§E20.23非線形連立方程式

最終更新

一変数の方程式f(x)=0f(x)=0に対する Newton 法は、点xxからx−f(x)/f′(x)x-f(x)/f'(x)へ進む反復である。未知数と方程式がともにnn個ある連立方程式F(x)=0F(x)=0では、微分係数f′(x)f'(x)の代わりに Jacobi 行列DF(x)DF(x)を用い、各段で連立一次方程式DF(x)s=−F(x)DF(x)s=-F(x)を解いてxxをx+sx+sに進める。これが連立方程式に対する Newton 法であり、非線形の方程式を解く問題を連立一次方程式の列に帰着させる。

ただし、この反復はどの初期値からでも零点に収束するわけではなく、Jacobi 行列が正則でない点では次の点が定まらない。たとえば二つの円x2+y2=4x^2+y^2=4と(x−2)2+y2=4(x-2)^2+y^2=4の交点を求める場合、Jacobi 行列はy=0y=0の点で正則でなく、初期値のyy成分が正ならば反復は交点(1,3)(1,\sqrt3)に、負ならば交点(1,−3)(1,-\sqrt3)に収束する。どちらの零点に収束するかは初期値によって決まる。

そこで問題になるのは、Jacobi 行列が正則な零点のまわりで、どれだけ近い初期値からどのような速さで零点に近づくかである。零点から遠い点では歩幅を後退探索で縮めるが、それによって何が保証され、何が保証されないかも問われる。また零点は未知であるから、反復を止める判断は残差や修正量のような計算することができる量によって行われ、それらと誤差との関係が問われる。

本記事では、連立方程式に対する Newton 法の収束と、その実行と停止に関わる基本的な性質について解説する。

1 Newton 法

定義 1.1.n∈N≥1n\in\NN、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とし、全微分DF(x)DF(x)を標準基底に関するnn次正方行列(Jacobi 行列)と同一視する。DF:={x∈U∣DF(x) は正則}D_F:=\{x\in U\mid DF(x)\text{ は正則}\}と置き、x∈DFx\in D_Fに対して

NF(x):=x−DF(x)−1F(x)N_F(x):=x-DF(x)^{-1}F(x)

と置く。s:=NF(x)−xs:=N_F(x)-xは連立一次方程式DF(x)s=−F(x)DF(x)s=-F(x)のただ一つの解である。ssをxxにおける Newton 修正量 (Newton step) という。x∈DFx\in D_Fについて、NF(x)=xN_F(x)=xであることとF(x)=0F(x)=0であることは同値である。x0∈Ux_0\in Uとし、xk∈DFx_k\in D_Fであるときxk+1:=NF(xk)x_{k+1}:=N_F(x_k)と置く。この反復をFFに対する Newton 法といい、すべてのk∈N≥0k\in\Nでxk∈DFx_k\in D_Fであるとき、Newton 法の反復列(xk)k∈N≥0(x_k)_{k\in\N}が定まるという。n=1n=1のときDF(x)DF(x)は1×11\times1行列(F′(x))(F'(x))であり、NFN_Fは§E20.4 定義 4.1のNfN_f(f=Ff=F)に一致する。

命題 1.2.UU、FF、DFD_F、NFN_Fを定義 1.1のとおりとし、A,S∈Mn(R)A,S\in M_n(\R)を正則行列とする。V:={z∈Rn∣Sz∈U}V:=\{z\in\R^n\mid Sz\in U\}と置き、G ⁣:V→RnG\colon V\to\R^nをG(z):=AF(Sz)G(z):=AF(Sz)で定める。このときVVは開集合、GGはC1C^1級であり、z∈Vz\in Vに対してDG(z)=A DF(Sz) SDG(z)=A\,DF(Sz)\,Sが成り立つ。さらにDG={z∈V∣Sz∈DF}D_G=\{z\in V\mid Sz\in D_F\}であり、任意のz∈DGz\in D_Gに対してNG(z)=S−1NF(Sz)N_G(z)=S^{-1}N_F(Sz)が成り立つ。したがってx0=Sz0x_0=Sz_0ならば、GGに対する Newton 法の反復列がz0z_0から定まることとFFに対する Newton 法の反復列がx0x_0から定まることは同値であり、そのときすべてのkkでxk=Szkx_k=Sz_kである。

証明. 演習とする(問題 7.1)。▨

2 局所収束

定義 2.1.n∈N≥1n\in\NN、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とする。Rn\R^nには Euclid ノルム∥⋅∥2\lVert\cdot\rVert_2を、nn次正方行列にはそれに関する作用素ノルム∥⋅∥2\lVert\cdot\rVert_2を用いる。

  1. x∗∈Ux^*\in UがF(x∗)=0F(x^*)=0を満たし、DF(x∗)DF(x^*)が正則であるとき、x∗x^*をFFの 正則零点 (regular zero) という。
  2. x∗x^*をFFの正則零点とし、r>0r>0、γ≥0\gamma\ge0とする。閉球B‾(x∗,r):={x∈Rn∣∥x−x∗∥2≤r}\overline B(x^*,r):=\{x\in\R^n\mid\lVert x-x^*\rVert_2\le r\}がUUに含まれ、任意のx,y∈B‾(x∗,r)x,y\in\overline B(x^*,r)に対して∥DF(x)−DF(y)∥2≤γ∥x−y∥2\lVert DF(x)-DF(y)\rVert_2\le\gamma\lVert x-y\rVert_2が成り立つとき、x∗x^*は半径rr、定数γ\gammaの Lipschitz 条件を満たすという。このとき β:=∥DF(x∗)−1∥2,κ:=β∥DF(x∗)∥2,ρ:=min⁡{r,12βγ},ρ′:=min⁡{r,14βγ}\beta:=\lVert DF(x^*)^{-1}\rVert_2,\qquad\kappa:=\beta\lVert DF(x^*)\rVert_2,\qquad\rho:=\min\Bigl\{r,\frac1{2\beta\gamma}\Bigr\},\qquad\rho':=\min\Bigl\{r,\frac1{4\beta\gamma}\Bigr\} と置く。ただしγ=0\gamma=0のときはρ:=ρ′:=r\rho:=\rho':=rとする。κ\kappaはDF(x∗)DF(x^*)の条件数κ2(DF(x∗))\kappa_2(DF(x^*))である。

補題 2.2.n,m∈N≥1n,m\in\NN、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、F ⁣:U→RmF\colon U\to\R^mをC1C^1級の写像とする。Rn\R^nとRm\R^mには Euclid ノルム∥⋅∥2\lVert\cdot\rVert_2を、線形写像Rn→Rm\R^n\to\R^mにはそれらに関する作用素ノルム∥⋅∥2\lVert\cdot\rVert_2を用いる。a∈Ua\in Uとh∈Rnh\in\R^nが{a+th∣0≤t≤1}⊆U\{a+th\mid0\le t\le1\}\subseteq Uを満たし、γ≥0\gamma\ge0が任意のt∈[0,1]t\in[0,1]に対して∥DF(a+th)−DF(a)∥2≤γt∥h∥2\lVert DF(a+th)-DF(a)\rVert_2\le\gamma t\lVert h\rVert_2を満たすならば、

∥F(a+h)−F(a)−DF(a)h∥2≤γ2∥h∥22\lVert F(a+h)-F(a)-DF(a)h\rVert_2\le\frac\gamma2\lVert h\rVert_2^2

が成り立つ。

証明.R:=F(a+h)−F(a)−DF(a)h∈RmR:=F(a+h)-F(a)-DF(a)h\in\R^mと置く。R=0R=0ならば主張は成り立つ。R≠0R\ne0とし、u:=R/∥R∥2∈Rmu:=R/\lVert R\rVert_2\in\R^mと置く。f ⁣:U→Rf\colon U\to\Rをf(z):=uTF(z)f(z):=u^{\mathsf T}F(z)で定めると、線形写像Rm→R\R^m\to\R、w↦uTww\mapsto u^{\mathsf T}wとの合成に§E4.3 定理 1.1を適用して、ffはC1C^1級でありDf(z)k=uTDF(z)kDf(z)k=u^{\mathsf T}DF(z)k(k∈Rnk\in\R^n)である。§E4.5 定理 1.1をff、r=0r=0に適用すると

f(a+h)=f(a)+∫01uTDF(a+th)h dtf(a+h)=f(a)+\int_0^1u^{\mathsf T}DF(a+th)h\,dt

である。uTDF(a)h=∫01uTDF(a)h dtu^{\mathsf T}DF(a)h=\int_0^1u^{\mathsf T}DF(a)h\,dtであるから、

∥R∥2=uTR=f(a+h)−f(a)−uTDF(a)h=∫01uT(DF(a+th)−DF(a))h dt\lVert R\rVert_2=u^{\mathsf T}R=f(a+h)-f(a)-u^{\mathsf T}DF(a)h=\int_0^1u^{\mathsf T}\bigl(DF(a+th)-DF(a)\bigr)h\,dt

である。Cauchy–Schwarz の不等式、∥u∥2=1\lVert u\rVert_2=1と§E20.2 補題 1.2 (1)により被積分関数は∥DF(a+th)−DF(a)∥2∥h∥2≤γt∥h∥22\lVert DF(a+th)-DF(a)\rVert_2\lVert h\rVert_2\le\gamma t\lVert h\rVert_2^2以下であり、∫01t dt=1/2\int_0^1t\,dt=1/2から主張を得る。▨

補題 2.3.n∈N≥1n\in\NN、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とし、x∗x^*をFFの正則零点で半径rr、定数γ\gammaの Lipschitz 条件を満たすものとし、β\betaを定義 2.1のとおりとする。x∈B‾(x∗,r)x\in\overline B(x^*,r)がβγ∥x−x∗∥2<1\beta\gamma\lVert x-x^*\rVert_2<1を満たすならば、DF(x)DF(x)は正則であり、

∥DF(x)−1∥2≤β1−βγ∥x−x∗∥2\lVert DF(x)^{-1}\rVert_2\le\frac{\beta}{1-\beta\gamma\lVert x-x^*\rVert_2}

が成り立つ。

証明.B:=DF(x∗)−1DF(x)B:=DF(x^*)^{-1}DF(x)と置くとI−B=DF(x∗)−1(DF(x∗)−DF(x))I-B=DF(x^*)^{-1}\bigl(DF(x^*)-DF(x)\bigr)である。§E20.2 補題 1.2 (1)により行列X,YX,Yについて∥XY∥2≤∥X∥2∥Y∥2\lVert XY\rVert_2\le\lVert X\rVert_2\lVert Y\rVert_2であるから、Lipschitz 条件からq:=∥I−B∥2≤βγ∥x−x∗∥2<1q:=\lVert I-B\rVert_2\le\beta\gamma\lVert x-x^*\rVert_2<1である。§E4.7 補題 1.1(その作用素ノルムは Euclid ノルムに関するものであり∥⋅∥2\lVert\cdot\rVert_2に一致する)によりBBは正則であり、∥B−1∥2≤1/(1−q)\lVert B^{-1}\rVert_2\le1/(1-q)である。DF(x)=DF(x∗)BDF(x)=DF(x^*)Bは正則行列の積であるから正則であり、DF(x)−1=B−1DF(x∗)−1DF(x)^{-1}=B^{-1}DF(x^*)^{-1}から∥DF(x)−1∥2≤β/(1−q)≤β/(1−βγ∥x−x∗∥2)\lVert DF(x)^{-1}\rVert_2\le\beta/(1-q)\le\beta/(1-\beta\gamma\lVert x-x^*\rVert_2)である。▨

補題 2.4.n∈N≥1n\in\NN、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とし、x∗x^*をFFの正則零点で半径rr、定数γ\gammaの Lipschitz 条件を満たすものとする。x∈B‾(x∗,r)x\in\overline B(x^*,r)についてDF(x)DF(x)が正則であるとし、s^∈Rn\hat s\in\R^nを任意にとってr^:=DF(x)s^+F(x)\hat r:=DF(x)\hat s+F(x)と置く。このとき

∥x+s^−x∗∥2≤∥DF(x)−1∥2(γ2∥x−x∗∥22+∥r^∥2)\lVert x+\hat s-x^*\rVert_2\le\lVert DF(x)^{-1}\rVert_2\Bigl(\frac\gamma2\lVert x-x^*\rVert_2^2+\lVert\hat r\rVert_2\Bigr)

が成り立つ。

証明.e:=x−x∗e:=x-x^*と置く。s^=DF(x)−1(r^−F(x))\hat s=DF(x)^{-1}(\hat r-F(x))とF(x∗)=0F(x^*)=0から

x+s^−x∗=DF(x)−1(r^+(F(x∗)−F(x)−DF(x)(x∗−x)))x+\hat s-x^*=DF(x)^{-1}\bigl(\hat r+(F(x^*)-F(x)-DF(x)(x^*-x))\bigr)

である。B‾(x∗,r)\overline B(x^*,r)は凸であるから、t∈[0,1]t\in[0,1]に対してx+t(x∗−x)∈B‾(x∗,r)⊆Ux+t(x^*-x)\in\overline B(x^*,r)\subseteq Uであり、Lipschitz 条件から∥DF(x+t(x∗−x))−DF(x)∥2≤γt∥e∥2\lVert DF(x+t(x^*-x))-DF(x)\rVert_2\le\gamma t\lVert e\rVert_2である。補題 2.2をa=xa=x、h=x∗−xh=x^*-xに適用すると∥F(x∗)−F(x)−DF(x)(x∗−x)∥2≤γ2∥e∥22\lVert F(x^*)-F(x)-DF(x)(x^*-x)\rVert_2\le\frac\gamma2\lVert e\rVert_2^2であり、主張を得る。▨

定理 2.5.n∈N≥1n\in\NN、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とし、x∗x^*をFFの正則零点で半径rr、定数γ\gammaの Lipschitz 条件を満たすものとする。β\beta、ρ\rhoを定義 2.1のとおりとする。

  1. 任意のx∈B‾(x∗,ρ)x\in\overline B(x^*,\rho)に対してDF(x)DF(x)は正則であり、 ∥NF(x)−x∗∥2≤βγ∥x−x∗∥22≤12∥x−x∗∥2\lVert N_F(x)-x^*\rVert_2\le\beta\gamma\lVert x-x^*\rVert_2^2\le\frac12\lVert x-x^*\rVert_2 が成り立つ。
  2. 任意のx0∈B‾(x∗,ρ)x_0\in\overline B(x^*,\rho)に対して Newton 法の反復列(xk)(x_k)が定まり、すべてのk∈N≥0k\in\Nでxk∈B‾(x∗,ρ)x_k\in\overline B(x^*,\rho)であって、ek:=xk−x∗e_k:=x_k-x^*は ∥ek+1∥2≤βγ∥ek∥22,∥ek+1∥2≤12∥ek∥2\lVert e_{k+1}\rVert_2\le\beta\gamma\lVert e_k\rVert_2^2,\qquad\lVert e_{k+1}\rVert_2\le\frac12\lVert e_k\rVert_2 を満たし、xk→x∗x_k\to x^*である。特に(xk)(x_k)は∥⋅∥2\lVert\cdot\rVert_2についてx∗x^*へ少なくとも二次で収束する(§E20.4 定義 1.5)。あるkkでxk=x∗x_k=x^*ならば、j≥kj\ge kを満たすすべてのjjでxj=x∗x_j=x^*である。すべてのkkでxk≠x∗x_k\ne x^*ならば、∥ek+1∥2/∥ek∥2→0\lVert e_{k+1}\rVert_2/\lVert e_k\rVert_2\to0である。

証明.(1)を示す。x∈B‾(x∗,ρ)x\in\overline B(x^*,\rho)をとり、e:=x−x∗e:=x-x^*と置く。ρ≤r\rho\le rであり、ρ\rhoの定め方からβγ∥e∥2≤1/2\beta\gamma\lVert e\rVert_2\le1/2である。補題 2.3によりDF(x)DF(x)は正則であり、∥DF(x)−1∥2≤β/(1−1/2)=2β\lVert DF(x)^{-1}\rVert_2\le\beta/(1-1/2)=2\betaである。NF(x)=x+sN_F(x)=x+s、s:=−DF(x)−1F(x)s:=-DF(x)^{-1}F(x)であり、DF(x)s+F(x)=0DF(x)s+F(x)=0であるから、補題 2.4をs^=s\hat s=s、r^=0\hat r=0に適用して

∥NF(x)−x∗∥2≤2β⋅γ2∥e∥22=βγ∥e∥22≤12∥e∥2\lVert N_F(x)-x^*\rVert_2\le2\beta\cdot\frac\gamma2\lVert e\rVert_2^2=\beta\gamma\lVert e\rVert_2^2\le\frac12\lVert e\rVert_2

を得る。

(2)を示す。xk∈B‾(x∗,ρ)x_k\in\overline B(x^*,\rho)ならば、(1)によりxk∈DFx_k\in D_Fであってxk+1=NF(xk)x_{k+1}=N_F(x_k)が定まり、∥ek+1∥2≤βγ∥ek∥22≤∥ek∥2/2≤ρ\lVert e_{k+1}\rVert_2\le\beta\gamma\lVert e_k\rVert_2^2\le\lVert e_k\rVert_2/2\le\rhoである。x0∈B‾(x∗,ρ)x_0\in\overline B(x^*,\rho)から、kkに関する帰納法により、反復列が定まり、すべてのkkでxk∈B‾(x∗,ρ)x_k\in\overline B(x^*,\rho)と二つの不等式が成り立つ。∥ek∥2≤2−k∥e0∥2\lVert e_k\rVert_2\le2^{-k}\lVert e_0\rVert_2であるからxk→x∗x_k\to x^*であり、すべてのkkで∥ek+1∥2≤βγ∥ek∥22\lVert e_{k+1}\rVert_2\le\beta\gamma\lVert e_k\rVert_2^2であるから、(xk)(x_k)はC=βγC=\beta\gamma、k0=0k_0=0についてx∗x^*へ少なくとも二次で収束する。x∗∈DFx^*\in D_FかつF(x∗)=0F(x^*)=0であるから定義 1.1によりNF(x∗)=x∗N_F(x^*)=x^*であり、xk=x∗x_k=x^*ならばそれ以後の項はすべてx∗x^*である。すべてのkkでxk≠x∗x_k\ne x^*ならば∥ek+1∥2/∥ek∥2≤βγ∥ek∥2→0\lVert e_{k+1}\rVert_2/\lVert e_k\rVert_2\le\beta\gamma\lVert e_k\rVert_2\to0である。▨

注意 2.6.n=1n=1の場合、§E20.4 定理 4.3はffがC2C^2級であることを仮定して、ek+1/ek2e_{k+1}/e_k^2がf′′(r)/(2f′(r))f''(r)/(2f'(r))に収束することを与え、零点の近傍の半径を明示しない。定理 2.5はF′F'が Lipschitz 連続であることだけを仮定し、半径ρ\rhoと定数βγ\beta\gammaを∣F′(x∗)∣\lvert F'(x^*)\rvertと Lipschitz 定数で与えて反復列が少なくとも二次で収束することを示すが、∥ek+1∥2/∥ek∥22\lVert e_{k+1}\rVert_2/\lVert e_k\rVert_2^2の極限の存在は与えない。FFがC2C^2級でB‾(x∗,r)\overline B(x^*,r)上∣F′′∣≤M\lvert F''\rvert\le Mならば、平均値の定理によりγ=M\gamma=Mととることができ、定数βγ=M/∣F′(x∗)∣\beta\gamma=M/\lvert F'(x^*)\rvertは漸近定数∣F′′(x∗)∣/(2∣F′(x∗)∣)\lvert F''(x^*)\rvert/(2\lvert F'(x^*)\rvert)の2M/∣F′′(x∗)∣2M/\lvert F''(x^*)\rvert倍である(F′′(x∗)≠0F''(x^*)\ne0のとき)。

3 残差と誤差

命題 3.1.n∈N≥1n\in\NN、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とし、x∗x^*をFFの正則零点で半径rr、定数γ\gammaの Lipschitz 条件を満たすものとし、β\beta、ρ\rhoを定義 2.1のとおりとする。任意のx∈B‾(x∗,ρ)x\in\overline B(x^*,\rho)に対して次が成り立つ。

  1. ∥x−x∗∥2≤43β∥F(x)∥2\lVert x-x^*\rVert_2\le\dfrac43\beta\lVert F(x)\rVert_2。
  2. ∥F(x)∥2≤54∥DF(x∗)∥2∥x−x∗∥2\lVert F(x)\rVert_2\le\dfrac54\lVert DF(x^*)\rVert_2\lVert x-x^*\rVert_2。
  3. FFのB‾(x∗,ρ)\overline B(x^*,\rho)に属する零点はx∗x^*だけである。

証明.e:=x−x∗e:=x-x^*、R:=F(x)−DF(x∗)eR:=F(x)-DF(x^*)eと置く。B‾(x∗,ρ)\overline B(x^*,\rho)は凸であり、Lipschitz 条件からt∈[0,1]t\in[0,1]について∥DF(x∗+te)−DF(x∗)∥2≤γt∥e∥2\lVert DF(x^*+te)-DF(x^*)\rVert_2\le\gamma t\lVert e\rVert_2であるから、補題 2.2をa=x∗a=x^*、h=eh=eに適用し、F(x∗)=0F(x^*)=0を用いて∥R∥2≤γ2∥e∥22\lVert R\rVert_2\le\frac\gamma2\lVert e\rVert_2^2を得る。ρ\rhoの定め方からβγ∥e∥2≤1/2\beta\gamma\lVert e\rVert_2\le1/2である。

(1)を示す。e=DF(x∗)−1(F(x)−R)e=DF(x^*)^{-1}(F(x)-R)であるから

∥e∥2≤β∥F(x)∥2+βγ2∥e∥22≤β∥F(x)∥2+14∥e∥2\lVert e\rVert_2\le\beta\lVert F(x)\rVert_2+\frac{\beta\gamma}2\lVert e\rVert_2^2\le\beta\lVert F(x)\rVert_2+\frac14\lVert e\rVert_2

であり、∥e∥2≤43β∥F(x)∥2\lVert e\rVert_2\le\frac43\beta\lVert F(x)\rVert_2である。

(2)を示す。F(x)=DF(x∗)e+RF(x)=DF(x^*)e+Rとγ∥e∥2≤1/(2β)\gamma\lVert e\rVert_2\le1/(2\beta)から∥F(x)∥2≤(∥DF(x∗)∥2+14β)∥e∥2\lVert F(x)\rVert_2\le\bigl(\lVert DF(x^*)\rVert_2+\frac1{4\beta}\bigr)\lVert e\rVert_2である。§E20.5 命題 4.4 (2)により1≤∥DF(x∗)∥2β1\le\lVert DF(x^*)\rVert_2\betaであるから1/(4β)≤14∥DF(x∗)∥21/(4\beta)\le\frac14\lVert DF(x^*)\rVert_2であり、主張を得る。

(3)は(1)から従う。▨

例 3.2.0<ε≤10<\varepsilon\le1とし、A:=(1111+ε)A:=\begin{pmatrix}1&1\\1&1+\varepsilon\end{pmatrix}、b:=(2,2+ε)Tb:=(2,2+\varepsilon)^{\mathsf T}、F(x):=Ax−bF(x):=Ax-b(x∈R2x\in\R^2)とする。DF≡ADF\equiv Aは正則であり、x∗=(1,1)Tx^*=(1,1)^{\mathsf T}はFFの正則零点で、任意のr>0r>0について半径rr、定数γ=0\gamma=0の Lipschitz 条件を満たすから、ρ=r\rho=rである。A−1=ε−1(1+ε−1−11)A^{-1}=\varepsilon^{-1}\begin{pmatrix}1+\varepsilon&-1\\-1&1\end{pmatrix}は実対称であるから∥A−1∥2\lVert A^{-1}\rVert_2はその固有値の絶対値の最大値であり、β=(2+ε+4+ε2)/(2ε)\beta=\bigl(2+\varepsilon+\sqrt{4+\varepsilon^2}\bigr)/(2\varepsilon)である。4+ε2≤2+ε\sqrt{4+\varepsilon^2}\le2+\varepsilonからβ≤(2+ε)/ε≤3/ε\beta\le(2+\varepsilon)/\varepsilon\le3/\varepsilonである。x^:=(2,0)T\hat x:=(2,0)^{\mathsf T}ではF(x^)=(0,−ε)TF(\hat x)=(0,-\varepsilon)^{\mathsf T}であり、

∥x^−x∗∥2∥F(x^)∥2=2ε≥23β\frac{\lVert\hat x-x^*\rVert_2}{\lVert F(\hat x)\rVert_2}=\frac{\sqrt2}{\varepsilon}\ge\frac{\sqrt2}3\beta

である。したがって命題 3.1 (1)の係数43β\frac43\betaは、β\betaによらない定数に置き換えることができない。ε=10−8\varepsilon=10^{-8}では残差のノルムは10−810^{-8}、誤差のノルムは2\sqrt2である。

4 残差の二乗の下降と後退探索

命題 4.1.n∈N≥1n\in\NN、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とし、ϕ ⁣:U→R\phi\colon U\to\Rをϕ(x):=12∥F(x)∥22\phi(x):=\frac12\lVert F(x)\rVert_2^2で定める。x∈Ux\in Uとする。

  1. ϕ\phiはxxで全微分可能であり、任意のh∈Rnh\in\R^nに対してDϕ(x)h=F(x)TDF(x)hD\phi(x)h=F(x)^{\mathsf T}DF(x)hが成り立つ。すなわち∇ϕ(x)=DF(x)TF(x)\nabla\phi(x)=DF(x)^{\mathsf T}F(x)である。
  2. DF(x)DF(x)が正則でF(x)≠0F(x)\ne0ならば、Newton 修正量s:=−DF(x)−1F(x)s:=-DF(x)^{-1}F(x)はDϕ(x)s=−∥F(x)∥22=−2ϕ(x)<0D\phi(x)s=-\lVert F(x)\rVert_2^2=-2\phi(x)<0を満たす。
  3. F(x)≠0F(x)\ne0とし、0≤η<10\le\eta<1とする。s^∈Rn\hat s\in\R^nが∥DF(x)s^+F(x)∥2≤η∥F(x)∥2\lVert DF(x)\hat s+F(x)\rVert_2\le\eta\lVert F(x)\rVert_2を満たすならば、Dϕ(x)s^≤−(1−η)∥F(x)∥22<0D\phi(x)\hat s\le-(1-\eta)\lVert F(x)\rVert_2^2<0である。
  4. ∇ϕ(x)=0\nabla\phi(x)=0かつF(x)≠0F(x)\ne0ならば、DF(x)DF(x)は正則でない。

証明.g ⁣:Rn→Rg\colon\R^n\to\Rをg(y):=12∥y∥22g(y):=\frac12\lVert y\rVert_2^2で定めると、g(y+k)−g(y)−yTk=12∥k∥22g(y+k)-g(y)-y^{\mathsf T}k=\frac12\lVert k\rVert_2^2であるから、ggは全微分可能でDg(y)k=yTkDg(y)k=y^{\mathsf T}kである。ϕ=g∘F\phi=g\circ Fに§E4.3 定理 1.1を適用して(1)を得る。

(2)は(1)にDF(x)s=−F(x)DF(x)s=-F(x)を代入して得る。

(3)を示す。r^:=DF(x)s^+F(x)\hat r:=DF(x)\hat s+F(x)と置くと、(1)と Cauchy–Schwarz の不等式により

Dϕ(x)s^=F(x)T(r^−F(x))≤∥F(x)∥2∥r^∥2−∥F(x)∥22≤−(1−η)∥F(x)∥22D\phi(x)\hat s=F(x)^{\mathsf T}(\hat r-F(x))\le\lVert F(x)\rVert_2\lVert\hat r\rVert_2-\lVert F(x)\rVert_2^2\le-(1-\eta)\lVert F(x)\rVert_2^2

である。

(4)を示す。DF(x)TF(x)=0DF(x)^{\mathsf T}F(x)=0かつF(x)≠0F(x)\ne0であるからDF(x)TDF(x)^{\mathsf T}は正則でなく、したがってDF(x)DF(x)も正則でない。▨

定義 4.2.UU、FF、ϕ\phiを命題 4.1のとおりとし、c1,τ∈(0,1)c_1,\tau\in(0,1)を固定する。x∈Ux\in U、s∈Rns\in\R^nがDϕ(x)s<0D\phi(x)s<0を満たすとする。

  1. 実数α>0\alpha>0がx+αs∈Ux+\alpha s\in Uと ϕ(x+αs)≤ϕ(x)+c1α Dϕ(x)s\phi(x+\alpha s)\le\phi(x)+c_1\alpha\,D\phi(x)s を満たすとき、α\alphaはxxとssについて Armijo 条件 (Armijo condition) を満たすという。
  2. j=0,1,2,…j=0,1,2,\dotsの順にα=τj\alpha=\tau^jが Armijo 条件を満たすかを調べ、初めて満たすτj\tau^jを出力する手続きを 後退探索 (backtracking line search) という。
  3. x0∈Ux_0\in Uとする。xk∈Ux_k\in UについてDF(xk)DF(x_k)が正則かつF(xk)≠0F(x_k)\ne0であるとき、sk:=−DF(xk)−1F(xk)s_k:=-DF(x_k)^{-1}F(x_k)と、xkx_kとsks_kについての後退探索の出力αk\alpha_kからxk+1:=xk+αkskx_{k+1}:=x_k+\alpha_ks_kと置く。F(xk)=0F(x_k)=0ならばxkx_kを出力して停止する。この反復を 減衰 Newton 法 (damped Newton method) という。

命題 4.1 (2)によりDϕ(xk)sk<0D\phi(x_k)s_k<0であるから、3 の後退探索は 2 の仮定を満たす点と方向に対して行われる。

命題 4.3.定義 4.2の記号と仮定の下で、αˉ>0\bar\alpha>0が存在して、任意のα∈(0,αˉ]\alpha\in(0,\bar\alpha]はxxとssについて Armijo 条件を満たす。したがって後退探索は、τj≤αˉ\tau^j\le\bar\alphaを満たす最小の整数j≥0j\ge0をjˉ\bar jとして、高々jˉ+1\bar j+1回の判定で停止し、出力α\alphaはα≥min⁡{1,ταˉ}\alpha\ge\min\{1,\tau\bar\alpha\}を満たす。

証明.UUは開集合であるから、ε>0\varepsilon>0が存在して∣t∣<ε\lvert t\rvert<\varepsilonならばx+ts∈Ux+ts\in Uである。ψ(t):=ϕ(x+ts)\psi(t):=\phi(x+ts)(∣t∣<ε\lvert t\rvert<\varepsilon)と置くと、§E4.3 定理 1.1と命題 4.1 (1)によりψ\psiは00で微分可能でありψ′(0)=Dϕ(x)s<0\psi'(0)=D\phi(x)s<0である。c1<1c_1<1からψ′(0)<c1ψ′(0)\psi'(0)<c_1\psi'(0)であり、(ψ(α)−ψ(0))/α→ψ′(0)(\psi(\alpha)-\psi(0))/\alpha\to\psi'(0)(α→+0\alpha\to+0)であるから、αˉ∈(0,ε)\bar\alpha\in(0,\varepsilon)が存在して、任意のα∈(0,αˉ]\alpha\in(0,\bar\alpha]に対して(ψ(α)−ψ(0))/α≤c1ψ′(0)(\psi(\alpha)-\psi(0))/\alpha\le c_1\psi'(0)、すなわちϕ(x+αs)≤ϕ(x)+c1αDϕ(x)s\phi(x+\alpha s)\le\phi(x)+c_1\alpha D\phi(x)sであり、x+αs∈Ux+\alpha s\in Uである。0<τ<10<\tau<1からjˉ\bar jは存在し、τjˉ\tau^{\bar j}は Armijo 条件を満たすから、後退探索はj≤jˉj\le\bar jで停止する。停止したjjがj≥1j\ge1ならばj−1<jˉj-1<\bar jからτj−1>αˉ\tau^{j-1}>\bar\alphaであり、τj>ταˉ\tau^j>\tau\bar\alphaである。▨

命題 4.4.n∈N≥1n\in\NN、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とし、x∗x^*をFFの正則零点で半径rr、定数γ\gammaの Lipschitz 条件を満たすものとし、β\beta、κ\kappa、ρ\rhoを定義 2.1のとおりとする。ϕ\phiを命題 4.1のとおりとし、0<c1<1/20<c_1<1/2とする。x∈B‾(x∗,ρ)x\in\overline B(x^*,\rho)がF(x)≠0F(x)\ne0と

53κβγ∥x−x∗∥2≤1−2c1\frac53\kappa\beta\gamma\lVert x-x^*\rVert_2\le\sqrt{1-2c_1}

を満たすならば、α=1\alpha=1はxxと Newton 修正量s=−DF(x)−1F(x)s=-DF(x)^{-1}F(x)について Armijo 条件を満たす。したがってxxでの後退探索の出力は11であり、xxからの減衰 Newton 法の一段は Newton 法の一段NF(x)N_F(x)に一致する。

証明. 演習とする(問題 7.2)。▨

5 線形系の誤差と停止条件

定義 5.1.n∈N≥1n\in\NN、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とし、(ηk)k∈N≥0(\eta_k)_{k\in\N}を[0,1)[0,1)の数列とする。UUの点列(xk)k∈N≥0(x_k)_{k\in\N}が、すべてのkkについて

∥DF(xk)(xk+1−xk)+F(xk)∥2≤ηk∥F(xk)∥2\lVert DF(x_k)(x_{k+1}-x_k)+F(x_k)\rVert_2\le\eta_k\lVert F(x_k)\rVert_2

を満たすとき、(xk)(x_k)を(ηk)(\eta_k)に関する 非厳密 Newton 法 (inexact Newton method) の反復列といい、s^k:=xk+1−xk\hat s_k:=x_{k+1}-x_kと書く。DF(xk)DF(x_k)が正則ならば、左辺のノルムの中のベクトルは連立一次方程式DF(xk)s=−F(xk)DF(x_k)s=-F(x_k)の近似解s^k\hat s_kの残差の符号を変えたものであり、Newton 法の反復列はηk=0\eta_k=0(k∈N≥0k\in\N)に関する非厳密 Newton 法の反復列である。

定理 5.2.n∈N≥1n\in\NN、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とし、x∗x^*をFFの正則零点で半径rr、定数γ\gammaの Lipschitz 条件を満たすものとする。β\beta、κ\kappa、ρ′\rho'を定義 2.1のとおりとし、(ηk)(\eta_k)を[0,1/(5κ)][0,1/(5\kappa)]の数列とする。(xk)(x_k)をRn\R^nの点列で、x0∈B‾(x∗,ρ′)x_0\in\overline B(x^*,\rho')であり、xk∈Ux_k\in Uを満たす各kkについて∥DF(xk)(xk+1−xk)+F(xk)∥2≤ηk∥F(xk)∥2\lVert DF(x_k)(x_{k+1}-x_k)+F(x_k)\rVert_2\le\eta_k\lVert F(x_k)\rVert_2を満たすものとする。ek:=xk−x∗e_k:=x_k-x^*、s^k:=xk+1−xk\hat s_k:=x_{k+1}-x_kと置く。

  1. すべてのk∈N≥0k\in\Nでxk∈B‾(x∗,ρ′)x_k\in\overline B(x^*,\rho')かつDF(xk)DF(x_k)は正則であり、(xk)(x_k)は(ηk)(\eta_k)に関する非厳密 Newton 法の反復列である。さらに ∥ek+1∥2≤23βγ∥ek∥22+53κηk∥ek∥2≤12∥ek∥2\lVert e_{k+1}\rVert_2\le\frac23\beta\gamma\lVert e_k\rVert_2^2+\frac53\kappa\eta_k\lVert e_k\rVert_2\le\frac12\lVert e_k\rVert_2 が成り立つ。特にxk→x∗x_k\to x^*である。
  2. ηk→0\eta_k\to0であり、すべてのkkでxk≠x∗x_k\ne x^*ならば、∥ek+1∥2/∥ek∥2→0\lVert e_{k+1}\rVert_2/\lVert e_k\rVert_2\to0である。
  3. K≥0K\ge0について、すべてのkkでηk≤K∥F(xk)∥2\eta_k\le K\lVert F(x_k)\rVert_2ならば、すべてのkkで ∥ek+1∥2≤(23βγ+2512κK∥DF(x∗)∥2)∥ek∥22\lVert e_{k+1}\rVert_2\le\Bigl(\frac23\beta\gamma+\frac{25}{12}\kappa K\lVert DF(x^*)\rVert_2\Bigr)\lVert e_k\rVert_2^2 が成り立つ。

証明.(1)を示す。xk∈B‾(x∗,ρ′)x_k\in\overline B(x^*,\rho')とする。ρ′≤ρ≤r\rho'\le\rho\le rであるからxk∈Ux_k\in Uであり、βγ∥ek∥2≤1/4\beta\gamma\lVert e_k\rVert_2\le1/4である。補題 2.3によりDF(xk)DF(x_k)は正則であり∥DF(xk)−1∥2≤43β\lVert DF(x_k)^{-1}\rVert_2\le\frac43\betaである。補題 2.4をx=xkx=x_k、s^=s^k\hat s=\hat s_kに適用し、∥DF(xk)s^k+F(xk)∥2≤ηk∥F(xk)∥2\lVert DF(x_k)\hat s_k+F(x_k)\rVert_2\le\eta_k\lVert F(x_k)\rVert_2と命題 3.1 (2)を用いると

∥ek+1∥2≤43β(γ2∥ek∥22+ηk⋅54∥DF(x∗)∥2∥ek∥2)=23βγ∥ek∥22+53κηk∥ek∥2\lVert e_{k+1}\rVert_2\le\frac43\beta\Bigl(\frac\gamma2\lVert e_k\rVert_2^2+\eta_k\cdot\frac54\lVert DF(x^*)\rVert_2\lVert e_k\rVert_2\Bigr)=\frac23\beta\gamma\lVert e_k\rVert_2^2+\frac53\kappa\eta_k\lVert e_k\rVert_2

である。23βγ∥ek∥2≤16\frac23\beta\gamma\lVert e_k\rVert_2\le\frac16、53κηk≤13\frac53\kappa\eta_k\le\frac13であるから右辺は12∥ek∥2\frac12\lVert e_k\rVert_2以下であり、xk+1∈B‾(x∗,ρ′)x_{k+1}\in\overline B(x^*,\rho')である。x0∈B‾(x∗,ρ′)x_0\in\overline B(x^*,\rho')から、kkに関する帰納法によりすべてのkkでxk∈B‾(x∗,ρ′)⊆Ux_k\in\overline B(x^*,\rho')\subseteq Uと主張の不等式が成り立ち、(xk)(x_k)は非厳密 Newton 法の反復列であって、∥ek∥2≤2−k∥e0∥2→0\lVert e_k\rVert_2\le2^{-k}\lVert e_0\rVert_2\to0である。

(2)は、(1)の不等式を∥ek∥2\lVert e_k\rVert_2で割った∥ek+1∥2/∥ek∥2≤23βγ∥ek∥2+53κηk\lVert e_{k+1}\rVert_2/\lVert e_k\rVert_2\le\frac23\beta\gamma\lVert e_k\rVert_2+\frac53\kappa\eta_kの右辺が00に収束することから従う。

(3)は、命題 3.1 (2)によるηk≤K∥F(xk)∥2≤54K∥DF(x∗)∥2∥ek∥2\eta_k\le K\lVert F(x_k)\rVert_2\le\frac54K\lVert DF(x^*)\rVert_2\lVert e_k\rVert_2を(1)の不等式に代入して得る。▨

例 5.3.n=1n=1、U=RU=\R、F(x):=xF(x):=xとする。DF≡1DF\equiv1であり、x∗=0x^*=0はFFの正則零点で、任意のr>0r>0について半径rr、定数γ=0\gamma=0の Lipschitz 条件を満たし、β=κ=∥DF(x∗)∥2=1\beta=\kappa=\lVert DF(x^*)\rVert_2=1、ρ′=r\rho'=rである。r=1r=1とし、x0=1x_0=1と[0,1/5][0,1/5]の数列(ηk)(\eta_k)についてxk+1:=ηkxkx_{k+1}:=\eta_kx_kと置く。s^k=−(1−ηk)xk\hat s_k=-(1-\eta_k)x_kであり、DF(xk)s^k+F(xk)=ηkxk=ηkF(xk)DF(x_k)\hat s_k+F(x_k)=\eta_kx_k=\eta_kF(x_k)であるから、(xk)(x_k)は定理 5.2の仮定を等号で満たし、ek+1=ηkeke_{k+1}=\eta_ke_kである。γ=0\gamma=0であるから、定理 5.2 (1)の不等式は∣ek+1∣≤53ηk∣ek∣\lvert e_{k+1}\rvert\le\frac53\eta_k\lvert e_k\rvertとなり、定理 5.2 (3)の不等式は∣ek+1∣≤2512K∣ek∣2\lvert e_{k+1}\rvert\le\frac{25}{12}K\lvert e_k\rvert^2となる。

  1. ηk=1/5\eta_k=1/5ならばxk=5−kx_k=5^{-k}であり、∣ek+1∣/∣ek∣=1/5\lvert e_{k+1}\rvert/\lvert e_k\rvert=1/5はすべてのkkで等しい。これは定理 5.2 (1)の係数53ηk=13\frac53\eta_k=\frac13以下であり、比は00に収束しない。
  2. ηk=1/(5(k+1))\eta_k=1/(5(k+1))ならばηk→0\eta_k\to0であり、xk=1/(5kk!)x_k=1/(5^kk!)、∣ek+1∣/∣ek∣=1/(5(k+1))→0\lvert e_{k+1}\rvert/\lvert e_k\rvert=1/(5(k+1))\to0であって、定理 5.2 (2)の結論が成り立つ。一方∣ek+1∣/∣ek∣2=5k−1k!/(k+1)\lvert e_{k+1}\rvert/\lvert e_k\rvert^2=5^{k-1}k!/(k+1)はk=0,1,2,3k=0,1,2,3で1/51/5、1/21/2、10/310/3、75/275/2であり、k→∞k\to\inftyで発散するから、∣ek+1∣≤M∣ek∣2\lvert e_{k+1}\rvert\le M\lvert e_k\rvert^2をすべてのkkで満たす定数MMは存在しない。
  3. ηk=15∣F(xk)∣\eta_k=\frac15\lvert F(x_k)\rvertとする。xk+1=xk2/5x_{k+1}=x_k^2/5からxk=51−2kx_k=5^{1-2^k}であり、xkx_kは正で減少するからηk≤15\eta_k\le\frac15である。∣ek+1∣=15∣ek∣2\lvert e_{k+1}\rvert=\frac15\lvert e_k\rvert^2であり、係数15\frac15は定理 5.2 (3)をK=15K=\frac15で適用した係数2512K=512\frac{25}{12}K=\frac5{12}以下である。

系 5.4.定理 5.2のFF、x∗x^*、β\beta、κ\kappa、ρ′\rho'をとり、x0∈B‾(x∗,ρ′)x_0\in\overline B(x^*,\rho')とする。xk∈Ux_k\in Uである各kkについて、正則行列Jk∈Mn(R)J_k\in M_n(\R)とδk≥0\delta_k\ge0が∥Jk−DF(xk)∥2≤δk\lVert J_k-DF(x_k)\rVert_2\le\delta_kとδk∥Jk−1∥2≤1/(5κ)\delta_k\lVert J_k^{-1}\rVert_2\le1/(5\kappa)を満たし、xk+1:=xk−Jk−1F(xk)x_{k+1}:=x_k-J_k^{-1}F(x_k)と置くとする。このときηk:=δk∥Jk−1∥2\eta_k:=\delta_k\lVert J_k^{-1}\rVert_2について定理 5.2の結論が成り立つ。

証明.xk∈Ux_k\in Uならば、s^k:=xk+1−xk=−Jk−1F(xk)\hat s_k:=x_{k+1}-x_k=-J_k^{-1}F(x_k)についてDF(xk)s^k+F(xk)=(DF(xk)−Jk)s^kDF(x_k)\hat s_k+F(x_k)=(DF(x_k)-J_k)\hat s_kであるから、§E20.2 補題 1.2 (1)により∥DF(xk)s^k+F(xk)∥2≤δk∥Jk−1∥2∥F(xk)∥2\lVert DF(x_k)\hat s_k+F(x_k)\rVert_2\le\delta_k\lVert J_k^{-1}\rVert_2\lVert F(x_k)\rVert_2である。ηk≤1/(5κ)\eta_k\le1/(5\kappa)であるから、定理 5.2を(ηk)(\eta_k)と(xk)(x_k)に適用することができる。▨

注意 5.5.FFが§E20.22 定義 1.1の計算グラフの定める写像であり、xxがその定義域に属するとき、§E20.22 定理 2.2により方向e1,…,ene_1,\dots,e_nの前進モードの出力は厳密な実数演算でDF(x)DF(x)の各列に等しい。さらに§E20.22 命題 4.1の費用のモデルの仮定、すなわち加算・減算・乗算の費用をそれぞれ11と数え、各節点の値とその局所偏導関数をあわせてその節点の値の計算の費用tkt_kのCC倍以下で計算することができるという仮定の下で、F(x)F(x)の評価の費用をT:=∑ktkT:=\sum_kt_kとすると、§E20.22 命題 4.1 (3)により方向e1,…,ene_1,\dots,e_nの前進モードの費用の総和は(C+2n)T(C+2n)T以下である。この場合、厳密な実数演算では系 5.4のδk\delta_kを00とすることができる。前進モードを浮動小数点演算で実行したときの誤差と、差分でDF(xk)DF(x_k)を近似したときの誤差は、系 5.4ではδk\delta_kの値として現れ、δk∥Jk−1∥2→0\delta_k\lVert J_k^{-1}\rVert_2\to0ならば定理 5.2 (2)により超線形の評価が、あるK′≥0K'\ge0についてδk∥Jk−1∥2≤K′∥F(xk)∥2\delta_k\lVert J_k^{-1}\rVert_2\le K'\lVert F(x_k)\rVert_2ならば定理 5.2 (3)により二次の評価が成り立つ。

定義 5.6.n∈N≥1n\in\NN、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とし、FFに対する非厳密 Newton 法の反復列(xk)(x_k)を考えて、実数τF≥0\tau_F\ge0、τs≥0\tau_s\ge0をとる。

  1. ∥F(xk)∥2≤τF\lVert F(x_k)\rVert_2\le\tau_Fが成り立つ最初のkkでxkx_kを出力する判定を、残差判定という。
  2. ∥xk+1−xk∥2≤τs\lVert x_{k+1}-x_k\rVert_2\le\tau_sが成り立つ最初のkkでxk+1x_{k+1}を出力する判定を、修正量判定という。
  3. 各kkで連立一次方程式DF(xk)s=−F(xk)DF(x_k)s=-F(x_k)の近似解を生成する反復について、∥DF(xk)s^+F(xk)∥2≤ηk∥F(xk)∥2\lVert DF(x_k)\hat s+F(x_k)\rVert_2\le\eta_k\lVert F(x_k)\rVert_2を満たす最初の近似解s^\hat sをs^k\hat s_kとする判定を、線形系の相対残差判定という。

n=1n=1のとき、残差判定は§E20.4 定義 6.1 (1)に、τrel=0\tau_{\mathrm{rel}}=0の§E20.4 定義 6.1 (2)は修正量判定を一段ずらしたものに一致する。

命題 5.7.定理 5.2の仮定と記号の下で、各k∈N≥0k\in\Nについて次が成り立つ。

  1. ∥xk−x∗∥2≤43β∥F(xk)∥2\lVert x_k-x^*\rVert_2\le\frac43\beta\lVert F(x_k)\rVert_2である。特に残差判定がxkx_kで成り立つならば∥xk−x∗∥2≤43βτF\lVert x_k-x^*\rVert_2\le\frac43\beta\tau_Fである。
  2. 23∥s^k∥2≤∥xk−x∗∥2≤2∥s^k∥2\frac23\lVert\hat s_k\rVert_2\le\lVert x_k-x^*\rVert_2\le2\lVert\hat s_k\rVert_2であり、 ∥xk+1−x∗∥2≤83βγ∥s^k∥22+103κηk∥s^k∥2\lVert x_{k+1}-x^*\rVert_2\le\frac83\beta\gamma\lVert\hat s_k\rVert_2^2+\frac{10}3\kappa\eta_k\lVert\hat s_k\rVert_2 である。特に修正量判定がkkで成り立つならば、∥xk+1−x∗∥2≤83βγτs2+103κηkτs\lVert x_{k+1}-x^*\rVert_2\le\frac83\beta\gamma\tau_s^2+\frac{10}3\kappa\eta_k\tau_sである。
  3. F(xk)≠0F(x_k)\ne0ならば、Newton 修正量sk:=−DF(xk)−1F(xk)s_k:=-DF(x_k)^{-1}F(x_k)について ∥s^k−sk∥2∥sk∥2≤κ2(DF(xk)) ηk\frac{\lVert\hat s_k-s_k\rVert_2}{\lVert s_k\rVert_2}\le\kappa_2(DF(x_k))\,\eta_k である。

証明.(1)は、定理 5.2 (1)によるxk∈B‾(x∗,ρ′)⊆B‾(x∗,ρ)x_k\in\overline B(x^*,\rho')\subseteq\overline B(x^*,\rho)に命題 3.1 (1)を適用して得る。

(2)を示す。ek:=xk−x∗e_k:=x_k-x^*と置くとek=ek+1−s^ke_k=e_{k+1}-\hat s_kである。定理 5.2 (1)の∥ek+1∥2≤12∥ek∥2\lVert e_{k+1}\rVert_2\le\frac12\lVert e_k\rVert_2から∥ek∥2≤∥s^k∥2+12∥ek∥2\lVert e_k\rVert_2\le\lVert\hat s_k\rVert_2+\frac12\lVert e_k\rVert_2、∥s^k∥2≤∥ek∥2+∥ek+1∥2≤32∥ek∥2\lVert\hat s_k\rVert_2\le\lVert e_k\rVert_2+\lVert e_{k+1}\rVert_2\le\frac32\lVert e_k\rVert_2であり、両側の評価を得る。∥ek∥2≤2∥s^k∥2\lVert e_k\rVert_2\le2\lVert\hat s_k\rVert_2を定理 5.2 (1)の不等式に代入して∥ek+1∥2\lVert e_{k+1}\rVert_2の評価を得る。

(3)を示す。定理 5.2 (1)によりDF(xk)DF(x_k)は正則である。§E20.5 命題 4.5をA=DF(xk)A=DF(x_k)、b=−F(xk)≠0b=-F(x_k)\ne0、x^=s^k\widehat x=\hat s_kに適用すると、A−1b=skA^{-1}b=s_k、b−As^k=−(DF(xk)s^k+F(xk))b-A\hat s_k=-(DF(x_k)\hat s_k+F(x_k))であり、その相対残差はηk\eta_k以下であるから主張を得る。▨

注意 5.8.命題 5.7の係数β\beta、γ\gamma、κ\kappaと、x0∈B‾(x∗,ρ′)x_0\in\overline B(x^*,\rho')という仮定は、未知の零点x∗x^*における量であり、反復の中で計算される量ではない。命題 5.7 (3)はDF(xk)DF(x_k)が正則であることだけを用い、線形系の相対残差ηk\eta_kはs^k\hat s_kを得た後に計算することができる。零点で Jacobi 行列が正則でない場合には残差判定の誤差がτF\sqrt{\tau_F}の程度になり(例 6.2)、零点が存在しない場合にも修正量判定は成り立ちうる(例 6.4)。

注意 5.9. 変数の成分と方程式の成分が異なる単位をもつとき、正則行列WxW_x、WFW_F(たとえば正の対角行列)をとり、∥v∥Wx:=∥Wxv∥2\lVert v\rVert_{W_x}:=\lVert W_xv\rVert_2、∥w∥WF:=∥WFw∥2\lVert w\rVert_{W_F}:=\lVert W_Fw\rVert_2によって誤差と残差を測ることができる。命題 1.2をA=WFA=W_F、S=Wx−1S=W_x^{-1}に適用すると、G(z):=WFF(Wx−1z)G(z):=W_FF(W_x^{-1}z)に対する Newton 法の反復列はzk=Wxxkz_k=W_xx_kであり、∥zk−Wxx∗∥2=∥xk−x∗∥Wx\lVert z_k-W_xx^*\rVert_2=\lVert x_k-x^*\rVert_{W_x}、∥G(zk)∥2=∥F(xk)∥WF\lVert G(z_k)\rVert_2=\lVert F(x_k)\rVert_{W_F}、DG(z)=WF DF(Wx−1z) Wx−1DG(z)=W_F\,DF(W_x^{-1}z)\,W_x^{-1}である。したがってGGに定理 2.5と命題 3.1を適用すると、Newton 法の反復列そのものは変えずに、重み付きのノルムでの誤差と残差について同じ形の評価が成り立ち、そのβ\beta、γ\gammaはWx DF(x∗)−1WF−1W_x\,DF(x^*)^{-1}W_F^{-1}の作用素ノルムとx↦WF DF(x) Wx−1x\mapsto W_F\,DF(x)\,W_x^{-1}の∥⋅∥Wx\lVert\cdot\rVert_{W_x}に関する Lipschitz 定数である。残差判定と修正量判定に用いるノルム、非厳密 Newton 法の条件、命題 4.1のϕ\phiは重みに依存し、したがって減衰 Newton 法の反復列は重みに依存する。

6 例

例 6.1.F ⁣:R2→R2F\colon\R^2\to\R^2をF(x,y):=(x2+y2−4, (x−2)2+y2−4)F(x,y):=\bigl(x^2+y^2-4,\ (x-2)^2+y^2-4\bigr)とする。FFの零点は(1,3)(1,\sqrt3)と(1,−3)(1,-\sqrt3)であり、

DF(x,y)=(2x2y2x−42y),det⁡DF(x,y)=8yDF(x,y)=\begin{pmatrix}2x&2y\\2x-4&2y\end{pmatrix},\qquad\det DF(x,y)=8y

であるから、DF={(x,y)∣y≠0}D_F=\{(x,y)\mid y\ne0\}である。A:=(101−1)A:=\begin{pmatrix}1&0\\1&-1\end{pmatrix}についてAF(x,y)=(x2+y2−4, 4x−4)AF(x,y)=(x^2+y^2-4,\ 4x-4)であり、命題 1.2(S=IS=I)によりFFとAFAFの Newton 法の反復列は一致する。AFAFの Newton 修正量(sx,sy)(s_x,s_y)は4sx=−(4x−4)4s_x=-(4x-4)と2xsx+2ysy=−(x2+y2−4)2xs_x+2ys_y=-(x^2+y^2-4)を満たすから、y≠0y\ne0に対して

NF(x,y)=(1, y2+(x−1)2+32y)N_F(x,y)=\Bigl(1,\ \frac{y^2+(x-1)^2+3}{2y}\Bigr)

である。y0>0y_0>0ならばx1=(1,y1)x_1=(1,y_1)、y1>0y_1>0であり、k≥1k\ge1ではyk+1=(yk+3/yk)/2y_{k+1}=(y_k+3/y_k)/2である。yk+1−3=(yk−3)2/(2yk)≥0y_{k+1}-\sqrt3=(y_k-\sqrt3)^2/(2y_k)\ge0であるからk≥2k\ge2でyk≥3y_k\ge\sqrt3であり、yk≥3y_k\ge\sqrt3ならば0≤yk+1−3≤(yk−3)/20\le y_{k+1}-\sqrt3\le(y_k-\sqrt3)/2である。したがってxk→(1,3)x_k\to(1,\sqrt3)である。NF(x,−y)N_F(x,-y)はNF(x,y)N_F(x,y)の第二成分の符号を変えたものであるから、y0<0y_0<0ならばxk→(1,−3)x_k\to(1,-\sqrt3)である。y0=0y_0=0ならばDF(x0)DF(x_0)は正則でなく、x1x_1は定まらない。収束先はy0y_0の符号で決まる。

x∗=(1,3)x^*=(1,\sqrt3)で定理 2.5の定数を求める。DF(p)−DF(q)=2(11)(p−q)TDF(p)-DF(q)=2\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}(p-q)^{\mathsf T}であるから∥DF(p)−DF(q)∥2=22∥p−q∥2\lVert DF(p)-DF(q)\rVert_2=2\sqrt2\lVert p-q\rVert_2であり、任意のr>0r>0についてγ=22\gamma=2\sqrt2である。DF(x∗)=(223−223)DF(x^*)=\begin{pmatrix}2&2\sqrt3\\-2&2\sqrt3\end{pmatrix}の二つの列は直交し、そのノルムは222\sqrt2と262\sqrt6であるから、DF(x∗)DF(x^*)の特異値は262\sqrt6と222\sqrt2であり、β=1/(22)\beta=1/(2\sqrt2)、∥DF(x∗)∥2=26\lVert DF(x^*)\rVert_2=2\sqrt6、κ=3\kappa=\sqrt3である。βγ=1\beta\gamma=1であるから、r=1/2r=1/2としてρ=1/2\rho=1/2であり、∥x0−x∗∥2≤1/2\lVert x_0-x^*\rVert_2\le1/2ならば∥ek+1∥2≤∥ek∥22\lVert e_{k+1}\rVert_2\le\lVert e_k\rVert_2^2である。y0>0y_0>0を満たす任意のx0x_0から反復列はx∗x^*に収束するので、半径ρ\rhoは収束のための十分条件を与える。

x0=(2,1)x_0=(2,1)から有理数演算で計算すると、x1=(1,5/2)x_1=(1,5/2)、x2=(1,37/20)x_2=(1,37/20)、x3=(1,2569/1480)x_3=(1,2569/1480)、x4=(1,13170961/7604240)x_4=(1,13170961/7604240)であり、誤差のノルムは十進 50 桁で計算して

∥e0∥2≈1.24,∥e1∥2≈7.68×10−1,∥e2∥2≈1.18×10−1,∥e3∥2≈3.76×10−3,∥e4∥2≈4.07×10−6,∥e5∥2≈4.79×10−12\lVert e_0\rVert_2\approx1.24,\quad\lVert e_1\rVert_2\approx7.68\times10^{-1},\quad\lVert e_2\rVert_2\approx1.18\times10^{-1},\quad\lVert e_3\rVert_2\approx3.76\times10^{-3},\quad\lVert e_4\rVert_2\approx4.07\times10^{-6},\quad\lVert e_5\rVert_2\approx4.79\times10^{-12}

である。x0x_0とx1x_1はB‾(x∗,1/2)\overline B(x^*,1/2)に属さず、x2x_2から先は属し、k≥2k\ge2で∥ek+1∥2≤∥ek∥22\lVert e_{k+1}\rVert_2\le\lVert e_k\rVert_2^2を満たす。k=1,…,4k=1,\dots,4の∥ek+1∥2/∥ek∥22\lVert e_{k+1}\rVert_2/\lVert e_k\rVert_2^2は約0.2000.200、0.2700.270、0.2880.288、0.28870.2887であり、f(y)=y2−3f(y)=y^2-3の Newton 法であるyk+1=(yk+3/yk)/2y_{k+1}=(y_k+3/y_k)/2の十分先の項から始まる列に§E20.4 定理 4.3 (2)を適用した極限1/(23)≈0.28871/(2\sqrt3)\approx0.2887に近づく。

例 6.2.F ⁣:R2→R2F\colon\R^2\to\R^2をF(x,y):=(x2+y2−1, (x−2)2+y2−1)F(x,y):=\bigl(x^2+y^2-1,\ (x-2)^2+y^2-1\bigr)とする。二つの円は点(1,0)(1,0)で接し、FFの零点はx∗=(1,0)x^*=(1,0)だけである。DF(x∗)=(20−20)DF(x^*)=\begin{pmatrix}2&0\\-2&0\end{pmatrix}は正則でなく、x∗x^*は正則零点でない。∥DF(p)−DF(q)∥2=22∥p−q∥2\lVert DF(p)-DF(q)\rVert_2=2\sqrt2\lVert p-q\rVert_2は例 6.1と同じであり、破れる仮定はDF(x∗)DF(x^*)の正則性だけである。

例 6.1と同じくAF(x,y)=(x2+y2−1, 4x−4)AF(x,y)=(x^2+y^2-1,\ 4x-4)を用いると、y≠0y\ne0に対してNF(x,y)=(1, (y2+(x−1)2)/(2y))N_F(x,y)=\bigl(1,\ (y^2+(x-1)^2)/(2y)\bigr)である。x0=(2,1)x_0=(2,1)からx1=(1,1)x_1=(1,1)であり、k≥1k\ge1でyk+1=yk/2y_{k+1}=y_k/2であるからxk=(1,2−(k−1))x_k=(1,2^{-(k-1)})である。したがってk≥1k\ge1で

∥ek+1∥2=12∥ek∥2,∥F(xk)∥2=2 ∥ek∥22,∥xk+1−xk∥2=12∥ek∥2\lVert e_{k+1}\rVert_2=\frac12\lVert e_k\rVert_2,\qquad\lVert F(x_k)\rVert_2=\sqrt2\,\lVert e_k\rVert_2^2,\qquad\lVert x_{k+1}-x_k\rVert_2=\frac12\lVert e_k\rVert_2

であり、反復列はx∗x^*に線形収束する。比1/21/2は、yyについての方程式y2=0y^2=0に§E20.4 命題 4.6をm=2m=2で適用した漸近定数(m−1)/m(m-1)/mである。

残差は誤差の二乗に比例する。残差判定をτF=10−12\tau_F=10^{-12}で行うと、2⋅4−(k−1)≤10−12\sqrt2\cdot4^{-(k-1)}\le10^{-12}を満たす最初のkkは2222であり、出力の誤差は2−21≈4.77×10−72^{-21}\approx4.77\times10^{-7}である。修正量との間では∥ek∥2=2∥xk+1−xk∥2\lVert e_k\rVert_2=2\lVert x_{k+1}-x_k\rVert_2が成り立つが、次の反復の誤差は∥ek+1∥2=∥xk+1−xk∥2\lVert e_{k+1}\rVert_2=\lVert x_{k+1}-x_k\rVert_2であり、命題 5.7 (2)の修正量の二乗による評価は成り立たない。

例 6.3.例 6.1のFFに対して、x0=(3,1/10)x_0=(3,1/10)からc1=10−4c_1=10^{-4}、τ=1/2\tau=1/2の減衰 Newton 法を有理数演算で実行する。x0x_0での Newton 修正量はs0=(−2, 699/20)s_0=(-2,\ 699/20)であり、ϕ(x0)=170201/10000≈17.0\phi(x_0)=170201/10000\approx17.0、ϕ(x0+s0)≈1.50×106\phi(x_0+s_0)\approx1.50\times10^6であるから、α=1\alpha=1は Armijo 条件を満たさない。後退探索の出力αk\alpha_kとϕ(xk)\phi(x_k)は次のとおりである(値は有理数から十進に丸めて示す)。

k012345xk(3, 0.1)(2.984, 0.373)(2.860, 0.943)(2.395, 1.682)(1, 2.312)(1, 1.805)ϕ(xk)1.70×1011.69×1011.57×1011.09×1015.496.60×10−2αk1/1281/161/4111\begin{array}{c|cccccc} k&0&1&2&3&4&5\\\hline x_k&(3,\ 0.1)&(2.984,\ 0.373)&(2.860,\ 0.943)&(2.395,\ 1.682)&(1,\ 2.312)&(1,\ 1.805)\\ \phi(x_k)&1.70\times10^{1}&1.69\times10^{1}&1.57\times10^{1}&1.09\times10^{1}&5.49&6.60\times10^{-2}\\ \alpha_k&1/128&1/16&1/4&1&1&1 \end{array}

k≥3k\ge3ではすべてαk=1\alpha_k=1であり、ϕ(x6)≈2.57×10−5\phi(x_6)\approx2.57\times10^{-5}、ϕ(x7)≈4.57×10−12\phi(x_7)\approx4.57\times10^{-12}、ϕ(x8)≈1.45×10−25\phi(x_8)\approx1.45\times10^{-25}である。ϕ(xk)\phi(x_k)は各段で減少する。同じx0x_0からの Newton 法ではx1=(1, 701/20)x_1=(1,\ 701/20)、ϕ(x1)≈1.50×106\phi(x_1)\approx1.50\times10^6であり、以後yky_kはx∗=(1,3)x^*=(1,\sqrt3)に向かって減少し、ϕ(x9)≈1.46×10−20\phi(x_9)\approx1.46\times10^{-20}である。κ=3\kappa=\sqrt3、βγ=1\beta\gamma=1であるから、命題 4.4の条件は∥x−x∗∥2≤1−2c1/(533)≈0.346\lVert x-x^*\rVert_2\le\sqrt{1-2c_1}/(\frac53\sqrt3)\approx0.346であり、∥x5−x∗∥2≈7.3×10−2\lVert x_5-x^*\rVert_2\approx7.3\times10^{-2}を満たすx5x_5以後でαk=1\alpha_k=1が保証される。k=3,4k=3,4のαk=1\alpha_k=1はこの条件の外で受理された。

例 6.4. 次の二つの写像は、ϕ=12∥F∥22\phi=\frac12\lVert F\rVert_2^2の停留点でF≠0F\ne0となる点をもつ。

例 6.1のFFについて、xx軸上の点(x,0)(x,0)ではすべてDF(x,0)DF(x,0)は正則でなく、Newton 修正量は定まらない。∇ϕ(x,0)=DF(x,0)TF(x,0)\nabla\phi(x,0)=DF(x,0)^{\mathsf T}F(x,0)の第二成分は2y(F1+F2)∣y=0=02y\bigl(F_1+F_2\bigr)\big|_{y=0}=0である。(1,0)(1,0)ではF(1,0)=(−3,−3)F(1,0)=(-3,-3)、DF(1,0)TF(1,0)=(2⋅(−3)−2⋅(−3), 0)=0DF(1,0)^{\mathsf T}F(1,0)=(2\cdot(-3)-2\cdot(-3),\ 0)=0であり、(1,0)(1,0)はFFの零点が存在するにもかかわらずϕ\phiの停留点でF≠0F\ne0となる点である。

F ⁣:R2→R2F\colon\R^2\to\R^2をF(x,y):=(x2+y2−1, (x−3)2+y2−1)F(x,y):=\bigl(x^2+y^2-1,\ (x-3)^2+y^2-1\bigr)とする。F1+F2=2(x−3/2)2+2y2+5/2F_1+F_2=2(x-3/2)^2+2y^2+5/2であり、ϕ≥14(F1+F2)2≥25/16\phi\ge\frac14(F_1+F_2)^2\ge25/16であるからFFは零点をもたず、ϕ\phiの最小値25/1625/16は(3/2,0)(3/2,0)でだけとられる。(3/2,0)(3/2,0)ではF=(5/4,5/4)F=(5/4,5/4)であり、DF(3/2,0)=(30−30)DF(3/2,0)=\begin{pmatrix}3&0\\-3&0\end{pmatrix}は正則でない。

例 6.1と同じくAF(x,y)=(x2+y2−1, 6x−9)AF(x,y)=(x^2+y^2-1,\ 6x-9)(A=(101−1)A=\begin{pmatrix}1&0\\1&-1\end{pmatrix})を用いると、y≠0y\ne0での Newton 修正量はsx=3/2−xs_x=3/2-x、sy=−(x2+y2−1+2xsx)/(2y)s_y=-(x^2+y^2-1+2xs_x)/(2y)である。x0=(0,1)x_0=(0,1)からc1=10−4c_1=10^{-4}、τ=1/2\tau=1/2の減衰 Newton 法を有理数演算で実行すると、α0=1\alpha_0=1、x1=(3/2,1)x_1=(3/2,1)であり、sx=0s_x=0から、yk≠0y_k\ne0である限りxk=(3/2,yk)x_k=(3/2,y_k)、sy=−(yk2+5/4)/(2yk)s_y=-(y_k^2+5/4)/(2y_k)である。yky_kが00でない有理数ならば、後退探索の出力はj∈N≥0j\in\Nについてαk=2−j\alpha_k=2^{-j}であり、yk+1=yk−αk(yk2+5/4)/(2yk)y_{k+1}=y_k-\alpha_k(y_k^2+5/4)/(2y_k)が00になるのはαk(4yk2+5)=8yk2\alpha_k(4y_k^2+5)=8y_k^2、すなわちyk2=5/(4(2j+1−1))y_k^2=5/\bigl(4(2^{j+1}-1)\bigr)のときに限る。m:=j+1m:=j+1について5(2m−1)5(2^m-1)は、m=1m=1では55であり、m≥2m\ge2では44で割ると33余るから、平方数でない。したがって5/(4(2m−1))5/\bigl(4(2^m-1)\bigr)は有理数の平方でなく、yk+1y_{k+1}は00でない有理数である。y1=1y_1=1から、kkに関する帰納法によりすべてのk≥1k\ge1でyky_kは00でない有理数であり、FFは零点をもたないから、各段でDF(xk)DF(x_k)は正則かつF(xk)≠0F(x_k)\ne0であって、反復は停止せずに続く。ϕ(3/2,y)=(5/4+y2)2\phi(3/2,y)=(5/4+y^2)^2であり、Armijo 条件とDϕ(xk)sk<0D\phi(x_k)s_k<0からϕ(xk+1)<ϕ(xk)\phi(x_{k+1})<\phi(x_k)であるから∣yk+1∣<∣yk∣\lvert y_{k+1}\rvert<\lvert y_k\rvertであり、sys_yはyky_kと逆の符号をもつからαk∣sy∣<2∣yk∣\alpha_k\lvert s_y\rvert<2\lvert y_k\rvert、すなわちαk<4yk2/(yk2+5/4)\alpha_k<4y_k^2/(y_k^2+5/4)(k≥1k\ge1)である。また∥F(xk)∥22=2ϕ(xk)≥25/8\lVert F(x_k)\rVert_2^2=2\phi(x_k)\ge25/8であるから、Armijo 条件と命題 4.1 (2)によりc1αk⋅25/8≤ϕ(xk)−ϕ(xk+1)c_1\alpha_k\cdot25/8\le\phi(x_k)-\phi(x_{k+1})であり、右辺のkkについての和はϕ(x0)−25/16\phi(x_0)-25/16以下であるからαk→0\alpha_k\to0である。

k≥1k\ge1での修正量は∥xk+1−xk∥2=αk∣sy∣\lVert x_{k+1}-x_k\rVert_2=\alpha_k\lvert s_y\rvertである。∣yk∣\lvert y_k\rvert(k≥1k\ge1)は減少して極限L≥0L\ge0をもつ。L>0L>0ならば、L≤∣yk∣≤y1L\le\lvert y_k\rvert\le y_1から∣sy∣≤(y12+5/4)/(2L)\lvert s_y\rvert\le(y_1^2+5/4)/(2L)であり、αk→0\alpha_k\to0とあわせて修正量は00に収束する。L=0L=0ならば、修正量は2∣yk∣2\lvert y_k\rvert未満であるから00に収束する。したがってこの反復では、任意のτs>0\tau_s>0に対して修正量判定は有限のkkで成り立つが、FFは零点をもたない。

計算ではy2=−1/8y_2=-1/8、y3≈3.32×10−2y_3\approx3.32\times10^{-2}、y4≈−3.59×10−3y_4\approx-3.59\times10^{-3}、y13≈1.71×10−8y_{13}\approx1.71\times10^{-8}、α13=2−50\alpha_{13}=2^{-50}であり、反復列はϕ\phiの停留点(3/2,0)(3/2,0)に近づく。

7 演習

問題 7.1.命題 1.2の証明を完成させよ。

解答.

z↦Szz\mapsto Szは連続でありVVは開集合UUの逆像であるから、VVは開集合である。z↦Szz\mapsto Szとw↦Aww\mapsto Awは線形写像であって全微分がそれぞれSS、AAであるから、§E4.3 定理 1.1によりGGは全微分可能でDG(z)=A DF(Sz) SDG(z)=A\,DF(Sz)\,Sであり、z↦DG(z)z\mapsto DG(z)は連続であるからGGはC1C^1級である。AA、SSは正則であるから、DG(z)DG(z)が正則であることとDF(Sz)DF(Sz)が正則であることは同値であり、DG={z∈V∣Sz∈DF}D_G=\{z\in V\mid Sz\in D_F\}である。z∈DGz\in D_Gに対して

NG(z)=z−S−1DF(Sz)−1A−1AF(Sz)=S−1(Sz−DF(Sz)−1F(Sz))=S−1NF(Sz)N_G(z)=z-S^{-1}DF(Sz)^{-1}A^{-1}AF(Sz)=S^{-1}\bigl(Sz-DF(Sz)^{-1}F(Sz)\bigr)=S^{-1}N_F(Sz)

である。xk=Szkx_k=Sz_kとすると、zk∈DGz_k\in D_Gとxk∈DFx_k\in D_Fは同値であり、そのときzk+1=NG(zk)=S−1NF(xk)=S−1xk+1z_{k+1}=N_G(z_k)=S^{-1}N_F(x_k)=S^{-1}x_{k+1}である。x0=Sz0x_0=Sz_0から、kkに関する帰納法により主張を得る。▨

問題 7.2.命題 4.4の証明を完成させよ。

解答.

e:=x−x∗e:=x-x^*と置く。定理 2.5 (1)によりDF(x)DF(x)は正則であり、∥NF(x)−x∗∥2≤βγ∥e∥22≤12∥e∥2\lVert N_F(x)-x^*\rVert_2\le\beta\gamma\lVert e\rVert_2^2\le\frac12\lVert e\rVert_2であるからNF(x)∈B‾(x∗,ρ)N_F(x)\in\overline B(x^*,\rho)である。命題 3.1 (2)をNF(x)N_F(x)に、命題 3.1 (1)をxxに適用すると

∥F(NF(x))∥2≤54∥DF(x∗)∥2 βγ∥e∥22,∥e∥2≤43β∥F(x)∥2\lVert F(N_F(x))\rVert_2\le\frac54\lVert DF(x^*)\rVert_2\,\beta\gamma\lVert e\rVert_2^2,\qquad\lVert e\rVert_2\le\frac43\beta\lVert F(x)\rVert_2

であり、∥DF(x∗)∥2β=κ\lVert DF(x^*)\rVert_2\beta=\kappaから

∥F(NF(x))∥2≤54⋅43κβγ∥e∥2∥F(x)∥2=53κβγ∥e∥2∥F(x)∥2≤1−2c1 ∥F(x)∥2\lVert F(N_F(x))\rVert_2\le\frac54\cdot\frac43\kappa\beta\gamma\lVert e\rVert_2\lVert F(x)\rVert_2=\frac53\kappa\beta\gamma\lVert e\rVert_2\lVert F(x)\rVert_2\le\sqrt{1-2c_1}\,\lVert F(x)\rVert_2

である。両辺を二乗して22で割るとϕ(x+s)≤(1−2c1)ϕ(x)\phi(x+s)\le(1-2c_1)\phi(x)である。命題 4.1 (2)によりDϕ(x)s=−2ϕ(x)D\phi(x)s=-2\phi(x)であるから、ϕ(x)+c1⋅1⋅Dϕ(x)s=(1−2c1)ϕ(x)\phi(x)+c_1\cdot1\cdot D\phi(x)s=(1-2c_1)\phi(x)であり、x+s=NF(x)∈Ux+s=N_F(x)\in Uとあわせて、α=1\alpha=1は Armijo 条件を満たす。後退探索はj=0j=0で停止して11を出力し、減衰 Newton 法の一段はx+s=NF(x)x+s=N_F(x)である。▨

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