0 ならば第一の不等式からe k + 1 = 0 e_{k+1}=0 e k + 1 = 0 であり、j j j に関する帰納法によりj ≥ k j\ge k j ≥ k についてe j = 0 e_j=0 e j = 0 である。▨
3 非零残差と反復写像の微分
命題 3.1. m m m 、n n n 、U U U 、r r r 、J J J 、ϕ \phi ϕ を定義 1.1 のとおりとし、D G N D_{\mathrm{GN}} D GN 、G G G を定義 1.3 のとおりとする。r r r はC 2 C^2 C 2 級であるとし、x ∗ ∈ D G N x_*\in D_{\mathrm{GN}} x ∗ ∈ D GN は∇ ϕ ( x ∗ ) = 0 \nabla\phi(x_*)=0 ∇ ϕ ( x ∗ ) = 0 を満たすとする。J ∗ : = J ( x ∗ ) J_*:=J(x_*) J ∗ := J ( x ∗ ) 、S ∗ : = ∑ i = 1 m r i ( x ∗ ) ∇ 2 r i ( x ∗ ) S_*:=\sum_{i=1}^mr_i(x_*)\nabla^2r_i(x_*) S ∗ := ∑ i = 1 m r i ( x ∗ ) ∇ 2 r i ( x ∗ ) と置く。このときG G G はx ∗ x_* x ∗ を含む開集合D G N D_{\mathrm{GN}} D GN 上でC 1 C^1 C 1 級であり、G ( x ∗ ) = x ∗ G(x_*)=x_* G ( x ∗ ) = x ∗ であって
D G ( x ∗ ) = − ( J ∗ T J ∗ ) − 1 S ∗ DG(x_*)=-(J_*^{\mathsf T}J_*)^{-1}S_* D G ( x ∗ ) = − ( J ∗ T J ∗ ) − 1 S ∗ が成り立つ。特にr ( x ∗ ) = 0 r(x_*)=0 r ( x ∗ ) = 0 ならばD G ( x ∗ ) = 0 DG(x_*)=0 D G ( x ∗ ) = 0 である。
証明. 補題 2.1 (1) によりD G N D_{\mathrm{GN}} D GN は開集合であり、G G G はその上でC 1 C^1 C 1 級である。定義 1.3 によりG ( x ∗ ) = x ∗ G(x_*)=x_* G ( x ∗ ) = x ∗ である。x ∈ D G N x\in D_{\mathrm{GN}} x ∈ D GN についてM ( x ) : = J ( x ) T J ( x ) M(x):=J(x)^{\mathsf T}J(x) M ( x ) := J ( x ) T J ( x ) と置くと、G G G の定義と補題 1.2 (1) により
M ( x ) ( G ( x ) − x ) = − J ( x ) T r ( x ) = − ∇ ϕ ( x ) M(x)\bigl(G(x)-x\bigr)=-J(x)^{\mathsf T}r(x)=-\nabla\phi(x) M ( x ) ( G ( x ) − x ) = − J ( x ) T r ( x ) = − ∇ ϕ ( x ) である。r r r はC 2 C^2 C 2 級であるからM M M と∇ ϕ \nabla\phi ∇ ϕ はC 1 C^1 C 1 級であり、両辺をx ∗ x_* x ∗ で方向h ∈ R n h\in\R^n h ∈ R n に微分すると、G ( x ∗ ) − x ∗ = 0 G(x_*)-x_*=0 G ( x ∗ ) − x ∗ = 0 と補題 1.2 (2) により
M ( x ∗ ) ( D G ( x ∗ ) h − h ) = − ∇ 2 ϕ ( x ∗ ) h = − M ( x ∗ ) h − S ∗ h M(x_*)\bigl(DG(x_*)h-h\bigr)=-\nabla^2\phi(x_*)h=-M(x_*)h-S_*h M ( x ∗ ) ( D G ( x ∗ ) h − h ) = − ∇ 2 ϕ ( x ∗ ) h = − M ( x ∗ ) h − S ∗ h である。M ( x ∗ ) M(x_*) M ( x ∗ ) は正則であるからD G ( x ∗ ) h = − M ( x ∗ ) − 1 S ∗ h DG(x_*)h=-M(x_*)^{-1}S_*h D G ( x ∗ ) h = − M ( x ∗ ) − 1 S ∗ h を得る。r ( x ∗ ) = 0 r(x_*)=0 r ( x ∗ ) = 0 ならばS ∗ = 0 S_*=0 S ∗ = 0 である。▨
定理 3.2. m m m 、n n n 、U U U 、r r r 、ϕ \phi ϕ 、D G N D_{\mathrm{GN}} D GN 、G G G 、x ∗ x_* x ∗ を命題 3.1 のとおりとする。R n \R^n R n にノルム∥ ⋅ ∥ \lVert\cdot\rVert ∥ ⋅ ∥ を一つ固定し、n n n 次正方行列にはそれに関する作用素ノルムを用いる。∥ D G ( x ∗ ) ∥ < 1 \lVert DG(x_*)\rVert<1 ∥ D G ( x ∗ )∥ < 1 とし、実数q q q が∥ D G ( x ∗ ) ∥ < q < 1 \lVert DG(x_*)\rVert<q<1 ∥ D G ( x ∗ )∥ < q < 1 を満たすとする。
実数δ > 0 \delta>0 δ > 0 が存在して、∥ x 0 − x ∗ ∥ ≤ δ \lVert x_0-x_*\rVert\le\delta ∥ x 0 − x ∗ ∥ ≤ δ を満たす任意のx 0 ∈ R n x_0\in\R^n x 0 ∈ R n について、Gauss–Newton 法の反復列( x k ) (x_k) ( x k ) が定まり、すべてのk ∈ N ≥ 0 k\in\N k ∈ N ≥ 0 で∥ x k − x ∗ ∥ ≤ δ \lVert x_k-x_*\rVert\le\delta ∥ x k − x ∗ ∥ ≤ δ かつ∥ x k + 1 − x ∗ ∥ ≤ q ∥ x k − x ∗ ∥ \lVert x_{k+1}-x_*\rVert\le q\lVert x_k-x_*\rVert ∥ x k + 1 − x ∗ ∥ ≤ q ∥ x k − x ∗ ∥ が成り立ち、x k → x ∗ x_k\to x_* x k → x ∗ である。
(1) の反復列がすべてのk k k でx k ≠ x ∗ x_k\ne x_* x k = x ∗ を満たすならば、lim sup k → ∞ ∥ x k + 1 − x ∗ ∥ / ∥ x k − x ∗ ∥ ≤ ∥ D G ( x ∗ ) ∥ \limsup_{k\to\infty}\lVert x_{k+1}-x_*\rVert/\lVert x_k-x_*\rVert\le\lVert DG(x_*)\rVert lim sup k → ∞ ∥ x k + 1 − x ∗ ∥ / ∥ x k − x ∗ ∥ ≤ ∥ D G ( x ∗ )∥ である。
証明.
主張 3.2.1. ∥ D G ( x ∗ ) ∥ < q ′ < 1 \lVert DG(x_*)\rVert<q'<1 ∥ D G ( x ∗ )∥ < q ′ < 1 を満たす任意の実数q ′ q' q ′ について、実数δ ′ > 0 \delta'>0 δ ′ > 0 が存在して、B ′ : = { x ∈ R n ∣ ∥ x − x ∗ ∥ ≤ δ ′ } B':=\{x\in\R^n\mid\lVert x-x_*\rVert\le\delta'\} B ′ := { x ∈ R n ∣ ∥ x − x ∗ ∥ ≤ δ ′ } はD G N D_{\mathrm{GN}} D GN に含まれ、任意のx ∈ B ′ x\in B' x ∈ B ′ について∥ G ( x ) − x ∗ ∥ ≤ q ′ ∥ x − x ∗ ∥ \lVert G(x)-x_*\rVert\le q'\lVert x-x_*\rVert ∥ G ( x ) − x ∗ ∥ ≤ q ′ ∥ x − x ∗ ∥ が成り立つ。
証明. 命題 3.1 によりD G N D_{\mathrm{GN}} D GN はx ∗ x_* x ∗ を含む開集合であり、D G DG D G はD G N D_{\mathrm{GN}} D GN 上で連続である。作用素ノルムはn n n 次正方行列の空間のノルムであり、有限次元のノルムはすべて同値であるから、x ↦ ∥ D G ( x ) − D G ( x ∗ ) ∥ x\mapsto\lVert DG(x)-DG(x_*)\rVert x ↦ ∥ D G ( x ) − D G ( x ∗ )∥ はx ∗ x_* x ∗ で連続である。この連続性と§E20.2 補題 1.2 (2) により、δ ′ > 0 \delta'>0 δ ′ > 0 が存在して、B ′ ⊆ D G N B'\subseteq D_{\mathrm{GN}} B ′ ⊆ D GN であり、任意のx ∈ B ′ x\in B' x ∈ B ′ について∥ D G ( x ) ∥ ≤ ∥ D G ( x ∗ ) ∥ + ∥ D G ( x ) − D G ( x ∗ ) ∥ ≤ q ′ \lVert DG(x)\rVert\le\lVert DG(x_*)\rVert+\lVert DG(x)-DG(x_*)\rVert\le q' ∥ D G ( x )∥ ≤ ∥ D G ( x ∗ )∥ + ∥ D G ( x ) − D G ( x ∗ )∥ ≤ q ′ である。x ∈ B ′ x\in B' x ∈ B ′ をとる。B ′ B' B ′ は凸であるから、t ∈ [ 0 , 1 ] t\in[0,1] t ∈ [ 0 , 1 ] についてx ∗ + t ( x − x ∗ ) ∈ B ′ x_*+t(x-x_*)\in B' x ∗ + t ( x − x ∗ ) ∈ B ′ であり、§E20.2 命題 4.1 を開集合D G N D_{\mathrm{GN}} D GN 上のG G G 、点x ∗ x_* x ∗ 、Δ x = x − x ∗ \Delta x=x-x_* Δ x = x − x ∗ 、L = q ′ L=q' L = q ′ に適用すると∥ G ( x ) − G ( x ∗ ) ∥ ≤ q ′ ∥ x − x ∗ ∥ \lVert G(x)-G(x_*)\rVert\le q'\lVert x-x_*\rVert ∥ G ( x ) − G ( x ∗ )∥ ≤ q ′ ∥ x − x ∗ ∥ である。G ( x ∗ ) = x ∗ G(x_*)=x_* G ( x ∗ ) = x ∗ である。▨
(1) を示す。主張 3.2.1 をq ′ = q q'=q q ′ = q に適用してδ : = δ ′ \delta:=\delta' δ := δ ′ と置く。∥ x k − x ∗ ∥ ≤ δ \lVert x_k-x_*\rVert\le\delta ∥ x k − x ∗ ∥ ≤ δ ならば、x k ∈ D G N x_k\in D_{\mathrm{GN}} x k ∈ D GN であってx k + 1 = G ( x k ) x_{k+1}=G(x_k) x k + 1 = G ( x k ) が定まり、∥ x k + 1 − x ∗ ∥ ≤ q ∥ x k − x ∗ ∥ ≤ δ \lVert x_{k+1}-x_*\rVert\le q\lVert x_k-x_*\rVert\le\delta ∥ x k + 1 − x ∗ ∥ ≤ q ∥ x k − x ∗ ∥ ≤ δ である。k k k に関する帰納法により、反復列が定まり、すべてのk k k で二つの不等式が成り立つ。∥ x k − x ∗ ∥ ≤ q k δ \lVert x_k-x_*\rVert\le q^k\delta ∥ x k − x ∗ ∥ ≤ q k δ であるからx k → x ∗ x_k\to x_* x k → x ∗ である。
(2) を示す。∥ D G ( x ∗ ) ∥ < q ′ < 1 \lVert DG(x_*)\rVert<q'<1 ∥ D G ( x ∗ )∥ < q ′ < 1 を満たすq ′ q' q ′ をとり、主張 3.2.1 のδ ′ \delta' δ ′ をとる。x k → x ∗ x_k\to x_* x k → x ∗ であるから、K ∈ N ≥ 0 K\in\N K ∈ N ≥ 0 が存在して、k ≥ K k\ge K k ≥ K ならば∥ x k − x ∗ ∥ ≤ δ ′ \lVert x_k-x_*\rVert\le\delta' ∥ x k − x ∗ ∥ ≤ δ ′ であり、∥ x k + 1 − x ∗ ∥ / ∥ x k − x ∗ ∥ ≤ q ′ \lVert x_{k+1}-x_*\rVert/\lVert x_k-x_*\rVert\le q' ∥ x k + 1 − x ∗ ∥ / ∥ x k − x ∗ ∥ ≤ q ′ である。したがって上極限はq ′ q' q ′ 以下であり、q ′ q' q ′ は∥ D G ( x ∗ ) ∥ \lVert DG(x_*)\rVert ∥ D G ( x ∗ )∥ より大きい任意の実数であるから、上極限は∥ D G ( x ∗ ) ∥ \lVert DG(x_*)\rVert ∥ D G ( x ∗ )∥ 以下である。▨
例 3.3. λ ∈ R \lambda\in\R λ ∈ R とし、r : R → R 2 r\colon\R\to\R^2 r : R → R 2 をr ( x ) : = ( x + 1 , λ x 2 + x − 1 ) r(x):=(x+1,\ \lambda x^2+x-1) r ( x ) := ( x + 1 , λ x 2 + x − 1 ) で定める。J ( x ) = ( 1 , 2 λ x + 1 ) T J(x)=(1,\ 2\lambda x+1)^{\mathsf T} J ( x ) = ( 1 , 2 λ x + 1 ) T は0 0 0 でないからD G N = R D_{\mathrm{GN}}=\R D GN = R であり、
G ( x ) = x − ( x + 1 ) + ( λ x 2 + x − 1 ) ( 2 λ x + 1 ) 1 + ( 2 λ x + 1 ) 2 G(x)=x-\frac{(x+1)+(\lambda x^2+x-1)(2\lambda x+1)}{1+(2\lambda x+1)^2} G ( x ) = x − 1 + ( 2 λ x + 1 ) 2 ( x + 1 ) + ( λ x 2 + x − 1 ) ( 2 λ x + 1 ) である。r ( 0 ) = ( 1 , − 1 ) r(0)=(1,-1) r ( 0 ) = ( 1 , − 1 ) 、J ( 0 ) = ( 1 , 1 ) T J(0)=(1,1)^{\mathsf T} J ( 0 ) = ( 1 , 1 ) T から∇ ϕ ( 0 ) = 0 \nabla\phi(0)=0 ∇ ϕ ( 0 ) = 0 、J ( 0 ) T J ( 0 ) = 2 J(0)^{\mathsf T}J(0)=2 J ( 0 ) T J ( 0 ) = 2 であり、残差のノルム∥ r ( 0 ) ∥ 2 = 2 \lVert r(0)\rVert_2=\sqrt2 ∥ r ( 0 ) ∥ 2 = 2 はλ \lambda λ によらない。∇ 2 r 1 = 0 \nabla^2r_1=0 ∇ 2 r 1 = 0 、∇ 2 r 2 = 2 λ \nabla^2r_2=2\lambda ∇ 2 r 2 = 2 λ からS ∗ = − 2 λ S_*=-2\lambda S ∗ = − 2 λ であり、命題 3.1 によりG ′ ( 0 ) = λ G'(0)=\lambda G ′ ( 0 ) = λ 、補題 1.2 (2) によりϕ ′ ′ ( 0 ) = 2 − 2 λ \phi''(0)=2-2\lambda ϕ ′′ ( 0 ) = 2 − 2 λ である。
∣ λ ∣ < 1 \lvert\lambda\rvert<1 ∣ λ ∣ < 1 ならば、定理 3.2 (1) により、実数δ > 0 \delta>0 δ > 0 が存在して、∣ x 0 ∣ ≤ δ \lvert x_0\rvert\le\delta ∣ x 0 ∣ ≤ δ を満たす任意の初期値x 0 x_0 x 0 からの反復列は0 0 0 に収束する。そのような反復列( x k ) (x_k) ( x k ) がすべてのk ∈ N ≥ 0 k\in\N k ∈ N ≥ 0 でx k ≠ 0 x_k\ne0 x k = 0 を満たすならば、定理 3.2 (2) により∣ x k + 1 ∣ / ∣ x k ∣ \lvert x_{k+1}\rvert/\lvert x_k\rvert ∣ x k + 1 ∣ / ∣ x k ∣ の上極限は∣ λ ∣ \lvert\lambda\rvert ∣ λ ∣ 以下である。λ = 1 2 \lambda=\frac12 λ = 2 1 、x 0 = 1 10 x_0=\frac1{10} x 0 = 10 1 ではx 1 = 211 4420 ≈ 4.774 × 10 − 2 x_1=\frac{211}{4420}\approx4.774\times10^{-2} x 1 = 4420 211 ≈ 4.774 × 1 0 − 2 、x 2 ≈ 2.333 × 10 − 2 x_2\approx2.333\times10^{-2} x 2 ≈ 2.333 × 1 0 − 2 、x 3 ≈ 1.153 × 10 − 2 x_3\approx1.153\times10^{-2} x 3 ≈ 1.153 × 1 0 − 2 であり、x k + 1 / x k x_{k+1}/x_k x k + 1 / x k (k = 0 , 1 , 2 k=0,1,2 k = 0 , 1 , 2 )は0.477 0.477 0.477 、0.489 0.489 0.489 、0.494 0.494 0.494 である。
λ = 0 \lambda=0 λ = 0 ならばG ( x ) = x − ( x + 1 ) + ( x − 1 ) 2 = 0 G(x)=x-\frac{(x+1)+(x-1)}2=0 G ( x ) = x − 2 ( x + 1 ) + ( x − 1 ) = 0 であるから、任意の初期値についてx 1 = 0 x_1=0 x 1 = 0 である。
∣ λ ∣ > 1 \lvert\lambda\rvert>1 ∣ λ ∣ > 1 とする。D G N = R D_{\mathrm{GN}}=\R D GN = R であるから、任意の初期値x 0 ∈ R x_0\in\R x 0 ∈ R について Gauss–Newton 法の反復列はx 0 x_0 x 0 から始まるG G G の不動点反復である。G G G は0 0 0 で微分可能であり、G ( 0 ) = 0 G(0)=0 G ( 0 ) = 0 、∣ G ′ ( 0 ) ∣ = ∣ λ ∣ > 1 \lvert G'(0)\rvert=\lvert\lambda\rvert>1 ∣ G ′ ( 0 )∣ = ∣ λ ∣ > 1 であるから、§E20.4 命題 3.4 をD = R D=\R D = R 、g = G g=G g = G 、x ∗ = 0 x^*=0 x ∗ = 0 に適用すると、0 0 0 に収束する反復列については、K ∈ N ≥ 0 K\in\N K ∈ N ≥ 0 が存在して、k ≥ K k\ge K k ≥ K を満たすすべてのk k k でx k = 0 x_k=0 x k = 0 である。λ < − 1 \lambda<-1 λ < − 1 ならばϕ ′ ′ ( 0 ) = 2 − 2 λ > 0 \phi''(0)=2-2\lambda>0 ϕ ′′ ( 0 ) = 2 − 2 λ > 0 であり、0 0 0 はϕ \phi ϕ の狭義の局所最小点である。λ = − 2 \lambda=-2 λ = − 2 、x 0 = 1 10 x_0=\frac1{10} x 0 = 10 1 ではx 1 = − 103 340 ≈ − 0.3029 x_1=-\frac{103}{340}\approx-0.3029 x 1 = − 340 103 ≈ − 0.3029 である。
4 Levenberg–Marquardt 法
定義 4.1. m m m 、n n n 、U U U 、r r r 、J J J 、ϕ \phi ϕ を定義 1.1 のとおりとし、x ∈ U x\in U x ∈ U 、実数μ > 0 \mu>0 μ > 0 をとる。§E20.25 命題 2.2 (1) をA = J ( x ) A=J(x) A = J ( x ) 、L = I n L=I_n L = I n 、c = − r ( x ) c=-r(x) c = − r ( x ) 、λ = μ \lambda=\sqrt\mu λ = μ に適用すると、∥ r ( x ) + J ( x ) p ∥ 2 2 + μ ∥ p ∥ 2 2 \lVert r(x)+J(x)p\rVert_2^2+\mu\lVert p\rVert_2^2 ∥ r ( x ) + J ( x ) p ∥ 2 2 + μ ∥ p ∥ 2 2 の最小値を与えるp ∈ R n p\in\R^n p ∈ R n はただ一つ存在し、それは
( J ( x ) T J ( x ) + μ I n ) p = − J ( x ) T r ( x ) \bigl(J(x)^{\mathsf T}J(x)+\mu I_n\bigr)p=-J(x)^{\mathsf T}r(x) ( J ( x ) T J ( x ) + μ I n ) p = − J ( x ) T r ( x ) のただ一つの解であって、( J ( x ) μ I n ) p = ( − r ( x ) 0 ) \begin{pmatrix}J(x)\\\sqrt\mu\,I_n\end{pmatrix}p=\begin{pmatrix}-r(x)\\0\end{pmatrix} ( J ( x ) μ I n ) p = ( − r ( x ) 0 ) のただ一つの最小二乗解である。このp p p をp μ ( x ) p_\mu(x) p μ ( x ) と書き、x x x における減衰係数μ \mu μ の Levenberg–Marquardt 修正量 (Levenberg-Marquardt step ) といい、μ \mu μ を 減衰係数 (damping parameter ) という。§E20.25 定義 2.3 の行列R λ R_\lambda R λ をA = J ( x ) A=J(x) A = J ( x ) について作るとp μ ( x ) = R μ ( − r ( x ) ) p_\mu(x)=R_{\sqrt\mu}\bigl(-r(x)\bigr) p μ ( x ) = R μ ( − r ( x ) ) であり、p μ ( x ) p_\mu(x) p μ ( x ) はデータ− r ( x ) -r(x) − r ( x ) の、正則化係数μ \sqrt\mu μ の Tikhonov 正則化解である。拡大行列の列は下のn n n 行μ I n \sqrt\mu\,I_n μ I n により一次独立であるから、§E20.6 命題 3.6 により、p μ ( x ) p_\mu(x) p μ ( x ) はこの拡大行列と右辺( − r ( x ) , 0 ) (-r(x),0) ( − r ( x ) , 0 ) の Householder QR 法で計算することができ、J ( x ) T J ( x ) + μ I n J(x)^{\mathsf T}J(x)+\mu I_n J ( x ) T J ( x ) + μ I n を作る必要はない。
命題 4.2. m m m 、n n n 、U U U 、r r r 、J J J 、ϕ \phi ϕ を定義 1.1 のとおりとし、D G N D_{\mathrm{GN}} D GN 、s s s を定義 1.3 のとおりとする。x ∈ U x\in U x ∈ U 、実数μ > 0 \mu>0 μ > 0 をとり、g : = ∇ ϕ ( x ) g:=\nabla\phi(x) g := ∇ ϕ ( x ) 、p : = p μ ( x ) p:=p_\mu(x) p := p μ ( x ) と置く。
g ≠ 0 g\ne0 g = 0 ならばp ≠ 0 p\ne0 p = 0 であり、
g T p = − ∥ J ( x ) p ∥ 2 2 − μ ∥ p ∥ 2 2 < 0 , ϕ ( x ) − 1 2 ∥ r ( x ) + J ( x ) p ∥ 2 2 = 1 2 ∥ J ( x ) p ∥ 2 2 + μ ∥ p ∥ 2 2 > 0 g^{\mathsf T}p=-\lVert J(x)p\rVert_2^2-\mu\lVert p\rVert_2^2<0,\qquad\phi(x)-\frac12\lVert r(x)+J(x)p\rVert_2^2=\frac12\lVert J(x)p\rVert_2^2+\mu\lVert p\rVert_2^2>0 g T p = − ∥ J ( x ) p ∥ 2 2 − μ ∥ p ∥ 2 2 < 0 , ϕ ( x ) − 2 1 ∥ r ( x ) + J ( x ) p ∥ 2 2 = 2 1 ∥ J ( x ) p ∥ 2 2 + μ ∥ p ∥ 2 2 > 0
が成り立つ。
∥ p ∥ 2 ≤ ∥ g ∥ 2 / μ \lVert p\rVert_2\le\lVert g\rVert_2/\mu ∥ p ∥ 2 ≤ ∥ g ∥ 2 / μ であり、
− g T p ≥ μ ∥ J ( x ) ∥ 2 2 + μ ∥ g ∥ 2 ∥ p ∥ 2 -g^{\mathsf T}p\ge\frac{\mu}{\lVert J(x)\rVert_2^2+\mu}\lVert g\rVert_2\lVert p\rVert_2 − g T p ≥ ∥ J ( x ) ∥ 2 2 + μ μ ∥ g ∥ 2 ∥ p ∥ 2
が成り立つ。
μ → ∞ \mu\to\infty μ → ∞ のときμ p μ ( x ) → − g \mu p_\mu(x)\to-g μ p μ ( x ) → − g である。x ∈ D G N x\in D_{\mathrm{GN}} x ∈ D GN ならば、μ → + 0 \mu\to+0 μ → + 0 のときp μ ( x ) → s ( x ) p_\mu(x)\to s(x) p μ ( x ) → s ( x ) である。
証明. J : = J ( x ) J:=J(x) J := J ( x ) 、M : = J T J + μ I n M:=J^{\mathsf T}J+\mu I_n M := J T J + μ I n と置く。補題 1.2 (1) によりg = J T r ( x ) g=J^{\mathsf T}r(x) g = J T r ( x ) であり、M p = − g Mp=-g M p = − g 、p T M p = ∥ J p ∥ 2 2 + μ ∥ p ∥ 2 2 p^{\mathsf T}Mp=\lVert Jp\rVert_2^2+\mu\lVert p\rVert_2^2 p T M p = ∥ J p ∥ 2 2 + μ ∥ p ∥ 2 2 である。
(1) を示す。g ≠ 0 g\ne0 g = 0 ならばM p = − g Mp=-g M p = − g からp ≠ 0 p\ne0 p = 0 であり、g T p = − p T M p g^{\mathsf T}p=-p^{\mathsf T}Mp g T p = − p T M p から第一の等式を得る。1 2 ∥ r ( x ) + J p ∥ 2 2 = ϕ ( x ) + g T p + 1 2 ∥ J p ∥ 2 2 \frac12\lVert r(x)+Jp\rVert_2^2=\phi(x)+g^{\mathsf T}p+\frac12\lVert Jp\rVert_2^2 2 1 ∥ r ( x ) + J p ∥ 2 2 = ϕ ( x ) + g T p + 2 1 ∥ J p ∥ 2 2 に第一の等式を代入して第二の等式を得る。p ≠ 0 p\ne0 p = 0 とμ > 0 \mu>0 μ > 0 から二つの量の符号を得る。
(2) を示す。
Cauchy–Schwarz の不等式によりμ ∥ p ∥ 2 2 ≤ p T M p = − g T p ≤ ∥ g ∥ 2 ∥ p ∥ 2 \mu\lVert p\rVert_2^2\le p^{\mathsf T}Mp=-g^{\mathsf T}p\le\lVert g\rVert_2\lVert p\rVert_2 μ ∥ p ∥ 2 2 ≤ p T M p = − g T p ≤ ∥ g ∥ 2 ∥ p ∥ 2 であり、第一の不等式を得る。§E20.6 補題 2.1 (1) により∥ J T ∥ 2 = ∥ J ∥ 2 \lVert J^{\mathsf T}\rVert_2=\lVert J\rVert_2 ∥ J T ∥ 2 = ∥ J ∥ 2 であるから、∥ g ∥ 2 = ∥ M p ∥ 2 ≤ ( ∥ J ∥ 2 2 + μ ) ∥ p ∥ 2 \lVert g\rVert_2=\lVert Mp\rVert_2\le(\lVert J\rVert_2^2+\mu)\lVert p\rVert_2 ∥ g ∥ 2 = ∥ M p ∥ 2 ≤ (∥ J ∥ 2 2 + μ ) ∥ p ∥ 2 であり、
− g T p ≥ μ ∥ p ∥ 2 2 ≥ μ ∥ J ∥ 2 2 + μ ∥ g ∥ 2 ∥ p ∥ 2 -g^{\mathsf T}p\ge\mu\lVert p\rVert_2^2\ge\frac{\mu}{\lVert J\rVert_2^2+\mu}\lVert g\rVert_2\lVert p\rVert_2 − g T p ≥ μ ∥ p ∥ 2 2 ≥ ∥ J ∥ 2 2 + μ μ ∥ g ∥ 2 ∥ p ∥ 2 である。
(3) を示す。μ p + g = − J T J p \mu p+g=-J^{\mathsf T}Jp μ p + g = − J T J p であるから、(2) により∥ μ p + g ∥ 2 ≤ ∥ J ∥ 2 2 ∥ g ∥ 2 / μ \lVert\mu p+g\rVert_2\le\lVert J\rVert_2^2\lVert g\rVert_2/\mu ∥ μ p + g ∥ 2 ≤ ∥ J ∥ 2 2 ∥ g ∥ 2 / μ であり、右辺はμ → ∞ \mu\to\infty μ → ∞ のとき0 0 0 に収束する。x ∈ D G N x\in D_{\mathrm{GN}} x ∈ D GN ならばJ ≠ 0 J\ne0 J = 0 であり、§E20.25 命題 2.4 (3) をA = J A=J A = J 、c = − r ( x ) c=-r(x) c = − r ( x ) に適用すると、μ → + 0 \mu\to+0 μ → + 0 のときp μ ( x ) = R μ ( − r ( x ) ) → J † ( − r ( x ) ) = s ( x ) p_\mu(x)=R_{\sqrt\mu}(-r(x))\to J^\dagger(-r(x))=s(x) p μ ( x ) = R μ ( − r ( x )) → J † ( − r ( x )) = s ( x ) である。▨
命題 4.3. m m m 、n n n 、U U U 、r r r 、J J J 、ϕ \phi ϕ を定義 1.1 のとおりとし、T ∈ R n × n T\in\R^{n\times n} T ∈ R n × n を正則行列とする。U ~ : = { z ∈ R n ∣ T z ∈ U } \tilde U:=\{z\in\R^n\mid Tz\in U\} U ~ := { z ∈ R n ∣ T z ∈ U } と置き、r ~ : U ~ → R m \tilde r\colon\tilde U\to\R^m r ~ : U ~ → R m をr ~ ( z ) : = r ( T z ) \tilde r(z):=r(Tz) r ~ ( z ) := r ( T z ) で定める。U ~ \tilde U U ~ は開集合であり、r ~ \tilde r r ~ はC 1 C^1 C 1 級である。残差写像r ~ \tilde r r ~ について定義 1.3 と定義 4.1 で定まるD G N D_{\mathrm{GN}} D GN 、G G G 、p μ p_\mu p μ をD ~ G N \tilde D_{\mathrm{GN}} D ~ GN 、G ~ \tilde G G ~ 、p ~ μ \tilde p_\mu p ~ μ と書く。z ∈ U ~ z\in\tilde U z ∈ U ~ とし、x : = T z x:=Tz x := T z と置く。
z ∈ D ~ G N z\in\tilde D_{\mathrm{GN}} z ∈ D ~ GN であることとx ∈ D G N x\in D_{\mathrm{GN}} x ∈ D GN であることは同値であり、そのときT G ~ ( z ) = G ( x ) T\tilde G(z)=G(x) T G ~ ( z ) = G ( x ) である。
実数μ > 0 \mu>0 μ > 0 について、T p ~ μ ( z ) T\tilde p_\mu(z) T p ~ μ ( z ) はq ↦ ∥ r ( x ) + J ( x ) q ∥ 2 2 + μ ∥ T − 1 q ∥ 2 2 q\mapsto\lVert r(x)+J(x)q\rVert_2^2+\mu\lVert T^{-1}q\rVert_2^2 q ↦ ∥ r ( x ) + J ( x ) q ∥ 2 2 + μ ∥ T − 1 q ∥ 2 2 の最小値を与えるただ一つのq ∈ R n q\in\R^n q ∈ R n であり、
( J ( x ) T J ( x ) + μ T − T T − 1 ) T p ~ μ ( z ) = − J ( x ) T r ( x ) \bigl(J(x)^{\mathsf T}J(x)+\mu\,T^{-\mathsf T}T^{-1}\bigr)T\tilde p_\mu(z)=-J(x)^{\mathsf T}r(x) ( J ( x ) T J ( x ) + μ T − T T − 1 ) T p ~ μ ( z ) = − J ( x ) T r ( x )
を満たす。
T = d I n T=dI_n T = d I n (d ∈ R d\in\R d ∈ R 、d ≠ 0 d\ne0 d = 0 )ならば、任意の実数μ > 0 \mu>0 μ > 0 についてT p ~ μ ( z ) = p μ / d 2 ( x ) T\tilde p_\mu(z)=p_{\mu/d^2}(x) T p ~ μ ( z ) = p μ / d 2 ( x ) である。さらに∇ ϕ ( x ) ≠ 0 \nabla\phi(x)\ne0 ∇ ϕ ( x ) = 0 かつd 2 ≠ 1 d^2\ne1 d 2 = 1 ならばT p ~ μ ( z ) ≠ p μ ( x ) T\tilde p_\mu(z)\ne p_\mu(x) T p ~ μ ( z ) = p μ ( x ) である。
定義 4.4. m m m 、n n n 、U U U 、r r r 、J J J 、ϕ \phi ϕ を定義 1.1 のとおりとする。初期値x 0 ∈ U x_0\in U x 0 ∈ U 、初期減衰係数μ 0 > 0 \mu_0>0 μ 0 > 0 、受理の定数η ∈ ( 0 , 1 ) \eta\in(0,1) η ∈ ( 0 , 1 ) 、更新の倍率ν > 1 \nu>1 ν > 1 、許容量ε g ≥ 0 \varepsilon_g\ge0 ε g ≥ 0 、ε x ≥ 0 \varepsilon_x\ge0 ε x ≥ 0 、試行の上限K ∈ N ≥ 1 K\in\NN K ∈ N ≥ 1 を固定する。k = 0 , 1 , … , K − 1 k=0,1,\dots,K-1 k = 0 , 1 , … , K − 1 の順に、x k ∈ U x_k\in U x k ∈ U とμ k > 0 \mu_k>0 μ k > 0 から次の試行k k k を行う手続きを Levenberg–Marquardt 法 (Levenberg-Marquardt method ) という。
∥ ∇ ϕ ( x k ) ∥ 2 ≤ ε g \lVert\nabla\phi(x_k)\rVert_2\le\varepsilon_g ∥ ∇ ϕ ( x k ) ∥ 2 ≤ ε g ならば、x k x_k x k を出力して停止する。この停止理由を「勾配」という。
p k : = p μ k ( x k ) p_k:=p_{\mu_k}(x_k) p k := p μ k ( x k ) 、pred k : = ϕ ( x k ) − 1 2 ∥ r ( x k ) + J ( x k ) p k ∥ 2 2 \operatorname{pred}_k:=\phi(x_k)-\frac12\lVert r(x_k)+J(x_k)p_k\rVert_2^2 pred k := ϕ ( x k ) − 2 1 ∥ r ( x k ) + J ( x k ) p k ∥ 2 2 と置く。x k + p k ∈ U x_k+p_k\in U x k + p k ∈ U でありϕ ( x k ) − ϕ ( x k + p k ) ≥ η pred k \phi(x_k)-\phi(x_k+p_k)\ge\eta\operatorname{pred}_k ϕ ( x k ) − ϕ ( x k + p k ) ≥ η pred k であるならば、試行k k k を受理し、x k + 1 : = x k + p k x_{k+1}:=x_k+p_k x k + 1 := x k + p k 、μ k + 1 : = μ k / ν \mu_{k+1}:=\mu_k/\nu μ k + 1 := μ k / ν と置く。このとき∥ p k ∥ 2 ≤ ε x ( 1 + ∥ x k + 1 ∥ 2 ) \lVert p_k\rVert_2\le\varepsilon_x(1+\lVert x_{k+1}\rVert_2) ∥ p k ∥ 2 ≤ ε x ( 1 + ∥ x k + 1 ∥ 2 ) ならばx k + 1 x_{k+1} x k + 1 を出力して停止し、この停止理由を「修正量」という。
試行k k k を受理しないならば、試行k k k を棄却し、x k + 1 : = x k x_{k+1}:=x_k x k + 1 := x k 、μ k + 1 : = ν μ k \mu_{k+1}:=\nu\mu_k μ k + 1 := ν μ k と置く。
試行K − 1 K-1 K − 1 の後に停止していなければ、x K x_K x K を出力して停止し、この停止理由を「反復上限」という。
命題 4.5. 記号を定義 4.4 のとおりとする。
試行k k k で定義 4.4 (2) に達したならばpred k > 0 \operatorname{pred}_k>0 pred k > 0 であり、試行k k k を受理したならばϕ ( x k + 1 ) < ϕ ( x k ) \phi(x_{k+1})<\phi(x_k) ϕ ( x k + 1 ) < ϕ ( x k ) である。したがって、定まったx 0 , x 1 , … x_0,x_1,\dots x 0 , x 1 , … についてϕ ( x 0 ) ≥ ϕ ( x 1 ) ≥ ⋯ \phi(x_0)\ge\phi(x_1)\ge\cdots ϕ ( x 0 ) ≥ ϕ ( x 1 ) ≥ ⋯ である。
x ∈ U x\in U x ∈ U が∇ ϕ ( x ) ≠ 0 \nabla\phi(x)\ne0 ∇ ϕ ( x ) = 0 を満たすとする。実数μ ˉ > 0 \bar\mu>0 μ ˉ > 0 が存在して、任意の実数μ ≥ μ ˉ \mu\ge\bar\mu μ ≥ μ ˉ についてx + p μ ( x ) ∈ U x+p_\mu(x)\in U x + p μ ( x ) ∈ U であり、
ϕ ( x ) − ϕ ( x + p μ ( x ) ) ≥ η ( ϕ ( x ) − 1 2 ∥ r ( x ) + J ( x ) p μ ( x ) ∥ 2 2 ) \phi(x)-\phi\bigl(x+p_\mu(x)\bigr)\ge\eta\Bigl(\phi(x)-\frac12\bigl\lVert r(x)+J(x)p_\mu(x)\bigr\rVert_2^2\Bigr) ϕ ( x ) − ϕ ( x + p μ ( x ) ) ≥ η ( ϕ ( x ) − 2 1 r ( x ) + J ( x ) p μ ( x ) 2 2 )
が成り立つ。特に、j ∈ N ≥ 1 j\in\NN j ∈ N ≥ 1 とし、x k = x x_k=x x k = x であって試行k , … , k + j − 1 k,\dots,k+j-1 k , … , k + j − 1 がすべて棄却されたならば、ν j − 1 μ k < μ ˉ \nu^{j-1}\mu_k<\bar\mu ν j − 1 μ k < μ ˉ である。
証明. (1) を示す。試行k k k で定義 4.4 (2) に達したならば、定義 4.4 (1) で停止していないので∥ ∇ ϕ ( x k ) ∥ 2 > ε g ≥ 0 \lVert\nabla\phi(x_k)\rVert_2>\varepsilon_g\ge0 ∥ ∇ ϕ ( x k ) ∥ 2 > ε g ≥ 0 であり、命題 4.2 (1) によりpred k > 0 \operatorname{pred}_k>0 pred k > 0 である。試行k k k を受理したならばϕ ( x k ) − ϕ ( x k + 1 ) ≥ η pred k > 0 \phi(x_k)-\phi(x_{k+1})\ge\eta\operatorname{pred}_k>0 ϕ ( x k ) − ϕ ( x k + 1 ) ≥ η pred k > 0 であり、棄却したならばx k + 1 = x k x_{k+1}=x_k x k + 1 = x k である。
(2) を示す。g : = ∇ ϕ ( x ) g:=\nabla\phi(x) g := ∇ ϕ ( x ) 、ε : = ( 1 − η ) ∥ g ∥ 2 / 2 \varepsilon:=(1-\eta)\lVert g\rVert_2/2 ε := ( 1 − η ) ∥ g ∥ 2 /2 と置くとε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 である。補題 1.2 (1) によりϕ \phi ϕ はx x x で全微分可能であり、§E20.2 補題 1.2 (3) により、実数ρ > 0 \rho>0 ρ > 0 が存在して、∥ h ∥ 2 < ρ \lVert h\rVert_2<\rho ∥ h ∥ 2 < ρ を満たす任意のh ∈ R n h\in\R^n h ∈ R n についてx + h ∈ U x+h\in U x + h ∈ U かつ∣ ϕ ( x + h ) − ϕ ( x ) − g T h ∣ ≤ ε ∥ h ∥ 2 \lvert\phi(x+h)-\phi(x)-g^{\mathsf T}h\rvert\le\varepsilon\lVert h\rVert_2 ∣ ϕ ( x + h ) − ϕ ( x ) − g T h ∣ ≤ ε ∥ h ∥ 2 である。μ ˉ : = max { ∥ J ( x ) ∥ 2 2 , 2 ∥ g ∥ 2 / ρ } \bar\mu:=\max\{\lVert J(x)\rVert_2^2,\ 2\lVert g\rVert_2/\rho\} μ ˉ := max {∥ J ( x ) ∥ 2 2 , 2 ∥ g ∥ 2 / ρ } と置くとμ ˉ > 0 \bar\mu>0 μ ˉ > 0 である。μ ≥ μ ˉ \mu\ge\bar\mu μ ≥ μ ˉ とし、p : = p μ ( x ) p:=p_\mu(x) p := p μ ( x ) 、π : = ϕ ( x ) − 1 2 ∥ r ( x ) + J ( x ) p ∥ 2 2 \pi:=\phi(x)-\frac12\lVert r(x)+J(x)p\rVert_2^2 π := ϕ ( x ) − 2 1 ∥ r ( x ) + J ( x ) p ∥ 2 2 と置く。命題 4.2 (2) により∥ p ∥ 2 ≤ ∥ g ∥ 2 / μ ≤ ρ / 2 < ρ \lVert p\rVert_2\le\lVert g\rVert_2/\mu\le\rho/2<\rho ∥ p ∥ 2 ≤ ∥ g ∥ 2 / μ ≤ ρ /2 < ρ であるからx + p ∈ U x+p\in U x + p ∈ U であり、μ ≥ ∥ J ( x ) ∥ 2 2 \mu\ge\lVert J(x)\rVert_2^2 μ ≥ ∥ J ( x ) ∥ 2 2 からμ / ( ∥ J ( x ) ∥ 2 2 + μ ) ≥ 1 / 2 \mu/(\lVert J(x)\rVert_2^2+\mu)\ge1/2 μ / (∥ J ( x ) ∥ 2 2 + μ ) ≥ 1/2 であるので− g T p ≥ 1 2 ∥ g ∥ 2 ∥ p ∥ 2 -g^{\mathsf T}p\ge\frac12\lVert g\rVert_2\lVert p\rVert_2 − g T p ≥ 2 1 ∥ g ∥ 2 ∥ p ∥ 2 である。命題 4.2 (1) の二つの等式からπ = − g T p − 1 2 ∥ J ( x ) p ∥ 2 2 ≤ − g T p \pi=-g^{\mathsf T}p-\frac12\lVert J(x)p\rVert_2^2\le-g^{\mathsf T}p π = − g T p − 2 1 ∥ J ( x ) p ∥ 2 2 ≤ − g T p である。したがって
ϕ ( x ) − ϕ ( x + p ) ≥ − g T p − ε ∥ p ∥ 2 = ( 1 − η ) ( − g T p ) + η ( − g T p ) − ε ∥ p ∥ 2 ≥ ( 1 − η 2 ∥ g ∥ 2 − ε ) ∥ p ∥ 2 + η π = η π \phi(x)-\phi(x+p)\ge-g^{\mathsf T}p-\varepsilon\lVert p\rVert_2=(1-\eta)(-g^{\mathsf T}p)+\eta(-g^{\mathsf T}p)-\varepsilon\lVert p\rVert_2\ge\Bigl(\frac{1-\eta}2\lVert g\rVert_2-\varepsilon\Bigr)\lVert p\rVert_2+\eta\pi=\eta\pi ϕ ( x ) − ϕ ( x + p ) ≥ − g T p − ε ∥ p ∥ 2 = ( 1 − η ) ( − g T p ) + η ( − g T p ) − ε ∥ p ∥ 2 ≥ ( 2 1 − η ∥ g ∥ 2 − ε ) ∥ p ∥ 2 + η π = η π である。
j ∈ N ≥ 1 j\in\NN j ∈ N ≥ 1 とし、x k = x x_k=x x k = x であって試行k , … , k + j − 1 k,\dots,k+j-1 k , … , k + j − 1 がすべて棄却されたとする。定義 4.4 (3) によりx k + j − 1 = x x_{k+j-1}=x x k + j − 1 = x 、μ k + j − 1 = ν j − 1 μ k \mu_{k+j-1}=\nu^{j-1}\mu_k μ k + j − 1 = ν j − 1 μ k である。μ k + j − 1 ≥ μ ˉ \mu_{k+j-1}\ge\bar\mu μ k + j − 1 ≥ μ ˉ ならば、上で示したことにより試行k + j − 1 k+j-1 k + j − 1 は受理され、棄却されたことと両立しない。したがってν j − 1 μ k < μ ˉ \nu^{j-1}\mu_k<\bar\mu ν j − 1 μ k < μ ˉ である。▨
5 停止と局所感度
系 5.1. m m m 、n n n 、U U U 、r r r 、J J J 、ϕ \phi ϕ を定義 1.1 のとおりとし、r r r はC 2 C^2 C 2 級であるとする。x ∗ ∈ U x_*\in U x ∗ ∈ U は∇ ϕ ( x ∗ ) = 0 \nabla\phi(x_*)=0 ∇ ϕ ( x ∗ ) = 0 を満たし、H ∗ : = ∇ 2 ϕ ( x ∗ ) H_*:=\nabla^2\phi(x_*) H ∗ := ∇ 2 ϕ ( x ∗ ) は正則であるとする。実数R > 0 R>0 R > 0 、γ ≥ 0 \gamma\ge0 γ ≥ 0 についてB ‾ ( x ∗ , R ) ⊆ U \overline B(x_*,R)\subseteq U B ( x ∗ , R ) ⊆ U であり、任意のx , y ∈ B ‾ ( x ∗ , R ) x,y\in\overline B(x_*,R) x , y ∈ B ( x ∗ , R ) に対して∥ ∇ 2 ϕ ( x ) − ∇ 2 ϕ ( y ) ∥ 2 ≤ γ ∥ x − y ∥ 2 \lVert\nabla^2\phi(x)-\nabla^2\phi(y)\rVert_2\le\gamma\lVert x-y\rVert_2 ∥ ∇ 2 ϕ ( x ) − ∇ 2 ϕ ( y ) ∥ 2 ≤ γ ∥ x − y ∥ 2 が成り立つとする。β : = ∥ H ∗ − 1 ∥ 2 \beta:=\lVert H_*^{-1}\rVert_2 β := ∥ H ∗ − 1 ∥ 2 と置き、γ > 0 \gamma>0 γ > 0 ならばρ : = min { R , 1 / ( 2 β γ ) } \rho:=\min\{R,1/(2\beta\gamma)\} ρ := min { R , 1/ ( 2 β γ )} 、γ = 0 \gamma=0 γ = 0 ならばρ : = R \rho:=R ρ := R と置く。
任意のx ∈ B ‾ ( x ∗ , ρ ) x\in\overline B(x_*,\rho) x ∈ B ( x ∗ , ρ ) について∥ x − x ∗ ∥ 2 ≤ 4 3 β ∥ ∇ ϕ ( x ) ∥ 2 \lVert x-x_*\rVert_2\le\frac43\beta\lVert\nabla\phi(x)\rVert_2 ∥ x − x ∗ ∥ 2 ≤ 3 4 β ∥ ∇ ϕ ( x ) ∥ 2 であり、B ‾ ( x ∗ , ρ ) \overline B(x_*,\rho) B ( x ∗ , ρ ) に属するϕ \phi ϕ の停留点はx ∗ x_* x ∗ だけである。特に、定義 4.4 の手続きが停止理由「勾配」で出力した点x x x がB ‾ ( x ∗ , ρ ) \overline B(x_*,\rho) B ( x ∗ , ρ ) に属するならば、∥ x − x ∗ ∥ 2 ≤ 4 3 β ε g \lVert x-x_*\rVert_2\le\frac43\beta\varepsilon_g ∥ x − x ∗ ∥ 2 ≤ 3 4 β ε g である。
r ( x ∗ ) = 0 r(x_*)=0 r ( x ∗ ) = 0 ならば、H ∗ = J ( x ∗ ) T J ( x ∗ ) H_*=J(x_*)^{\mathsf T}J(x_*) H ∗ = J ( x ∗ ) T J ( x ∗ ) であり、H ∗ H_* H ∗ が正則であることはJ ( x ∗ ) J(x_*) J ( x ∗ ) の列が一次独立であることと同値であって、β = σ n ( J ( x ∗ ) ) − 2 \beta=\sigma_n(J(x_*))^{-2} β = σ n ( J ( x ∗ ) ) − 2 である。
証明. (1) を示す。F : = ∇ ϕ : U → R n F:=\nabla\phi\colon U\to\R^n F := ∇ ϕ : U → R n は補題 1.2 (2) によりC 1 C^1 C 1 級であり、D F ( x ) = ∇ 2 ϕ ( x ) DF(x)=\nabla^2\phi(x) D F ( x ) = ∇ 2 ϕ ( x ) である。仮定によりx ∗ x_* x ∗ はF F F の正則零点で、半径R R R 、定数γ \gamma γ の Lipschitz 条件を満たし、§E20.23 定義 2.1 のβ \beta β 、ρ \rho ρ はここでのβ \beta β 、ρ \rho ρ に一致する。§E20.23 命題 3.1 (1) と§E20.23 命題 3.1 (3) により前半の二つの主張を得る。停止理由「勾配」で出力された点x x x は∥ ∇ ϕ ( x ) ∥ 2 ≤ ε g \lVert\nabla\phi(x)\rVert_2\le\varepsilon_g ∥ ∇ ϕ ( x ) ∥ 2 ≤ ε g を満たす。
(2) を示す。r ( x ∗ ) = 0 r(x_*)=0 r ( x ∗ ) = 0 ならば補題 1.2 (2) の和は0 0 0 であり、H ∗ = J ( x ∗ ) T J ( x ∗ ) H_*=J(x_*)^{\mathsf T}J(x_*) H ∗ = J ( x ∗ ) T J ( x ∗ ) である。§E20.6 命題 1.2 (2) により、J ( x ∗ ) J(x_*) J ( x ∗ ) の列が一次独立ならばH ∗ H_* H ∗ は正則である。一次従属ならば、J ( x ∗ ) h = 0 J(x_*)h=0 J ( x ∗ ) h = 0 を満たすh ≠ 0 h\ne0 h = 0 についてH ∗ h = 0 H_*h=0 H ∗ h = 0 であり、H ∗ H_* H ∗ は正則でない。列が一次独立なとき、§E20.6 補題 2.1 (2) によりβ = σ n ( J ( x ∗ ) ) − 2 \beta=\sigma_n(J(x_*))^{-2} β = σ n ( J ( x ∗ ) ) − 2 である。▨
命題 5.2. m , n ∈ N ≥ 1 m,n\in\NN m , n ∈ N ≥ 1 、U ⊆ R n U\subseteq\R^n U ⊆ R n を開集合、f : U → R m f\colon U\to\R^m f : U → R m をC 2 C^2 C 2 級の写像とし、J ( x ) : = D f ( x ) J(x):=Df(x) J ( x ) := D f ( x ) と置く。y ∈ R m y\in\R^m y ∈ R m について、残差写像x ↦ f ( x ) − y x\mapsto f(x)-y x ↦ f ( x ) − y の目的関数をϕ y ( x ) : = 1 2 ∥ f ( x ) − y ∥ 2 2 \phi_y(x):=\frac12\lVert f(x)-y\rVert_2^2 ϕ y ( x ) := 2 1 ∥ f ( x ) − y ∥ 2 2 と書く。y 0 ∈ R m y_0\in\R^m y 0 ∈ R m とx ∗ ∈ U x_*\in U x ∗ ∈ U がJ ( x ∗ ) T ( f ( x ∗ ) − y 0 ) = 0 J(x_*)^{\mathsf T}\bigl(f(x_*)-y_0\bigr)=0 J ( x ∗ ) T ( f ( x ∗ ) − y 0 ) = 0 を満たし、
H ∗ : = J ( x ∗ ) T J ( x ∗ ) + ∑ i = 1 m ( f i ( x ∗ ) − y 0 , i ) ∇ 2 f i ( x ∗ ) H_*:=J(x_*)^{\mathsf T}J(x_*)+\sum_{i=1}^m\bigl(f_i(x_*)-y_{0,i}\bigr)\nabla^2f_i(x_*) H ∗ := J ( x ∗ ) T J ( x ∗ ) + i = 1 ∑ m ( f i ( x ∗ ) − y 0 , i ) ∇ 2 f i ( x ∗ ) が正則であるとする。
y 0 y_0 y 0 の開近傍V ⊆ R m V\subseteq\R^m V ⊆ R m 、x ∗ x_* x ∗ の開近傍B ⊆ U B\subseteq U B ⊆ U 、C 1 C^1 C 1 級写像ξ : V → B \xi\colon V\to B ξ : V → B が存在して、ξ ( y 0 ) = x ∗ \xi(y_0)=x_* ξ ( y 0 ) = x ∗ であり、任意のy ∈ V y\in V y ∈ V について∇ ϕ y ( ξ ( y ) ) = 0 \nabla\phi_y(\xi(y))=0 ∇ ϕ y ( ξ ( y )) = 0 が成り立ち、x ∈ B x\in B x ∈ B 、y ∈ V y\in V y ∈ V 、∇ ϕ y ( x ) = 0 \nabla\phi_y(x)=0 ∇ ϕ y ( x ) = 0 ならばx = ξ ( y ) x=\xi(y) x = ξ ( y ) である。
D ξ ( y 0 ) = H ∗ − 1 J ( x ∗ ) T D\xi(y_0)=H_*^{-1}J(x_*)^{\mathsf T} D ξ ( y 0 ) = H ∗ − 1 J ( x ∗ ) T である。
f ( x ∗ ) = y 0 f(x_*)=y_0 f ( x ∗ ) = y 0 ならば、J ( x ∗ ) J(x_*) J ( x ∗ ) の列は一次独立であり、D ξ ( y 0 ) = J ( x ∗ ) † D\xi(y_0)=J(x_*)^\dagger D ξ ( y 0 ) = J ( x ∗ ) † 、∥ D ξ ( y 0 ) ∥ 2 = 1 / σ n ( J ( x ∗ ) ) \lVert D\xi(y_0)\rVert_2=1/\sigma_n(J(x_*)) ∥ D ξ ( y 0 ) ∥ 2 = 1/ σ n ( J ( x ∗ )) である。さらに、正規直交基底u 1 , … , u m u_1,\dots,u_m u 1 , … , u m 、v 1 , … , v n v_1,\dots,v_n v 1 , … , v n と実数σ 1 ≥ ⋯ ≥ σ n ≥ 0 \sigma_1\ge\dots\ge\sigma_n\ge0 σ 1 ≥ ⋯ ≥ σ n ≥ 0 がJ ( x ∗ ) = ∑ i = 1 n σ i u i v i T J(x_*)=\sum_{i=1}^n\sigma_iu_iv_i^{\mathsf T} J ( x ∗ ) = ∑ i = 1 n σ i u i v i T を満たすならば、1 ≤ i ≤ n 1\le i\le n 1 ≤ i ≤ n についてD ξ ( y 0 ) u i = σ i − 1 v i D\xi(y_0)u_i=\sigma_i^{-1}v_i D ξ ( y 0 ) u i = σ i − 1 v i である。
証明. Q : = U × R m Q:=U\times\R^m Q := U × R m は開集合である。Γ : Q → R n \Gamma\colon Q\to\R^n Γ : Q → R n をΓ ( x , y ) : = J ( x ) T ( f ( x ) − y ) \Gamma(x,y):=J(x)^{\mathsf T}\bigl(f(x)-y\bigr) Γ ( x , y ) := J ( x ) T ( f ( x ) − y ) で定めると、補題 1.2 (1) を残差写像f − y f-y f − y に適用してΓ ( x , y ) = ∇ ϕ y ( x ) \Gamma(x,y)=\nabla\phi_y(x) Γ ( x , y ) = ∇ ϕ y ( x ) である。f f f はC 2 C^2 C 2 級であるからΓ \Gamma Γ はC 1 C^1 C 1 級であり、補題 1.2 (2) によりx x x に関する微分は∇ 2 ϕ y ( x ) = J ( x ) T J ( x ) + ∑ i ( f i ( x ) − y i ) ∇ 2 f i ( x ) \nabla^2\phi_y(x)=J(x)^{\mathsf T}J(x)+\sum_i(f_i(x)-y_i)\nabla^2f_i(x) ∇ 2 ϕ y ( x ) = J ( x ) T J ( x ) + ∑ i ( f i ( x ) − y i ) ∇ 2 f i ( x ) 、Γ \Gamma Γ はy y y についてアフィンであってy y y に関する微分は− J ( x ) T -J(x)^{\mathsf T} − J ( x ) T である。Γ ( x ∗ , y 0 ) = 0 \Gamma(x_*,y_0)=0 Γ ( x ∗ , y 0 ) = 0 であり、x x x に関する微分の( x ∗ , y 0 ) (x_*,y_0) ( x ∗ , y 0 ) での値H ∗ H_* H ∗ は正則である。
(1) を示す。§E20.22 命題 5.1 をG = Γ G=\Gamma G = Γ 、( u 0 , p 0 ) = ( x ∗ , y 0 ) (u_0,p_0)=(x_*,y_0) ( u 0 , p 0 ) = ( x ∗ , y 0 ) に適用し、§E20.22 命題 5.1 (1) のV V V 、B B B 、u u u をとる。p ∈ V p\in V p ∈ V について( u ( p ) , p ) ∈ Q (u(p),p)\in Q ( u ( p ) , p ) ∈ Q であるからu ( p ) ∈ U u(p)\in U u ( p ) ∈ U であり、B B B をB ∩ U B\cap U B ∩ U に、u u u をξ \xi ξ に置き換えて主張を得る。
(2) を示す。§E20.22 命題 5.1 (2) により、任意のy ˙ ∈ R m \dot y\in\R^m y ˙ ∈ R m についてH ∗ D ξ ( y 0 ) y ˙ = J ( x ∗ ) T y ˙ H_*D\xi(y_0)\dot y=J(x_*)^{\mathsf T}\dot y H ∗ D ξ ( y 0 ) y ˙ = J ( x ∗ ) T y ˙ であり、H ∗ H_* H ∗ は正則である。
(3) を示す。f ( x ∗ ) = y 0 f(x_*)=y_0 f ( x ∗ ) = y 0 ならばH ∗ = J ( x ∗ ) T J ( x ∗ ) H_*=J(x_*)^{\mathsf T}J(x_*) H ∗ = J ( x ∗ ) T J ( x ∗ ) であり、J ( x ∗ ) h = 0 J(x_*)h=0 J ( x ∗ ) h = 0 ならばH ∗ h = 0 H_*h=0 H ∗ h = 0 であるから、H ∗ H_* H ∗ の正則性によりh = 0 h=0 h = 0 である。したがってJ ( x ∗ ) J(x_*) J ( x ∗ ) の列は一次独立であり、§E20.9 命題 6.1 (3) によりD ξ ( y 0 ) = H ∗ − 1 J ( x ∗ ) T = J ( x ∗ ) † D\xi(y_0)=H_*^{-1}J(x_*)^{\mathsf T}=J(x_*)^\dagger D ξ ( y 0 ) = H ∗ − 1 J ( x ∗ ) T = J ( x ∗ ) † 、∥ D ξ ( y 0 ) ∥ 2 = 1 / σ n ( J ( x ∗ ) ) \lVert D\xi(y_0)\rVert_2=1/\sigma_n(J(x_*)) ∥ D ξ ( y 0 ) ∥ 2 = 1/ σ n ( J ( x ∗ )) である。J ( x ∗ ) ≠ 0 J(x_*)\ne0 J ( x ∗ ) = 0 であるからσ 1 > 0 \sigma_1>0 σ 1 > 0 であり、§E20.25 補題 1.1 (1) によりσ i > 0 \sigma_i>0 σ i > 0 を満たすi i i の個数はrank J ( x ∗ ) = n \operatorname{rank}J(x_*)=n rank J ( x ∗ ) = n であって、J ( x ∗ ) † = ∑ i = 1 n σ i − 1 v i u i T J(x_*)^\dagger=\sum_{i=1}^n\sigma_i^{-1}v_iu_i^{\mathsf T} J ( x ∗ ) † = ∑ i = 1 n σ i − 1 v i u i T である。u 1 , … , u m u_1,\dots,u_m u 1 , … , u m の正規直交性から最後の等式を得る。▨
例 5.3. h ( x , t ) : = a 1 e − b 1 t + a 2 e − b 2 t h(x,t):=a_1e^{-b_1t}+a_2e^{-b_2t} h ( x , t ) := a 1 e − b 1 t + a 2 e − b 2 t (x = ( a 1 , b 1 , a 2 , b 2 ) ∈ R 4 x=(a_1,b_1,a_2,b_2)\in\R^4 x = ( a 1 , b 1 , a 2 , b 2 ) ∈ R 4 、t ∈ R t\in\R t ∈ R )とし、P ( a 1 , b 1 , a 2 , b 2 ) : = ( a 2 , b 2 , a 1 , b 1 ) P(a_1,b_1,a_2,b_2):=(a_2,b_2,a_1,b_1) P ( a 1 , b 1 , a 2 , b 2 ) := ( a 2 , b 2 , a 1 , b 1 ) と置く。任意のx x x とt t t についてh ( P x , t ) = h ( x , t ) h(Px,t)=h(x,t) h ( P x , t ) = h ( x , t ) であるから、任意のデータと重みについて、当てはめの目的関数はϕ ( P x ) = ϕ ( x ) \phi(Px)=\phi(x) ϕ ( P x ) = ϕ ( x ) を満たす。x ∗ : = ( 1 , log 2 , 1 , log 3 ) x_*:=(1,\log2,1,\log3) x ∗ := ( 1 , log 2 , 1 , log 3 ) とし、t i : = i − 1 t_i:=i-1 t i := i − 1 、y i : = h ( x ∗ , t i ) = 2 − t i + 3 − t i y_i:=h(x_*,t_i)=2^{-t_i}+3^{-t_i} y i := h ( x ∗ , t i ) = 2 − t i + 3 − t i 、w i : = 1 w_i:=1 w i := 1 (1 ≤ i ≤ 4 1\le i\le4 1 ≤ i ≤ 4 )とする。ϕ ( x ∗ ) = ϕ ( P x ∗ ) = 0 \phi(x_*)=\phi(Px_*)=0 ϕ ( x ∗ ) = ϕ ( P x ∗ ) = 0 であり、x ∗ ≠ P x ∗ x_*\ne Px_* x ∗ = P x ∗ である。J ( x ∗ ) J(x_*) J ( x ∗ ) の第i i i 行は( 2 − t i , − t i 2 − t i , 3 − t i , − t i 3 − t i ) (2^{-t_i},\ -t_i2^{-t_i},\ 3^{-t_i},\ -t_i3^{-t_i}) ( 2 − t i , − t i 2 − t i , 3 − t i , − t i 3 − t i ) であり、有理数の計算によりdet J ( x ∗ ) = 1 / 7776 \det J(x_*)=1/7776 det J ( x ∗ ) = 1/7776 である。J ( P x ∗ ) J(Px_*) J ( P x ∗ ) はJ ( x ∗ ) J(x_*) J ( x ∗ ) の列を並べ替えた行列であるから正則である。したがって命題 5.2 は( x ∗ , y ) (x_*,y) ( x ∗ , y ) と( P x ∗ , y ) (Px_*,y) ( P x ∗ , y ) のいずれにも適用することができ、データからx ∗ x_* x ∗ の近くの停留点への写像とP x ∗ Px_* P x ∗ の近くの停留点への写像はいずれもC 1 C^1 C 1 級であるが、ϕ \phi ϕ の最小値0 0 0 を与える点はx ∗ x_* x ∗ とP x ∗ Px_* P x ∗ の二つを含む。
6 減衰曲線の当てはめ
例 6.1. h ( x , t ) : = a e − b t + c h(x,t):=ae^{-bt}+c h ( x , t ) := a e − b t + c (x = ( a , b , c ) ∈ U : = R 3 x=(a,b,c)\in U:=\R^3 x = ( a , b , c ) ∈ U := R 3 )とし、重みw i : = 1 w_i:=1 w i := 1 の当てはめを考える。J ( x ) J(x) J ( x ) の第i i i 行は( e − b t i , − a t i e − b t i , 1 ) (e^{-bt_i},\ -at_ie^{-bt_i},\ 1) ( e − b t i , − a t i e − b t i , 1 ) である。観測は次の二つとする。
長い区間:t i : = ( i − 1 ) / 2 t_i:=(i-1)/2 t i := ( i − 1 ) /2 (1 ≤ i ≤ 9 1\le i\le9 1 ≤ i ≤ 9 )、y = ( 2.510 , 1.831 , 1.409 , 1.092 , 0.914 , 0.761 , 0.691 , 0.612 , 0.592 ) y=(2.510,1.831,1.409,1.092,0.914,0.761,0.691,0.612,0.592) y = ( 2.510 , 1.831 , 1.409 , 1.092 , 0.914 , 0.761 , 0.691 , 0.612 , 0.592 ) 。
短い区間:t i : = ( i − 1 ) / 20 t_i:=(i-1)/20 t i := ( i − 1 ) /20 (1 ≤ i ≤ 9 1\le i\le9 1 ≤ i ≤ 9 )、y = ( 2.510 , 2.412 , 2.356 , 2.264 , 2.214 , 2.127 , 2.083 , 2.002 , 1.962 ) y=(2.510,2.412,2.356,2.264,2.214,2.127,2.083,2.002,1.962) y = ( 2.510 , 2.412 , 2.356 , 2.264 , 2.214 , 2.127 , 2.083 , 2.002 , 1.962 ) 。
いずれもy i y_i y i は2 e − 0.8 t i + 0.5 + 0.01 ⋅ ( − 1 ) i − 1 2e^{-0.8t_i}+0.5+0.01\cdot(-1)^{i-1} 2 e − 0.8 t i + 0.5 + 0.01 ⋅ ( − 1 ) i − 1 を小数第3 3 3 位に丸めた値であり、x ∘ : = ( 2 , 0.8 , 0.5 ) x^\circ:=(2,0.8,0.5) x ∘ := ( 2 , 0.8 , 0.5 ) について∥ y − ( h ( x ∘ , t i ) ) i ∥ 2 \lVert y-(h(x^\circ,t_i))_i\rVert_2 ∥ y − ( h ( x ∘ , t i ) ) i ∥ 2 は長い区間で2.999 × 10 − 2 2.999\times10^{-2} 2.999 × 1 0 − 2 、短い区間で2.947 × 10 − 2 2.947\times10^{-2} 2.947 × 1 0 − 2 である。
定義 4.4 の手続きをμ 0 = 10 − 3 \mu_0=10^{-3} μ 0 = 1 0 − 3 、ν = 10 \nu=10 ν = 10 、η = 1 / 4 \eta=1/4 η = 1/4 、ε g = ε x = 10 − 10 \varepsilon_g=\varepsilon_x=10^{-10} ε g = ε x = 1 0 − 10 、K = 100 K=100 K = 100 で実行した。演算は binary64 で行い、e − b t e^{-bt} e − b t は NumPy 2.0.2 の numpy.exp で計算し、p k p_k p k は拡大行列の QR 分解を numpy.linalg.qr(LAPACK の Householder QR 法)で求めて上三角系を後退代入で解いた。以下の値はこの実行の観察であり、丸めて示す。試行数は停止までに計算したp k p_k p k の個数である。
長い区間でx 0 = ( 1.5 , 1 , 0.3 ) x_0=(1.5,1,0.3) x 0 = ( 1.5 , 1 , 0.3 ) とした実行 A の各試行は次のとおりである。
k k k
x k x_k x k
ϕ ( x k ) \phi(x_k) ϕ ( x k )
∥ ∇ ϕ ( x k ) ∥ 2 \lVert\nabla\phi(x_k)\rVert_2 ∥ ∇ ϕ ( x k ) ∥ 2
μ k \mu_k μ k
判定
0
( 1.5 , 1 , 0.3 ) (1.5,\ 1,\ 0.3) ( 1.5 , 1 , 0.3 )
9.669 × 10 − 1 9.669\times10^{-1} 9.669 × 1 0 − 1
4.396 4.396 4.396
10 − 3 10^{-3} 1 0 − 3
受理
1
( 1.98034 , 0.73755 , 0.52468 ) (1.98034,\ 0.73755,\ 0.52468) ( 1.98034 , 0.73755 , 0.52468 )
1.671 × 10 − 2 1.671\times10^{-2} 1.671 × 1 0 − 2
6.462 × 10 − 1 6.462\times10^{-1} 6.462 × 1 0 − 1
10 − 4 10^{-4} 1 0 − 4
受理
2
( 1.99549 , 0.80971 , 0.51126 ) (1.99549,\ 0.80971,\ 0.51126) ( 1.99549 , 0.80971 , 0.51126 )
4.577 × 10 − 4 4.577\times10^{-4} 4.577 × 1 0 − 4
3.124 × 10 − 2 3.124\times10^{-2} 3.124 × 1 0 − 2
10 − 5 10^{-5} 1 0 − 5
受理
3
( 2.00051 , 0.80972 , 0.50670 ) (2.00051,\ 0.80972,\ 0.50670) ( 2.00051 , 0.80972 , 0.50670 )
4.085 × 10 − 4 4.085\times10^{-4} 4.085 × 1 0 − 4
8.836 × 10 − 8 8.836\times10^{-8} 8.836 × 1 0 − 8
10 − 6 10^{-6} 1 0 − 6
受理
4
( 2.00051 , 0.80972 , 0.50670 ) (2.00051,\ 0.80972,\ 0.50670) ( 2.00051 , 0.80972 , 0.50670 )
4.085 × 10 − 4 4.085\times10^{-4} 4.085 × 1 0 − 4
6.994 × 10 − 11 6.994\times10^{-11} 6.994 × 1 0 − 11
停止(勾配)
四つの実行の結果は次のとおりである。σ i \sigma_i σ i は出力点でのJ J J の特異値である。
実行
区間
x 0 x_0 x 0
停止理由
試行数
棄却数
出力
∥ r ∥ 2 \lVert r\rVert_2 ∥ r ∥ 2
( σ 1 , σ 2 , σ 3 ) (\sigma_1,\sigma_2,\sigma_3) ( σ 1 , σ 2 , σ 3 )
A
長い
( 1.5 , 1 , 0.3 ) (1.5,1,0.3) ( 1.5 , 1 , 0.3 )
勾配
4
0
( 2.00051 , 0.80972 , 0.50670 ) (2.00051,\ 0.80972,\ 0.50670) ( 2.00051 , 0.80972 , 0.50670 )
2.858 × 10 − 2 2.858\times10^{-2} 2.858 × 1 0 − 2
( 3.615 , 1.011 , 0.5961 ) (3.615,\ 1.011,\ 0.5961) ( 3.615 , 1.011 , 0.5961 )
B
長い
( 1 , 5 , 0 ) (1,5,0) ( 1 , 5 , 0 )
勾配
10
3
( 2.00051 , 0.80972 , 0.50670 ) (2.00051,\ 0.80972,\ 0.50670) ( 2.00051 , 0.80972 , 0.50670 )
2.858 × 10 − 2 2.858\times10^{-2} 2.858 × 1 0 − 2
( 3.615 , 1.011 , 0.5961 ) (3.615,\ 1.011,\ 0.5961) ( 3.615 , 1.011 , 0.5961 )
C
長い
( 1 , − 1 , 0 ) (1,-1,0) ( 1 , − 1 , 0 )
反復上限
100
50
( − 9.2047 , − 0.042584 , 11.195 ) (-9.2047,\ -0.042584,\ 11.195) ( − 9.2047 , − 0.042584 , 11.195 )
0.7764 0.7764 0.7764
( 75.44 , 2.380 , 2.813 × 10 − 3 ) (75.44,\ 2.380,\ 2.813\times10^{-3}) ( 75.44 , 2.380 , 2.813 × 1 0 − 3 )
D
短い
( 1.5 , 1 , 0.3 ) (1.5,1,0.3) ( 1.5 , 1 , 0.3 )
勾配
5
0
( 1.58549 , 1.06121 , 0.92008 ) (1.58549,\ 1.06121,\ 0.92008) ( 1.58549 , 1.06121 , 0.92008 )
2.823 × 10 − 2 2.823\times10^{-2} 2.823 × 1 0 − 2
( 3.939 , 0.5051 , 1.510 × 10 − 2 ) (3.939,\ 0.5051,\ 1.510\times10^{-2}) ( 3.939 , 0.5051 , 1.510 × 1 0 − 2 )
実行 B では、試行0 0 0 のp 0 p_0 p 0 のノルムは13.58 13.58 13.58 であり、ϕ ( x 0 + p 0 ) \phi(x_0+p_0) ϕ ( x 0 + p 0 ) はϕ ( x 0 ) = 5.557 \phi(x_0)=5.557 ϕ ( x 0 ) = 5.557 を上回って棄却された。試行1 1 1 をμ 1 = 10 − 2 \mu_1=10^{-2} μ 1 = 1 0 − 2 で受理してx 2 = ( 1.6142 , 2.0923 , 0.9447 ) x_2=(1.6142,\ 2.0923,\ 0.9447) x 2 = ( 1.6142 , 2.0923 , 0.9447 ) 、ϕ ( x 2 ) = 0.2613 \phi(x_2)=0.2613 ϕ ( x 2 ) = 0.2613 となり、試行2 2 2 、3 3 3 を棄却し、試行4 4 4 をμ 4 = 10 − 1 \mu_4=10^{-1} μ 4 = 1 0 − 1 で受理した。同じx 0 x_0 x 0 でJ ( x 0 ) J(x_0) J ( x 0 ) の特異値は( 3.024 , 0.9279 , 0.03821 ) (3.024,\ 0.9279,\ 0.03821) ( 3.024 , 0.9279 , 0.03821 ) であり、Gauss–Newton 法の一段を同じ演算条件で計算するとG ( x 0 ) = ( 1.6764 , − 17.800 , 0.83057 ) G(x_0)=(1.6764,\ -17.800,\ 0.83057) G ( x 0 ) = ( 1.6764 , − 17.800 , 0.83057 ) 、ϕ ( G ( x 0 ) ) ≈ 9.8 × 10 61 \phi(G(x_0))\approx9.8\times10^{61} ϕ ( G ( x 0 )) ≈ 9.8 × 1 0 61 である。
実行 C では、命題 4.5 (1) によりϕ ( x k ) \phi(x_k) ϕ ( x k ) はϕ ( x 0 ) = 2269 \phi(x_0)=2269 ϕ ( x 0 ) = 2269 から増えずに出力で0.3014 0.3014 0.3014 となり、この値は A の出力の4.085 × 10 − 4 4.085\times10^{-4} 4.085 × 1 0 − 4 より大きい。出力で∥ ∇ ϕ ∥ 2 = 7.780 × 10 − 2 > ε g \lVert\nabla\phi\rVert_2=7.780\times10^{-2}>\varepsilon_g ∥ ∇ ϕ ∥ 2 = 7.780 × 1 0 − 2 > ε g である。
実行 A と D の出力点で、残差のノルムは2.858 × 10 − 2 2.858\times10^{-2} 2.858 × 1 0 − 2 と2.823 × 10 − 2 2.823\times10^{-2} 2.823 × 1 0 − 2 であり、∥ x − x ∘ ∥ 2 \lVert x-x^\circ\rVert_2 ∥ x − x ∘ ∥ 2 は1.182 × 10 − 2 1.182\times10^{-2} 1.182 × 1 0 − 2 と0.6454 0.6454 0.6454 である。出力点x x x で命題 5.2 (2) のH ∗ − 1 J T H_*^{-1}J^{\mathsf T} H ∗ − 1 J T をy 0 = y y_0=y y 0 = y 、x ∗ = x x_*=x x ∗ = x として計算すると、その 2 ノルムは A で1.680 1.680 1.680 、D で66.28 66.28 66.28 であり、1 / σ 3 1/\sigma_3 1/ σ 3 は A で1.678 1.678 1.678 、D で66.24 66.24 66.24 である。二つの値の差はH ∗ H_* H ∗ の残差の項による。
観測時刻は、長い区間でh = 1 / 2 h=1/2 h = 1/2 、短い区間でh = 1 / 20 h=1/20 h = 1/20 としてt i = ( i − 1 ) h t_i=(i-1)h t i = ( i − 1 ) h である。q : = e − b h q:=e^{-bh} q := e − bh と置くと、J ( x ) J(x) J ( x ) の最初の3 3 3 行からなる行列は
( 1 0 1 q − a h q 1 q 2 − 2 a h q 2 1 ) \begin{pmatrix}1&0&1\\q&-ahq&1\\q^2&-2ahq^2&1\end{pmatrix} 1 q q 2 0 − ah q − 2 ah q 2 1 1 1
であり、その行列式は− a h q ( q − 1 ) 2 -ahq(q-1)^2 − ah q ( q − 1 ) 2 である。実行 A と D の出力はいずれもa ≠ 0 a\ne0 a = 0 、b ≠ 0 b\ne0 b = 0 を満たし、q > 0 q>0 q > 0 、q ≠ 1 q\ne1 q = 1 であるから、この行列式は0 0 0 でなく、出力点でJ J J の列は一次独立であってrank J = 3 \operatorname{rank}J=3 rank J = 3 である。許容量0.02 0.02 0.02 に関する§E20.9 定義 5.1 の数値的階数は、表の( σ 1 , σ 2 , σ 3 ) (\sigma_1,\sigma_2,\sigma_3) ( σ 1 , σ 2 , σ 3 ) のうち0.02 0.02 0.02 より大きいものの個数であり、A で3 3 3 、D で2 2 2 である。この判定は、観測時刻、パラメータ( a , b , c ) (a,b,c) ( a , b , c ) の尺度、許容量0.02 0.02 0.02 を固定したものである。A と D はいずれも停止理由「勾配」で出力したが、許容量0.02 0.02 0.02 に関する数値的階数は異なり、出力点でのH ∗ − 1 J T H_*^{-1}J^{\mathsf T} H ∗ − 1 J T の 2 ノルムは A で1.680 1.680 1.680 、D で66.28 66.28 66.28 である。
出力点x x x で命題 3.1 の− ( J T J ) − 1 S ∗ -(J^{\mathsf T}J)^{-1}S_* − ( J T J ) − 1 S ∗ を計算すると、その 2 ノルムは A で1.787 × 10 − 3 1.787\times10^{-3} 1.787 × 1 0 − 3 、D で1.184 × 10 − 3 1.184\times10^{-3} 1.184 × 1 0 − 3 である。
7 統計的分散との比較
命題 7.1. m ≥ n m\ge n m ≥ n とし、X ∈ R m × n X\in\R^{m\times n} X ∈ R m × n の列は一次独立であるとする。正規直交基底u 1 , … , u m u_1,\dots,u_m u 1 , … , u m 、v 1 , … , v n v_1,\dots,v_n v 1 , … , v n がX = ∑ i = 1 n σ i ( X ) u i v i T X=\sum_{i=1}^n\sigma_i(X)u_iv_i^{\mathsf T} X = ∑ i = 1 n σ i ( X ) u i v i T を満たすとする。
任意のe ∈ R m e\in\R^m e ∈ R m と1 ≤ i ≤ n 1\le i\le n 1 ≤ i ≤ n についてv i T X † e = σ i ( X ) − 1 u i T e v_i^{\mathsf T}X^\dagger e=\sigma_i(X)^{-1}u_i^{\mathsf T}e v i T X † e = σ i ( X ) − 1 u i T e である。実数δ ≥ 0 \delta\ge0 δ ≥ 0 について、∥ e ∥ 2 ≤ δ \lVert e\rVert_2\le\delta ∥ e ∥ 2 ≤ δ を満たすe ∈ R m e\in\R^m e ∈ R m の全体での∥ X † e ∥ 2 \lVert X^\dagger e\rVert_2 ∥ X † e ∥ 2 の最大値はδ / σ n ( X ) \delta/\sigma_n(X) δ / σ n ( X ) であり、e = δ u n e=\delta u_n e = δ u n で達する。
y = X β + ε y=X\beta+\varepsilon y = X β + ε を§E14.19 定義 1.1 の線形回帰モデルとし、Gauss–Markov 仮定E [ ε ] = 0 E[\varepsilon]=0 E [ ε ] = 0 、Cov ( ε ) = σ 2 I m \operatorname{Cov}(\varepsilon)=\sigma^2I_m Cov ( ε ) = σ 2 I m を置く。β ^ : = X † y \hat\beta:=X^\dagger y β ^ := X † y はE [ β ^ ] = β E[\hat\beta]=\beta E [ β ^ ] = β 、Cov ( β ^ ) = σ 2 ∑ i = 1 n σ i ( X ) − 2 v i v i T \operatorname{Cov}(\hat\beta)=\sigma^2\sum_{i=1}^n\sigma_i(X)^{-2}v_iv_i^{\mathsf T} Cov ( β ^ ) = σ 2 ∑ i = 1 n σ i ( X ) − 2 v i v i T を満たし、1 ≤ i ≤ n 1\le i\le n 1 ≤ i ≤ n についてVar ( v i T β ^ ) = σ 2 / σ i ( X ) 2 \operatorname{Var}(v_i^{\mathsf T}\hat\beta)=\sigma^2/\sigma_i(X)^2 Var ( v i T β ^ ) = σ 2 / σ i ( X ) 2 、またE ∥ β ^ − β ∥ 2 2 = σ 2 ∑ i = 1 n σ i ( X ) − 2 E\lVert\hat\beta-\beta\rVert_2^2=\sigma^2\sum_{i=1}^n\sigma_i(X)^{-2} E ∥ β ^ − β ∥ 2 2 = σ 2 ∑ i = 1 n σ i ( X ) − 2 である。
証明. (1) を示す。σ i ( X ) > 0 \sigma_i(X)>0 σ i ( X ) > 0 (1 ≤ i ≤ n 1\le i\le n 1 ≤ i ≤ n )であるから、§E20.25 補題 1.1 (1) によりX † = ∑ i = 1 n σ i ( X ) − 1 v i u i T X^\dagger=\sum_{i=1}^n\sigma_i(X)^{-1}v_iu_i^{\mathsf T} X † = ∑ i = 1 n σ i ( X ) − 1 v i u i T であり、v 1 , … , v n v_1,\dots,v_n v 1 , … , v n の正規直交性から第一の等式を得る。§E20.25 補題 1.1 (2) をg i = σ i ( X ) − 1 g_i=\sigma_i(X)^{-1} g i = σ i ( X ) − 1 に適用すると、∣ g i ∣ \lvert g_i\rvert ∣ g i ∣ の最大値はi = n i=n i = n でとられるから、第二の主張を得る。
(2) を示す。§E20.9 命題 6.1 (3) によりβ ^ = ( X T X ) − 1 X T y \hat\beta=(X^{\mathsf T}X)^{-1}X^{\mathsf T}y β ^ = ( X T X ) − 1 X T y は§E14.19 系 2.2 の最小二乗推定量であり、§E14.19 系 4.1 によりE [ β ^ ] = β E[\hat\beta]=\beta E [ β ^ ] = β 、Cov ( β ^ ) = σ 2 ( X T X ) − 1 \operatorname{Cov}(\hat\beta)=\sigma^2(X^{\mathsf T}X)^{-1} Cov ( β ^ ) = σ 2 ( X T X ) − 1 である。X T X = ∑ i = 1 n σ i ( X ) 2 v i v i T X^{\mathsf T}X=\sum_{i=1}^n\sigma_i(X)^2v_iv_i^{\mathsf T} X T X = ∑ i = 1 n σ i ( X ) 2 v i v i T であり、v 1 , … , v n v_1,\dots,v_n v 1 , … , v n はR n \R^n R n の正規直交基底であるから、( X T X ) − 1 = ∑ i = 1 n σ i ( X ) − 2 v i v i T (X^{\mathsf T}X)^{-1}=\sum_{i=1}^n\sigma_i(X)^{-2}v_iv_i^{\mathsf T} ( X T X ) − 1 = ∑ i = 1 n σ i ( X ) − 2 v i v i T である。Var ( v i T β ^ ) = v i T Cov ( β ^ ) v i = σ 2 σ i ( X ) − 2 \operatorname{Var}(v_i^{\mathsf T}\hat\beta)=v_i^{\mathsf T}\operatorname{Cov}(\hat\beta)v_i=\sigma^2\sigma_i(X)^{-2} Var ( v i T β ^ ) = v i T Cov ( β ^ ) v i = σ 2 σ i ( X ) − 2 であり、E [ β ^ ] = β E[\hat\beta]=\beta E [ β ^ ] = β からE ∥ β ^ − β ∥ 2 2 = tr Cov ( β ^ ) = σ 2 ∑ i = 1 n σ i ( X ) − 2 E\lVert\hat\beta-\beta\rVert_2^2=\operatorname{tr}\operatorname{Cov}(\hat\beta)=\sigma^2\sum_{i=1}^n\sigma_i(X)^{-2} E ∥ β ^ − β ∥ 2 2 = tr Cov ( β ^ ) = σ 2 ∑ i = 1 n σ i ( X ) − 2 である。▨
例 7.2. 直線β 1 + β 2 t \beta_1+\beta_2t β 1 + β 2 t の当てはめで、X X X の第i i i 行を( 1 , t i ) (1,t_i) ( 1 , t i ) (1 ≤ i ≤ 9 1\le i\le9 1 ≤ i ≤ 9 )とし、例 6.1 と同じ長い区間t i = ( i − 1 ) / 2 t_i=(i-1)/2 t i = ( i − 1 ) /2 と短い区間t i = ( i − 1 ) / 20 t_i=(i-1)/20 t i = ( i − 1 ) /20 を比べる。
長い区間ではX T X = ( 9 18 18 51 ) X^{\mathsf T}X=\begin{pmatrix}9&18\\18&51\end{pmatrix} X T X = ( 9 18 18 51 ) 、( X T X ) − 1 = 1 135 ( 51 − 18 − 18 9 ) (X^{\mathsf T}X)^{-1}=\frac1{135}\begin{pmatrix}51&-18\\-18&9\end{pmatrix} ( X T X ) − 1 = 135 1 ( 51 − 18 − 18 9 ) であり、X T X X^{\mathsf T}X X T X の固有値30 ± 3 85 30\pm3\sqrt{85} 30 ± 3 85 からσ 1 ( X ) ≈ 7.593 \sigma_1(X)\approx7.593 σ 1 ( X ) ≈ 7.593 、σ 2 ( X ) ≈ 1.530 \sigma_2(X)\approx1.530 σ 2 ( X ) ≈ 1.530 である。
短い区間ではX T X = ( 9 9 / 5 9 / 5 51 / 100 ) X^{\mathsf T}X=\begin{pmatrix}9&9/5\\9/5&51/100\end{pmatrix} X T X = ( 9 9/5 9/5 51/100 ) 、( X T X ) − 1 = ( 17 / 45 − 4 / 3 − 4 / 3 20 / 3 ) (X^{\mathsf T}X)^{-1}=\begin{pmatrix}17/45&-4/3\\-4/3&20/3\end{pmatrix} ( X T X ) − 1 = ( 17/45 − 4/3 − 4/3 20/3 ) であり、σ 1 ( X ) ≈ 3.060 \sigma_1(X)\approx3.060 σ 1 ( X ) ≈ 3.060 、σ 2 ( X ) ≈ 0.3797 \sigma_2(X)\approx0.3797 σ 2 ( X ) ≈ 0.3797 である。
命題 7.1 (2) により、傾きの分散Var ( β ^ 2 ) \operatorname{Var}(\hat\beta_2) Var ( β ^ 2 ) は長い区間でσ 2 / 15 \sigma^2/15 σ 2 /15 、短い区間で20 σ 2 / 3 20\sigma^2/3 20 σ 2 /3 であり、E ∥ β ^ − β ∥ 2 2 E\lVert\hat\beta-\beta\rVert_2^2 E ∥ β ^ − β ∥ 2 2 は4 σ 2 / 9 4\sigma^2/9 4 σ 2 /9 と317 σ 2 / 45 ≈ 7.044 σ 2 317\sigma^2/45\approx7.044\sigma^2 317 σ 2 /45 ≈ 7.044 σ 2 である。命題 7.1 (1) により、∥ e ∥ 2 ≤ δ \lVert e\rVert_2\le\delta ∥ e ∥ 2 ≤ δ の範囲での∥ X † e ∥ 2 \lVert X^\dagger e\rVert_2 ∥ X † e ∥ 2 の最大値は0.6535 δ 0.6535\,\delta 0.6535 δ と2.634 δ 2.634\,\delta 2.634 δ である。E ∥ ε ∥ 2 2 = 9 σ 2 E\lVert\varepsilon\rVert_2^2=9\sigma^2 E ∥ ε ∥ 2 2 = 9 σ 2 であり、δ 2 = 9 σ 2 \delta^2=9\sigma^2 δ 2 = 9 σ 2 とすると最大値の二乗は3.844 σ 2 3.844\sigma^2 3.844 σ 2 と62.44 σ 2 62.44\sigma^2 62.44 σ 2 であって、E ∥ β ^ − β ∥ 2 2 E\lVert\hat\beta-\beta\rVert_2^2 E ∥ β ^ − β ∥ 2 2 のそれぞれ約8.65 8.65 8.65 倍と8.86 8.86 8.86 倍である。
8 演習
解答. ϕ = 1 2 ∑ i = 1 m r i 2 \phi=\frac12\sum_{i=1}^mr_i^2 ϕ = 2 1 ∑ i = 1 m r i 2 であり、各r i r_i r i はC 1 C^1 C 1 級であるから、1 ≤ j ≤ n 1\le j\le n 1 ≤ j ≤ n について∂ j ϕ = ∑ i = 1 m r i ∂ j r i \partial_j\phi=\sum_{i=1}^mr_i\,\partial_jr_i ∂ j ϕ = ∑ i = 1 m r i ∂ j r i はU U U 上で連続である。したがってϕ \phi ϕ はC 1 C^1 C 1 級であり、∇ ϕ ( x ) \nabla\phi(x) ∇ ϕ ( x ) の第j j j 成分∑ i ∂ j r i ( x ) r i ( x ) \sum_i\partial_jr_i(x)\,r_i(x) ∑ i ∂ j r i ( x ) r i ( x ) はJ ( x ) T r ( x ) J(x)^{\mathsf T}r(x) J ( x ) T r ( x ) の第j j j 成分である。これで補題 1.2 (1) は示された。
r r r がC 2 C^2 C 2 級ならば、1 ≤ j , k ≤ n 1\le j,k\le n 1 ≤ j , k ≤ n について
∂ k ∂ j ϕ = ∑ i = 1 m ( ∂ k r i ∂ j r i + r i ∂ k ∂ j r i ) \partial_k\partial_j\phi=\sum_{i=1}^m\bigl(\partial_kr_i\,\partial_jr_i+r_i\,\partial_k\partial_jr_i\bigr) ∂ k ∂ j ϕ = i = 1 ∑ m ( ∂ k r i ∂ j r i + r i ∂ k ∂ j r i ) はU U U 上で連続であり、ϕ \phi ϕ はC 2 C^2 C 2 級である。右辺の第一項の和はJ ( x ) T J ( x ) J(x)^{\mathsf T}J(x) J ( x ) T J ( x ) の( k , j ) (k,j) ( k , j ) 成分であり、第二項の和は∑ i r i ( x ) ∇ 2 r i ( x ) \sum_ir_i(x)\nabla^2r_i(x) ∑ i r i ( x ) ∇ 2 r i ( x ) の( k , j ) (k,j) ( k , j ) 成分である。これで補題 1.2 (2) は示された。▨
解答. z ↦ T z z\mapsto Tz z ↦ T z は連続であるからU ~ \tilde U U ~ は開集合であり、全微分の連鎖律によりr ~ \tilde r r ~ はC 1 C^1 C 1 級であってJ ~ ( z ) : = D r ~ ( z ) = J ( x ) T \tilde J(z):=D\tilde r(z)=J(x)T J ~ ( z ) := D r ~ ( z ) = J ( x ) T である。
命題 4.3 (1) を示す。T T T は正則であるから、h ∈ R n h\in\R^n h ∈ R n についてJ ( x ) T h = 0 J(x)Th=0 J ( x ) T h = 0 であることとT h ∈ ker J ( x ) Th\in\ker J(x) T h ∈ ker J ( x ) であることは同値であり、ker J ~ ( z ) = T − 1 ker J ( x ) \ker\tilde J(z)=T^{-1}\ker J(x) ker J ~ ( z ) = T − 1 ker J ( x ) である。したがってJ ~ ( z ) \tilde J(z) J ~ ( z ) の列が一次独立であることとJ ( x ) J(x) J ( x ) の列が一次独立であることは同値である。そのとき
s ~ ( z ) = − ( T T J ( x ) T J ( x ) T ) − 1 T T J ( x ) T r ( x ) = − T − 1 ( J ( x ) T J ( x ) ) − 1 J ( x ) T r ( x ) = T − 1 s ( x ) \tilde s(z)=-(T^{\mathsf T}J(x)^{\mathsf T}J(x)T)^{-1}T^{\mathsf T}J(x)^{\mathsf T}r(x)=-T^{-1}(J(x)^{\mathsf T}J(x))^{-1}J(x)^{\mathsf T}r(x)=T^{-1}s(x) s ~ ( z ) = − ( T T J ( x ) T J ( x ) T ) − 1 T T J ( x ) T r ( x ) = − T − 1 ( J ( x ) T J ( x ) ) − 1 J ( x ) T r ( x ) = T − 1 s ( x ) であり、T G ~ ( z ) = T z + s ( x ) = G ( x ) T\tilde G(z)=Tz+s(x)=G(x) T G ~ ( z ) = T z + s ( x ) = G ( x ) である。
命題 4.3 (2) を示す。p ∈ R n p\in\R^n p ∈ R n について∥ r ~ ( z ) + J ~ ( z ) p ∥ 2 2 + μ ∥ p ∥ 2 2 = ∥ r ( x ) + J ( x ) T p ∥ 2 2 + μ ∥ p ∥ 2 2 \lVert\tilde r(z)+\tilde J(z)p\rVert_2^2+\mu\lVert p\rVert_2^2=\lVert r(x)+J(x)Tp\rVert_2^2+\mu\lVert p\rVert_2^2 ∥ r ~ ( z ) + J ~ ( z ) p ∥ 2 2 + μ ∥ p ∥ 2 2 = ∥ r ( x ) + J ( x ) T p ∥ 2 2 + μ ∥ p ∥ 2 2 である。定義 4.1 によりp ~ μ ( z ) \tilde p_\mu(z) p ~ μ ( z ) は左辺の最小値を与えるただ一つのp p p であり、p ↦ T p p\mapsto Tp p ↦ T p はR n \R^n R n の全単射であるから、T p ~ μ ( z ) T\tilde p_\mu(z) T p ~ μ ( z ) は∥ r ( x ) + J ( x ) q ∥ 2 2 + μ ∥ T − 1 q ∥ 2 2 \lVert r(x)+J(x)q\rVert_2^2+\mu\lVert T^{-1}q\rVert_2^2 ∥ r ( x ) + J ( x ) q ∥ 2 2 + μ ∥ T − 1 q ∥ 2 2 の最小値を与えるただ一つのq q q である。定義 4.1 の一次方程式( T T J ( x ) T J ( x ) T + μ I n ) p ~ μ ( z ) = − T T J ( x ) T r ( x ) (T^{\mathsf T}J(x)^{\mathsf T}J(x)T+\mu I_n)\tilde p_\mu(z)=-T^{\mathsf T}J(x)^{\mathsf T}r(x) ( T T J ( x ) T J ( x ) T + μ I n ) p ~ μ ( z ) = − T T J ( x ) T r ( x ) の両辺に左からT − T T^{-\mathsf T} T − T を掛けると、T − T p ~ μ ( z ) = T − T T − 1 T p ~ μ ( z ) T^{-\mathsf T}\tilde p_\mu(z)=T^{-\mathsf T}T^{-1}T\tilde p_\mu(z) T − T p ~ μ ( z ) = T − T T − 1 T p ~ μ ( z ) から主張の等式を得る。
命題 4.3 (3) を示す。T = d I n T=dI_n T = d I n ならばT − T T − 1 = d − 2 I n T^{-\mathsf T}T^{-1}=d^{-2}I_n T − T T − 1 = d − 2 I n であり、命題 4.3 (2) の等式は( J ( x ) T J ( x ) + ( μ / d 2 ) I n ) T p ~ μ ( z ) = − J ( x ) T r ( x ) (J(x)^{\mathsf T}J(x)+(\mu/d^2)I_n)T\tilde p_\mu(z)=-J(x)^{\mathsf T}r(x) ( J ( x ) T J ( x ) + ( μ / d 2 ) I n ) T p ~ μ ( z ) = − J ( x ) T r ( x ) となる。定義 4.1 によりこの一次方程式のただ一つの解はp μ / d 2 ( x ) p_{\mu/d^2}(x) p μ / d 2 ( x ) である。∇ ϕ ( x ) ≠ 0 \nabla\phi(x)\ne0 ∇ ϕ ( x ) = 0 、d 2 ≠ 1 d^2\ne1 d 2 = 1 とし、p : = p μ / d 2 ( x ) = p μ ( x ) p:=p_{\mu/d^2}(x)=p_\mu(x) p := p μ / d 2 ( x ) = p μ ( x ) と仮定する。二つの一次方程式の差をとると( μ / d 2 − μ ) p = 0 (\mu/d^2-\mu)p=0 ( μ / d 2 − μ ) p = 0 であり、μ / d 2 ≠ μ \mu/d^2\ne\mu μ / d 2 = μ からp = 0 p=0 p = 0 である。一方命題 4.2 (1) によりp μ ( x ) ≠ 0 p_\mu(x)\ne0 p μ ( x ) = 0 であり、p = 0 p=0 p = 0 と両立しない。したがってT p ~ μ ( z ) = p μ / d 2 ( x ) ≠ p μ ( x ) T\tilde p_\mu(z)=p_{\mu/d^2}(x)\ne p_\mu(x) T p ~ μ ( z ) = p μ / d 2 ( x ) = p μ ( x ) である。▨