§E20.37方程式の精度保証

最終更新

Newton 法などの反復法は、方程式F(x)=0F(x)=0の零点の近似値を与える。しかし、近似値を計算したことだけからは、指定した範囲に零点が存在するか、存在するならばただ一つであるかを結論することができない。本記事は、Rn\R^nの開集合上のC1C^1級写像FFと、その開集合に含まれる箱XXについて、FFのXXにおける零点の存在と一意性を有限回の計算によって保証する方法を扱う。

零点の保証に用いる計算の基礎は、直前の「区間演算と誤差の包含」の区間演算が与える包含である。XXのすべての点におけるFFの Jacobi 行列を区間を成分とする一つの行列で包含すると、FFのXXにおける零点をすべて含む箱を、有限回の区間演算で計算することができる。本記事は、この包含に基づいて Krawczyk 算法と区間 Newton 法を構成し、計算した箱とXXとの包含関係および行列の正則性から、零点の存在を保証する条件と、零点の存在と一意性を保証する条件とを区別して証明する。

1 区間行列

定義 1.1 (区間行列).m,p,r∈N≥1m,p,r\in\NNとする。

  1. IR\mathbb{I}\Rの元を成分とするm×pm\times p行列[A]=([A]ij)[A]=([A]_{ij})をm×pm\times pの 区間行列 (interval matrix) という。A=(aij)∈Mm,p(R)A=(a_{ij})\in M_{m,p}(\R)が任意のi,ji,jについてaij∈[A]ija_{ij}\in[A]_{ij}を満たすときA∈[A]A\in[A]と書き、[A][A]を集合{A∈Mm,p(R)∣A∈[A]}\{A\in M_{m,p}(\R)\mid A\in[A]\}と同一視する。実行列AAは、成分が退化区間[aij,aij][a_{ij},a_{ij}]の区間行列と同一視する。m×1m\times1の区間行列は箱[A]11×⋯×[A]m1⊂Rm[A]_{11}\times\cdots\times[A]_{m1}\subset\R^mと同一視する。
  2. n∈N≥1n\in\NNとする。n×nn\times nの区間行列[A][A]のすべての元A∈[A]A\in[A]が正則であるとき、[A][A]は 正則 (regular) であるという。
  3. Y,Z∈IRY,Z\in\mathbb{I}\Rと∘∈{+,−,⋅,/}\circ\in\{+,-,\cdot,/\}に対して、§E20.36 定義 2.2の区間演算Y∘ZY\circ Zと、ある浮動小数点数系Φ\Phiに対する§E20.36 定義 3.1の外向き丸めの区間演算Y∘ΦZY\circ_\Phi Zのいずれかを演算ごとに一つ選び、∘\circが+,−,⋅,/+,-,\cdot,/のときそれぞれY⊕ZY\oplus Z、Y⊖ZY\ominus Z、Y⊙ZY\odot Z、Y⊘ZY\oslash Zと書く。これを 包含演算 (enclosing operation) という。選んだ演算の値が定まるとき、包含演算の値が定まるという。
  4. m×pm\times pの区間行列[A],[A′][A],[A']とp×rp\times rの区間行列[B][B]に対して、[A]⊕[A′][A]\oplus[A']と[A]⊖[A′][A]\ominus[A']を成分ごとの包含演算で定める。[A]⊙[B][A]\odot[B]の(i,j)(i,j)成分は、P1:=[A]i1⊙[B]1jP_1:=[A]_{i1}\odot[B]_{1j}と置き、1≤ℓ<p1\le\ell<pについてPℓ+1:=Pℓ⊕([A]i,ℓ+1⊙[B]ℓ+1,j)P_{\ell+1}:=P_\ell\oplus([A]_{i,\ell+1}\odot[B]_{\ell+1,j})と置いて得るPpP_pとする。現れる包含演算の値がすべて定まるとき、これらの区間行列が定まるという。

命題 1.2.m,p,r∈N≥1m,p,r\in\NNとする。

  1. Y,Z∈IRY,Z\in\mathbb{I}\R、∘∈{+,−,⋅,/}\circ\in\{+,-,\cdot,/\}とし、∘\circに対応する包含演算の値WWが定まるとする。任意のy∈Yy\in Y、z∈Zz\in Zについてy∘z∈Wy\circ z\in Wである。
  2. [A],[A′][A],[A']をm×pm\times pの区間行列、[B][B]をp×rp\times rの区間行列とし、A∈[A]A\in[A]、A′∈[A′]A'\in[A']、B∈[B]B\in[B]とする。[A]⊕[A′][A]\oplus[A']が定まるならばA+A′∈[A]⊕[A′]A+A'\in[A]\oplus[A']であり、[A]⊖[A′][A]\ominus[A']が定まるならばA−A′∈[A]⊖[A′]A-A'\in[A]\ominus[A']であり、[A]⊙[B][A]\odot[B]が定まるならばAB∈[A]⊙[B]AB\in[A]\odot[B]である。

証明.(1)は、区間演算を選んだ場合には§E20.36 定理 2.3 (2)から、外向き丸めの区間演算を選んだ場合には§E20.36 定理 3.3 (2)から従う。

(2)を示す。和と差の各成分については(1)から従う。(i,j)(i,j)を固定し、P1,…,PpP_1,\dots,P_pを定義 1.1 (4)の区間とする。(1)によりai1b1j∈P1a_{i1}b_{1j}\in P_1である。∑k≤ℓaikbkj∈Pℓ\sum_{k\le\ell}a_{ik}b_{kj}\in P_\ellならば、(1)によりai,ℓ+1bℓ+1,j∈[A]i,ℓ+1⊙[B]ℓ+1,ja_{i,\ell+1}b_{\ell+1,j}\in[A]_{i,\ell+1}\odot[B]_{\ell+1,j}であり、再び(1)により∑k≤ℓ+1aikbkj∈Pℓ+1\sum_{k\le\ell+1}a_{ik}b_{kj}\in P_{\ell+1}である。ℓ\ellに関する帰納法により(AB)ij∈Pp(AB)_{ij}\in P_pである。▨

注意 1.3. 区間行列の積は、行列の積の集合{AB∣A∈[A], B∈[B]}\{AB\mid A\in[A],\ B\in[B]\}に一致するとは限らない。1×11\times1の区間行列[A]:=([−1,1])[A]:=([-1,1])と1×21\times2の実行列B:=(1  1)B:=(1\ \ 1)について、区間演算による[A]⊙B[A]\odot Bは二つの成分がともに[−1,1][-1,1]の区間行列であり、(1  −1)(1\ \ {-1})を元にもつ。一方、{AB∣A∈[A]}={(a  a)∣a∈[−1,1]}\{AB\mid A\in[A]\}=\{(a\ \ a)\mid a\in[-1,1]\}は(1  −1)(1\ \ {-1})を含まない。

2 箱と平均 Jacobi 行列

補題 2.1.n∈N≥1n\in\NNとし、X=X1×⋯×Xn⊂RnX=X_1\times\cdots\times X_n\subset\R^nを箱とする。Rn\R^nの Euclid 距離をd2d_2とし、最大距離をd∞(x,y):=max⁡1≤i≤n∣xi−yi∣d_\infty(x,y):=\max_{1\le i\le n}|x_i-y_i|で定め、XXにはそれぞれの制限距離を入れる。

  1. XXは(Rn,d2)(\R^n,d_2)のコンパクト部分集合であり、(X,d∞)(X,d_\infty)は空でない完備距離空間である。
  2. d2d_2に関して連続な写像T ⁣:X→XT\colon X\to Xは不動点をもつ。

証明.(1)を示す。y∈Rn∖Xy\in\R^n\setminus Xをとると、あるiiについてyi∉Xiy_i\notin X_iであり、XiX_iは閉区間であるから、r>0r>0が存在して(yi−r,yi+r)∩Xi=∅(y_i-r,y_i+r)\cap X_i=\emptysetである。z∈Rnz\in\R^nがd∞(z,y)<rd_\infty(z,y)<rを満たすならば∣zi−yi∣<r|z_i-y_i|<rであるからz∉Xz\notin Xである。d∞≤d2d_\infty\le d_2であるから、XXの補集合はd∞d_\inftyとd2d_2のいずれに関しても開集合であり、XXは両方の距離に関して閉集合である。ρ0:=(∑i=1n(mag⁡Xi)2)1/2\rho_0:=\bigl(\sum_{i=1}^n(\operatorname{mag}X_i)^2\bigr)^{1/2}と置くと、x∈Xx\in Xに対して∣xi∣≤mag⁡Xi|x_i|\le\operatorname{mag}X_iであるからd2(x,0)≤ρ0<ρ0+1d_2(x,0)\le\rho_0<\rho_0+1であり、XXはd2d_2に関して有界である。§E2.9 定理 4.3によりXXはコンパクトである。§E2.5 命題 4.2により(Rn,d∞)(\R^n,d_\infty)は完備であり、§E2.5 定理 3.2により(X,d∞)(X,d_\infty)は完備である。各XiX_iは空でないのでXXは空でない。

(2)を示す。Xi=[ai,bi]X_i=[a_i,b_i]とし、pi ⁣:R→Xip_i\colon\R\to X_iをpi(t):=min⁡{max⁡{t,ai},bi}p_i(t):=\min\{\max\{t,a_i\},b_i\}で定め、PX ⁣:Rn→XP_X\colon\R^n\to XをPX(x):=(p1(x1),…,pn(xn))P_X(x):=(p_1(x_1),\dots,p_n(x_n))で定める。s,t∈Rs,t\in\Rに対して∣max⁡{s,ai}−max⁡{t,ai}∣≤∣s−t∣|\max\{s,a_i\}-\max\{t,a_i\}|\le|s-t|かつ∣min⁡{s,bi}−min⁡{t,bi}∣≤∣s−t∣|\min\{s,b_i\}-\min\{t,b_i\}|\le|s-t|であるから、∣pi(s)−pi(t)∣≤∣s−t∣|p_i(s)-p_i(t)|\le|s-t|であり、d2(PX(x),PX(x′))≤d2(x,x′)d_2(P_X(x),P_X(x'))\le d_2(x,x')である。x∈Xx\in XならばPX(x)=xP_X(x)=xである。ρ:=ρ0+1\rho:=\rho_0+1と置き、Dn:={u∈Rn∣d2(u,0)≤1}D^n:=\{u\in\R^n\mid d_2(u,0)\le1\}に対してg ⁣:Dn→Rng\colon D^n\to\R^nをg(u):=ρ−1T(PX(ρu))g(u):=\rho^{-1}T(P_X(\rho u))で定める。T(PX(ρu))∈XT(P_X(\rho u))\in Xであるからd2(g(u),0)≤ρ0/ρ<1d_2(g(u),0)\le\rho_0/\rho<1である。ggは連続写像の合成であるから、DnD^nからDnD^nへの連続写像である。§E18.18 定理 2.1によりg(u)=ug(u)=uを満たすu∈Dnu\in D^nが存在する。x:=ρux:=\rho uと置くとx=T(PX(x))∈Xx=T(P_X(x))\in XであるからPX(x)=xP_X(x)=xであり、T(x)=xT(x)=xが成り立つ。▨

補題 2.2.n∈N≥1n\in\NN、U⊂RnU\subset\R^nを開集合、F=(F1,…,Fn) ⁣:U→RnF=(F_1,\dots,F_n)\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とし、DF(x)DF(x)を Jacobi 行列(∂jFi(x))i,j(\partial_jF_i(x))_{i,j}と同一視する。X⊂UX\subset Uを箱とする。a,b∈Xa,b\in Xとt∈[0,1]t\in[0,1]に対してa+t(b−a)∈Xa+t(b-a)\in Xであり、成分ごとの積分により

A(a,b):=∫01DF(a+t(b−a)) dt∈Mn(R)A(a,b):=\int_0^1DF(a+t(b-a))\,dt\in M_n(\R)

が定まる。

  1. F(b)−F(a)=A(a,b)(b−a)F(b)-F(a)=A(a,b)(b-a)が成り立つ。
  2. n×nn\times nの区間行列[J][J]が任意のx∈Xx\in XについてDF(x)∈[J]DF(x)\in[J]を満たすならば、A(a,b)∈[J]A(a,b)\in[J]である。
  3. a∈Xa\in Xを固定すると、XX上の関数b↦A(a,b)ijb\mapsto A(a,b)_{ij}はいずれもd2d_2に関して連続である。

証明.a,b∈Xa,b\in X、t∈[0,1]t\in[0,1]に対して、各座標(1−t)ai+tbi(1-t)a_i+tb_iはaia_iとbib_iの間にあるのでXiX_iに属し、a+t(b−a)∈Xa+t(b-a)\in Xである。FFはC1C^1級であるから、t↦∂jFi(a+t(b−a))t\mapsto\partial_jF_i(a+t(b-a))は[0,1][0,1]上で連続であり、A(a,b)A(a,b)の各成分の積分は定まる。

(1)を示す。h:=b−ah:=b-aと置く。各Fi ⁣:U→RF_i\colon U\to\RはC1C^1級であり、{a+th∣0≤t≤1}⊂X⊂U\{a+th\mid0\le t\le1\}\subset X\subset Uである。§E4.5 定理 1.1をFiF_iとr=0r=0に適用し、全微分を偏導関数でDFi(y)[h]=∑j=1n∂jFi(y)hjDF_i(y)[h]=\sum_{j=1}^n\partial_jF_i(y)h_jと表すと

Fi(b)−Fi(a)=∫01∑j=1n∂jFi(a+th)hj dt=∑j=1nA(a,b)ijhjF_i(b)-F_i(a)=\int_0^1\sum_{j=1}^n\partial_jF_i(a+th)h_j\,dt=\sum_{j=1}^nA(a,b)_{ij}h_j

を得る。

(2)を示す。各t∈[0,1]t\in[0,1]で∂jFi(a+t(b−a))∈[J]ij\partial_jF_i(a+t(b-a))\in[J]_{ij}であるから、積分の単調性によりinf⁡[J]ij≤A(a,b)ij≤sup⁡[J]ij\inf[J]_{ij}\le A(a,b)_{ij}\le\sup[J]_{ij}である。

(3)を示す。補題 2.1 (1)によりXXはd2d_2に関してコンパクトであり、∂jFi\partial_jF_iのXXへの制限は連続であるから、§E2.9 定理 5.1により一様連続である。ε>0\ep>0に対して、x,x′∈Xx,x'\in Xかつd2(x,x′)<δd_2(x,x')<\deltaならば∣∂jFi(x)−∂jFi(x′)∣<ε|\partial_jF_i(x)-\partial_jF_i(x')|<\epとなるδ>0\delta>0をとる。b,b′∈Xb,b'\in Xがd2(b,b′)<δd_2(b,b')<\deltaを満たすならば、各t∈[0,1]t\in[0,1]でd2(a+t(b−a),a+t(b′−a))=t d2(b,b′)<δd_2(a+t(b-a),a+t(b'-a))=t\,d_2(b,b')<\deltaであるから、

∣A(a,b)ij−A(a,b′)ij∣≤∫01∣∂jFi(a+t(b−a))−∂jFi(a+t(b′−a))∣ dt≤ε|A(a,b)_{ij}-A(a,b')_{ij}|\le\int_0^1\bigl|\partial_jF_i(a+t(b-a))-\partial_jF_i(a+t(b'-a))\bigr|\,dt\le\ep

である。▨

定義 2.3.n∈N≥1n\in\NN、U⊂RnU\subset\R^nを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とし、DF(x)DF(x)を Jacobi 行列と同一視する。箱X⊂UX\subset U、n×nn\times nの区間行列[J][J]、点x0∈Xx_0\in X、箱F0⊂RnF_0\subset\R^nが、任意のx∈Xx\in XについてDF(x)∈[J]DF(x)\in[J]を満たし、かつF(x0)∈F0F(x_0)\in F_0を満たすとき、組(F,X,[J],x0,F0)(F,X,[J],x_0,F_0)を 零点検証の入力 (input for zero verification) という。

3 Krawczyk 算法

定義 3.1 (Krawczyk 算法).(F,X,[J],x0,F0)(F,X,[J],x_0,F_0)を零点検証の入力とし、FFの定義域をUU、R∈Mn(R)R\in M_n(\R)とする。TR ⁣:U→RnT_R\colon U\to\R^nをTR(x):=x−RF(x)T_R(x):=x-RF(x)で定める。包含演算により

[d]:=R⊙F0,[M]:=I⊖(R⊙[J]),[e]:=X⊖x0,K:=(x0⊖[d])⊕([M]⊙[e])[d]:=R\odot F_0,\qquad [M]:=I\ominus(R\odot[J]),\qquad [e]:=X\ominus x_0,\qquad K:=(x_0\ominus[d])\oplus([M]\odot[e])

を計算する計算式を Krawczyk 算法 (Krawczyk method) といい、これらがすべて定まるとき箱KKを Krawczyk 算法の出力という。[M][M]が定まるとき、各iiについて、実数mag⁡[M]i1,…,mag⁡[M]in\operatorname{mag}[M]_{i1},\dots,\operatorname{mag}[M]_{in}を退化区間とみなして左から順に包含演算⊕\oplusで加えた区間(n=1n=1のときは[mag⁡[M]11,mag⁡[M]11][\operatorname{mag}[M]_{11},\operatorname{mag}[M]_{11}])の上端をqˉi\bar q_iとし、これらがすべて定まるときqˉ:=max⁡1≤i≤nqˉi\bar q:=\max_{1\le i\le n}\bar q_iと置く。

補題 3.2.n∈N≥1n\in\NN、U⊂RnU\subset\R^n、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nを写像、R∈Mn(R)R\in M_n(\R)とし、TR(x):=x−RF(x)T_R(x):=x-RF(x)と置く。x∈Ux\in UがF(x)=0F(x)=0を満たすならばTR(x)=xT_R(x)=xである。RRが正則ならば、x∈Ux\in UについてTR(x)=xT_R(x)=xであることとF(x)=0F(x)=0であることは同値である。

証明.TR(x)=xT_R(x)=xであることはRF(x)=0RF(x)=0と同値である。F(x)=0F(x)=0ならばRF(x)=0RF(x)=0であり、RRが正則ならばRF(x)=0RF(x)=0からF(x)=R−10=0F(x)=R^{-1}0=0である。▨

定理 3.3.(F,X,[J],x0,F0)(F,X,[J],x_0,F_0)を零点検証の入力、R∈Mn(R)R\in M_n(\R)とし、Krawczyk 算法の出力KKが定まるとする。任意のx∈Xx\in XについてTR(x)∈KT_R(x)\in Kである。特に、FFのXXにおける零点はすべてK∩XK\cap Xに属し、K∩X=∅K\cap X=\emptysetならばFFはXXに零点をもたない。

証明.x∈Xx\in Xとし、A:=A(x0,x)A:=A(x_0,x)を補題 2.2の行列とする。補題 2.2 (1)によりF(x)=F(x0)+A(x−x0)F(x)=F(x_0)+A(x-x_0)であるから

TR(x)=(x0−RF(x0))+(I−RA)(x−x0)T_R(x)=\bigl(x_0-RF(x_0)\bigr)+(I-RA)(x-x_0)

である。補題 2.2 (2)によりA∈[J]A\in[J]であり、F(x0)∈F0F(x_0)\in F_0、x∈Xx\in Xであるから、命題 1.2 (2)によりRF(x0)∈[d]RF(x_0)\in[d]、I−RA∈[M]I-RA\in[M]、x−x0∈[e]x-x_0\in[e]である。再び命題 1.2 (2)によりx0−RF(x0)∈x0⊖[d]x_0-RF(x_0)\in x_0\ominus[d]、(I−RA)(x−x0)∈[M]⊙[e](I-RA)(x-x_0)\in[M]\odot[e]であり、TR(x)∈KT_R(x)\in Kである。x∈Xx\in XがF(x)=0F(x)=0を満たすならば、補題 3.2によりx=TR(x)∈Kx=T_R(x)\in Kである。▨

定理 3.4.(F,X,[J],x0,F0)(F,X,[J],x_0,F_0)を零点検証の入力とし、R∈Mn(R)R\in M_n(\R)を正則行列とする。Krawczyk 算法の出力KKが定まりK⊂XK\subset Xを満たすならば、FFはXXに零点をもつ。

証明.FFは連続であるから、TRT_RのXXへの制限はd2d_2に関して連続である。定理 3.3によりTR(X)⊂K⊂XT_R(X)\subset K\subset Xである。補題 2.1 (2)によりTR(x∗)=x∗T_R(x^*)=x^*を満たすx∗∈Xx^*\in Xが存在し、RRは正則であるから、補題 3.2によりF(x∗)=0F(x^*)=0である。▨

定理 3.5.(F,X,[J],x0,F0)(F,X,[J],x_0,F_0)を零点検証の入力、R∈Mn(R)R\in M_n(\R)とし、Krawczyk 算法の[M][M]が定まるとする。Rn\R^nに最大値ノルム∥h∥∞:=max⁡1≤i≤n∣hi∣\lVert h\rVert_\infty:=\max_{1\le i\le n}|h_i|を入れ、Mn(R)M_n(\R)の元にはその作用素ノルム∥⋅∥∞\lVert\cdot\rVert_\inftyを入れる。

  1. qˉ\bar qが定まるならば、任意のA∈[J]A\in[J]について∥I−RA∥∞≤qˉ\lVert I-RA\rVert_\infty\le\bar qである。
  2. 実数q<1q<1が任意のA∈[J]A\in[J]について∥I−RA∥∞≤q\lVert I-RA\rVert_\infty\le qを満たすならば、RRは正則であり、[J][J]は正則である。
  3. 実数q<1q<1が任意のA∈[J]A\in[J]について∥I−RA∥∞≤q\lVert I-RA\rVert_\infty\le qを満たし、Krawczyk 算法の出力KKが定まってK⊂XK\subset Xを満たすならば、FFはXXにただ一つの零点x∗x^*をもつ。さらに、任意のy0∈Xy_0\in Xに対してyk+1:=TR(yk)y_{k+1}:=T_R(y_k)で定まる点列(yk)k∈N≥0(y_k)_{k\in\N}はXXに属し、x∗x^*に収束する。

証明.(1)を示す。A∈[J]A\in[J]とすると、命題 1.2 (2)によりI−RA∈[M]I-RA\in[M]であるから、各i,ji,jについて∣(I−RA)ij∣≤mag⁡[M]ij|(I-RA)_{ij}|\le\operatorname{mag}[M]_{ij}である。命題 1.2 (1)を加える順に適用すると、∑j=1nmag⁡[M]ij\sum_{j=1}^n\operatorname{mag}[M]_{ij}はqˉi\bar q_iを上端とする区間に属するので、∑j=1n∣(I−RA)ij∣≤qˉi≤qˉ\sum_{j=1}^n|(I-RA)_{ij}|\le\bar q_i\le\bar qである。§E20.5 補題 3.5 (1)により∥I−RA∥∞≤qˉ\lVert I-RA\rVert_\infty\le\bar qである。

(2)を示す。A∈[J]A\in[J]とv∈Rnv\in\R^nがRAv=0RAv=0を満たすとすると、v=(I−RA)vv=(I-RA)vであり、作用素ノルムの定義により∥v∥∞≤q∥v∥∞\lVert v\rVert_\infty\le q\lVert v\rVert_\inftyである。q<1q<1であるからv=0v=0であり、RARAは正則である。det⁡Rdet⁡A=det⁡(RA)≠0\det R\det A=\det(RA)\ne0であるから、RRとAAは正則である。

(3)を示す。[J][J]の各成分は空でない区間であるから[J][J]は元AAをもち、0≤∥I−RA∥∞≤q0\le\lVert I-RA\rVert_\infty\le qから0≤q<10\le q<1である。x,y∈Xx,y\in Xに対して補題 2.2 (1)をa=ya=y、b=xb=xとして適用するとF(x)−F(y)=A(y,x)(x−y)F(x)-F(y)=A(y,x)(x-y)であるから、

TR(x)−TR(y)=(I−RA(y,x))(x−y)T_R(x)-T_R(y)=\bigl(I-RA(y,x)\bigr)(x-y)

である。補題 2.2 (2)によりA(y,x)∈[J]A(y,x)\in[J]であるから、∥TR(x)−TR(y)∥∞≤q∥x−y∥∞\lVert T_R(x)-T_R(y)\rVert_\infty\le q\lVert x-y\rVert_\inftyである。定理 3.3によりTR(X)⊂K⊂XT_R(X)\subset K\subset Xであるから、TRT_RのXXへの制限は(X,d∞)(X,d_\infty)上の縮小比qqの縮小写像である。補題 2.1 (1)により(X,d∞)(X,d_\infty)は空でない完備距離空間であるから、§E2.7 定理 2.2によりTRT_RはXXにただ一つの不動点x∗x^*をもち、任意のy0∈Xy_0\in Xから始まる反復列(yk)k∈N≥0(y_k)_{k\in\N}はXXに属してx∗x^*に収束する。(2)によりRRは正則であるから、補題 3.2によりXXにおけるTRT_Rの不動点とFFの零点は一致する。▨

例 3.6. 次の計算では、包含演算としてすべて§E20.36 定義 2.2の区間演算を用いる。

  1. n=1n=1、U=RU=\R、f(x):=x2−2f(x):=x^2-2、X:=[4/3,3/2]X:=[4/3,3/2]、x0:=17/12x_0:=17/12とする。f(x0)=1/144f(x_0)=1/144であるからF0:=[1/144,1/144]F_0:=[1/144,1/144]とし、x∈Xx\in Xに対してf′(x)=2x∈[8/3,3]f'(x)=2x\in[8/3,3]であるから[J]:=([8/3,3])[J]:=([8/3,3])とする。R:=1/3R:=1/3に対して [d]=[1/432,1/432],[M]=[1,1]⊖[8/9,1]=[0,1/9],[e]=[−1/12,1/12],[M]⊙[e]=[−1/108,1/108][d]=[1/432,1/432],\qquad [M]=[1,1]\ominus[8/9,1]=[0,1/9],\qquad [e]=[-1/12,1/12],\qquad [M]\odot[e]=[-1/108,1/108] であり、 K=[611/432,611/432]⊕[−4/432,4/432]=[607/432,615/432]K=[611/432,611/432]\oplus[-4/432,4/432]=[607/432,615/432] である。4/3=576/4324/3=576/432、3/2=648/4323/2=648/432であるからK⊂XK\subset Xであり、qˉ=1/9<1\bar q=1/9<1である。定理 3.5 (3)によりffはXXにただ一つの零点をもつ。(4/3)2<2<(3/2)2(4/3)^2<2<(3/2)^2であるからその零点は2\sqrt2であり、定理 3.3により2∈[607/432,615/432]\sqrt2\in[607/432,615/432]である。任意のy0∈Xy_0\in Xからyk+1:=yk−(yk2−2)/3y_{k+1}:=y_k-(y_k^2-2)/3で定まる点列は2\sqrt2に収束する。
  2. n=2n=2、U=R2U=\R^2、F(x,y):=(2x+y2−1, x2+2y−1)F(x,y):=(2x+y^2-1,\ x^2+2y-1)、X:=[3/10,1/2]2X:=[3/10,1/2]^2、x0:=(2/5,2/5)x_0:=(2/5,2/5)とする。F(x0)=(−1/25,−1/25)F(x_0)=(-1/25,-1/25)であるからF0F_0をこの点の退化区間の箱とする。DF(x,y)DF(x,y)は対角成分が22、(1,2)(1,2)成分が2y2y、(2,1)(2,1)成分が2x2xの行列であり、(x,y)∈X(x,y)\in Xならば2x,2y∈[3/5,1]2x,2y\in[3/5,1]であるから、[J][J]を対角成分[2,2][2,2]、非対角成分[3/5,1][3/5,1]の区間行列とする。R:=12IR:=\tfrac12Iに対して、[d][d]の二つの成分はともに[−1/50,−1/50][-1/50,-1/50]であり、[M][M]は対角成分[0,0][0,0]、非対角成分[0,0]⊖[3/10,1/2]=[−1/2,−3/10][0,0]\ominus[3/10,1/2]=[-1/2,-3/10]の区間行列である。[e]=[−1/10,1/10]2[e]=[-1/10,1/10]^2であり、[−1/2,−3/10]⊙[−1/10,1/10]=[−1/20,1/20][-1/2,-3/10]\odot[-1/10,1/10]=[-1/20,1/20]から[M]⊙[e]=[−1/20,1/20]2[M]\odot[e]=[-1/20,1/20]^2である。したがって K=[21/50,21/50]2⊕[−1/20,1/20]2=[37/100,47/100]2⊂XK=[21/50,21/50]^2\oplus[-1/20,1/20]^2=[37/100,47/100]^2\subset X であり、qˉ=1/2<1\bar q=1/2<1である。定理 3.5 (3)によりFFはXXにただ一つの零点をもつ。t:=2−1t:=\sqrt2-1はt2+2t−1=0t^2+2t-1=0と3/10<t<1/23/10<t<1/2を満たすから、その零点は(t,t)(t,t)であり、定理 3.3により(t,t)∈[37/100,47/100]2(t,t)\in[37/100,47/100]^2である。

例 3.7. 次の計算ではn=1n=1、U=RU=\Rとし、包含演算としてすべて§E20.36 定義 2.2の区間演算を用いる。

  1. f(x):=x2+1f(x):=x^2+1、X:=[−1,1]X:=[-1,1]、x0:=0x_0:=0、F0:=[1,1]F_0:=[1,1]、[J]:=([−2,2])[J]:=([-2,2])、R:=0R:=0とする。[d]=[0,0][d]=[0,0]、[M]=[1,1][M]=[1,1]、[e]=[−1,1][e]=[-1,1]であるからK=[−1,1]=XK=[-1,1]=Xである。ffは零点をもたない。したがって定理 3.4からRRが正則であるという仮定を除くと、結論は成り立たない。
  2. x≥0x\ge0でf(x):=x2/2f(x):=x^2/2、x<0x<0でf(x):=0f(x):=0と置くと、ffはC1C^1級でありf′(x)=max⁡{x,0}f'(x)=\max\{x,0\}である。X:=[−1,1]X:=[-1,1]、x0:=0x_0:=0、F0:=[0,0]F_0:=[0,0]、[J]:=([0,1])[J]:=([0,1])、R:=1R:=1とすると、[d]=[0,0][d]=[0,0]、[M]=[0,1][M]=[0,1]、[e]=[−1,1][e]=[-1,1]であり、K=[0,1]⊙[−1,1]=[−1,1]=XK=[0,1]\odot[-1,1]=[-1,1]=Xである。RRは正則であり、定理 3.4の結論のとおりffはXXに零点をもつが、XXにおける零点の全体は[−1,0][-1,0]であり、一つではない。0∈[J]0\in[J]について∣1−R⋅0∣=1|1-R\cdot0|=1であるから、定理 3.5 (3)のq<1q<1は存在しない。
  3. f(x):=x−2f(x):=x-2、X:=[0,1]X:=[0,1]、x0:=0x_0:=0、F0:=[−2,−2]F_0:=[-2,-2]、[J]:=([1,1])[J]:=([1,1])、R:=1R:=1とすると、[d]=[−2,−2][d]=[-2,-2]、[M]=[0,0][M]=[0,0]、[e]=[0,1][e]=[0,1]であり、K=[2,2]K=[2,2]、qˉ=0<1\bar q=0<1である。K∩X=∅K\cap X=\emptysetであるから、定理 3.3によりffはXXに零点をもたない。したがってq<1q<1の条件だけからはXXにおける零点の存在は従わない。

4 区間 Newton 法

定理 4.1.(F,X,[J],x0,F0)(F,X,[J],x_0,F_0)を零点検証の入力とし、[J][J]は正則であるとする。

N:={x0−A−1F(x0)∣A∈[J]}N:=\{x_0-A^{-1}F(x_0)\mid A\in[J]\}

と置く。

  1. FFのXXにおける零点は高々一つである。
  2. FFのXXにおける零点はNNに属する。特に、N⊂N^N\subset\widehat Nを満たす集合N^⊂Rn\widehat N\subset\R^nについて、FFのXXにおける零点はN^∩X\widehat N\cap Xに属し、N^∩X=∅\widehat N\cap X=\emptysetならばFFはXXに零点をもたない。
  3. 箱N^\widehat NがN⊂N^⊂XN\subset\widehat N\subset Xを満たすならば、FFはXXにただ一つの零点をもつ。

証明.(1)を示す。x∗,y∗∈Xx^*,y^*\in XをFFの零点とする。補題 2.2 (1)により0=F(y∗)−F(x∗)=A(x∗,y∗)(y∗−x∗)0=F(y^*)-F(x^*)=A(x^*,y^*)(y^*-x^*)であり、補題 2.2 (2)によりA(x∗,y∗)∈[J]A(x^*,y^*)\in[J]は正則であるから、y∗=x∗y^*=x^*である。

(2)を示す。x∗∈Xx^*\in XをFFの零点とし、A:=A(x0,x∗)A:=A(x_0,x^*)と置く。補題 2.2 (1)により0=F(x∗)=F(x0)+A(x∗−x0)0=F(x^*)=F(x_0)+A(x^*-x_0)であり、補題 2.2 (2)によりA∈[J]A\in[J]は正則であるから、x∗=x0−A−1F(x0)∈Nx^*=x_0-A^{-1}F(x_0)\in Nである。

(3)を示す。x∈Xx\in Xに対してA(x0,x)∈[J]A(x_0,x)\in[J]は正則であるから、H(x):=x0−A(x0,x)−1F(x0)H(x):=x_0-A(x_0,x)^{-1}F(x_0)と置くとH(x)∈N⊂N^⊂XH(x)\in N\subset\widehat N\subset Xである。Rn\R^nに Euclid ノルム∥⋅∥2\lVert\cdot\rVert_2を入れ、Mn(R)M_n(\R)の元にその作用素ノルム∥⋅∥op\lVert\cdot\rVert_{\mathrm{op}}を入れる。行列Y=(yij)Y=(y_{ij})と∥h∥2≤1\lVert h\rVert_2\le1について、Cauchy–Schwarz の不等式により∣(Yh)i∣≤nmax⁡i,j∣yij∣|(Yh)_i|\le\sqrt n\max_{i,j}|y_{ij}|であるから、∥Y∥op≤nmax⁡i,j∣yij∣\lVert Y\rVert_{\mathrm{op}}\le n\max_{i,j}|y_{ij}|である。x′∈Xx'\in Xを固定し、B′:=A(x0,x′)B':=A(x_0,x')、β:=∥B′−1∥op\beta:=\lVert B'^{-1}\rVert_{\mathrm{op}}と置き、0<η≤1/(2β)0<\eta\le1/(2\beta)をとる。補題 2.2 (3)により、δ>0\delta>0が存在して、x∈Xx\in Xがd2(x,x′)<δd_2(x,x')<\deltaを満たすならばB:=A(x0,x)B:=A(x_0,x)の各成分は∣bij−bij′∣<η/n|b_{ij}-b'_{ij}|<\eta/nを満たし、∥B−B′∥op<η\lVert B-B'\rVert_{\mathrm{op}}<\etaである。作用素ノルムの定義から従う不等式∥YZ∥op≤∥Y∥op∥Z∥op\lVert YZ\rVert_{\mathrm{op}}\le\lVert Y\rVert_{\mathrm{op}}\lVert Z\rVert_{\mathrm{op}}と∥Yv∥2≤∥Y∥op∥v∥2\lVert Yv\rVert_2\le\lVert Y\rVert_{\mathrm{op}}\lVert v\rVert_2により

∥I−B′−1B∥op=∥B′−1(B′−B)∥op≤βη≤12\lVert I-B'^{-1}B\rVert_{\mathrm{op}}=\lVert B'^{-1}(B'-B)\rVert_{\mathrm{op}}\le\beta\eta\le\frac12

であるから、§E4.7 補題 1.1により∥(B′−1B)−1∥op≤2\lVert(B'^{-1}B)^{-1}\rVert_{\mathrm{op}}\le2であり、B−1=(B′−1B)−1B′−1B^{-1}=(B'^{-1}B)^{-1}B'^{-1}から∥B−1∥op≤2β\lVert B^{-1}\rVert_{\mathrm{op}}\le2\betaである。B−1−B′−1=B−1(B′−B)B′−1B^{-1}-B'^{-1}=B^{-1}(B'-B)B'^{-1}であるから、

∥H(x)−H(x′)∥2=∥(B−1−B′−1)F(x0)∥2≤2β2η∥F(x0)∥2\lVert H(x)-H(x')\rVert_2=\bigl\lVert(B^{-1}-B'^{-1})F(x_0)\bigr\rVert_2\le2\beta^2\eta\lVert F(x_0)\rVert_2

である。η\etaは(0,1/(2β)](0,1/(2\beta)]の任意の数であるから、HHはx′x'でd2d_2に関して連続である。補題 2.1 (2)によりH(x∗)=x∗H(x^*)=x^*を満たすx∗∈Xx^*\in Xが存在する。A:=A(x0,x∗)A:=A(x_0,x^*)と置くとA(x∗−x0)=−F(x0)A(x^*-x_0)=-F(x_0)であり、補題 2.2 (1)によりF(x∗)=F(x0)+A(x∗−x0)=0F(x^*)=F(x_0)+A(x^*-x_0)=0である。零点がただ一つであることは(1)による。▨

定義 4.2 (区間 Gauss 消去).n∈N≥1n\in\NNとし、[M][M]をn×nn\times nの区間行列、[d][d]をn×1n\times1の区間行列とする。[M(1)]:=[M][M^{(1)}]:=[M]、[d(1)]:=[d][d^{(1)}]:=[d]と置き、k=1,…,n−1k=1,\dots,n-1の順に次の段kkを包含演算で行う。

  1. 0∈[M(k)]kk0\in[M^{(k)}]_{kk}ならば計算を終える。
  2. 0∉[M(k)]kk0\notin[M^{(k)}]_{kk}ならば、i>ki>kについて[ℓik]:=[M(k)]ik⊘[M(k)]kk[\ell_{ik}]:=[M^{(k)}]_{ik}\oslash[M^{(k)}]_{kk}と置く。[M(k+1)][M^{(k+1)}]と[d(k+1)][d^{(k+1)}]の第ii行は、i≤ki\le kのとき[M(k)][M^{(k)}]と[d(k)][d^{(k)}]の第ii行とし、i>ki>kのとき [M(k+1)]ij:=[0,0] (j≤k),[M(k+1)]ij:=[M(k)]ij⊖([ℓik]⊙[M(k)]kj) (j>k),[d(k+1)]i:=[d(k)]i⊖([ℓik]⊙[d(k)]k)[M^{(k+1)}]_{ij}:=[0,0]\ (j\le k),\qquad [M^{(k+1)}]_{ij}:=[M^{(k)}]_{ij}\ominus\bigl([\ell_{ik}]\odot[M^{(k)}]_{kj}\bigr)\ (j>k),\qquad [d^{(k+1)}]_i:=[d^{(k)}]_i\ominus\bigl([\ell_{ik}]\odot[d^{(k)}]_k\bigr) で定める。

段n−1n-1までに計算を終えなかったとき(n=1n=1のときは直ちに)、0∈[M(n)]nn0\in[M^{(n)}]_{nn}ならば計算を終える。0∉[M(n)]nn0\notin[M^{(n)}]_{nn}ならば、i=n,n−1,…,1i=n,n-1,\dots,1の順に、[s]:=[d(n)]i[s]:=[d^{(n)}]_iと置き、m=i+1,…,nm=i+1,\dots,nの順に[s][s]を[s]⊖([M(n)]im⊙Sm)[s]\ominus([M^{(n)}]_{im}\odot S_m)に置き換え、得た[s][s]からSi:=[s]⊘[M(n)]iiS_i:=[s]\oslash[M^{(n)}]_{ii}と置く。計算を途中で終えず、現れる包含演算の値がすべて定まるとき、この計算式を([M],[d])([M],[d])の 区間 Gauss 消去 (interval Gaussian elimination) が成功するといい、箱S:=S1×⋯×SnS:=S_1\times\cdots\times S_nをその出力という。

定理 4.3.n∈N≥1n\in\NNとし、[M][M]をn×nn\times nの区間行列、[d][d]をn×1n\times1の区間行列とする。([M],[d])([M],[d])の区間 Gauss 消去が成功し、その出力をSSとする。任意のM∈[M]M\in[M]とd∈[d]d\in[d]について、MMは正則であり、M−1d∈SM^{-1}d\in Sが成り立つ。特に[M][M]は正則である。

証明.M∈[M]M\in[M]、d∈[d]d\in[d]を固定し、MMのピボット選択なしの消去(§E20.5 定義 2.2)を厳密算術で行う。段kkの作業行列をW(k)=(wij(k))W^{(k)}=(w^{(k)}_{ij})とし、§E20.5 補題 2.3の行列をR(k)R^{(k)}とする。d(1):=dd^{(1)}:=dとし、段kkで失敗しないとき、i≤ki\le kについてdi(k+1):=di(k)d^{(k+1)}_i:=d^{(k)}_i、i>ki>kについてdi(k+1):=di(k)−wik(k+1)dk(k)d^{(k+1)}_i:=d^{(k)}_i-w^{(k+1)}_{ik}d^{(k)}_kと置く。

R(1)=M∈[M(1)]R^{(1)}=M\in[M^{(1)}]、d(1)=d∈[d(1)]d^{(1)}=d\in[d^{(1)}]である。1≤k<n1\le k<nとし、消去が段1,…,k−11,\dots,k-1で失敗せず、R(k)∈[M(k)]R^{(k)}\in[M^{(k)}]かつd(k)∈[d(k)]d^{(k)}\in[d^{(k)}]であるとする。段kkのピボットはwkk(k)=Rkk(k)∈[M(k)]kkw^{(k)}_{kk}=R^{(k)}_{kk}\in[M^{(k)}]_{kk}であり、区間 Gauss 消去は成功するから0∉[M(k)]kk0\notin[M^{(k)}]_{kk}である。よってwkk(k)≠0w^{(k)}_{kk}\ne0であり、消去は段kkで失敗しない。i>ki>kについてwik(k)=Rik(k)∈[M(k)]ikw^{(k)}_{ik}=R^{(k)}_{ik}\in[M^{(k)}]_{ik}であるから、命題 1.2 (1)により乗数wik(k+1)=wik(k)/wkk(k)w^{(k+1)}_{ik}=w^{(k)}_{ik}/w^{(k)}_{kk}は[ℓik][\ell_{ik}]に属する。i,j>ki,j>kについてRij(k+1)=wij(k)−wik(k+1)wkj(k)R^{(k+1)}_{ij}=w^{(k)}_{ij}-w^{(k+1)}_{ik}w^{(k)}_{kj}であり、wij(k)=Rij(k)w^{(k)}_{ij}=R^{(k)}_{ij}、wkj(k)=Rkj(k)w^{(k)}_{kj}=R^{(k)}_{kj}であるから、命題 1.2 (1)によりRij(k+1)∈[M(k+1)]ijR^{(k+1)}_{ij}\in[M^{(k+1)}]_{ij}である。同様にi>ki>kについてdi(k+1)∈[d(k+1)]id^{(k+1)}_i\in[d^{(k+1)}]_iである。i>ki>k、j≤kj\le kについてRij(k+1)=0∈[0,0]R^{(k+1)}_{ij}=0\in[0,0]である。i≤ki\le kについて、R(k+1)R^{(k+1)}とd(k+1)d^{(k+1)}の第ii行はそれぞれR(k)R^{(k)}とd(k)d^{(k)}の第ii行に等しく、[M(k+1)][M^{(k+1)}]と[d(k+1)][d^{(k+1)}]の第ii行はそれぞれ[M(k)][M^{(k)}]と[d(k)][d^{(k)}]の第ii行に等しい。したがってR(k+1)∈[M(k+1)]R^{(k+1)}\in[M^{(k+1)}]かつd(k+1)∈[d(k+1)]d^{(k+1)}\in[d^{(k+1)}]である。kkに関する帰納法により、消去は段1,…,n−11,\dots,n-1で失敗せず、R(n)∈[M(n)]R^{(n)}\in[M^{(n)}]かつd(n)∈[d(n)]d^{(n)}\in[d^{(n)}]である。wnn(n)=Rnn(n)∈[M(n)]nnw^{(n)}_{nn}=R^{(n)}_{nn}\in[M^{(n)}]_{nn}と0∉[M(n)]nn0\notin[M^{(n)}]_{nn}により段nnでも失敗せず、消去は完了する。

消去の出力を(L,U)(L,U)とすると、§E20.5 補題 2.3によりM=LUM=LUであり、UUとR(n)R^{(n)}の定義を比べるとU=R(n)U=R^{(n)}である。c:=d(n)c:=d^{(n)}と置く。段kk以降に第kk行は変わらないのでdk(k)=ckd^{(k)}_k=c_kであり、段kkの乗数は以後の段で変わらないので、k<ik<iについてLLの(i,k)(i,k)成分はwik(k+1)w^{(k+1)}_{ik}である。したがってci=di−∑k<iwik(k+1)ckc_i=d_i-\sum_{k<i}w^{(k+1)}_{ik}c_k、すなわちLc=dLc=dが成り立つ。LLは対角成分がすべて11の下三角行列であり、UUは対角成分Rkk(k)R^{(k)}_{kk}がすべて00でない上三角行列であるから、det⁡M=det⁡Ldet⁡U=∏kRkk(k)≠0\det M=\det L\det U=\prod_kR^{(k)}_{kk}\ne0であり、MMは正則である。

y:=M−1dy:=M^{-1}dと置く。L(Uy)=d=LcL(Uy)=d=LcでありLLは正則であるからUy=cUy=cである。Uy=cUy=cの第ii行から

yi=(ci−∑m=i+1nuimym)/uiiy_i=\Bigl(c_i-\sum_{m=i+1}^nu_{im}y_m\Bigr)\Big/u_{ii}

である。uim∈[M(n)]imu_{im}\in[M^{(n)}]_{im}、ci∈[d(n)]ic_i\in[d^{(n)}]_iであるから、ym∈Smy_m\in S_m(m>im>i)ならば、命題 1.2 (1)を区間 Gauss 消去の後退代入の各演算に順に適用してyi∈Siy_i\in S_iを得る。iiに関する降順の帰納法によりy∈Sy\in Sである。▨

定義 4.4 (区間 Newton 法).(F,X,[J],x0,F0)(F,X,[J],x_0,F_0)を零点検証の入力とし、R∈Mn(R)R\in M_n(\R)とする。包含演算により[M]:=R⊙[J][M]:=R\odot[J]と[d]:=(−R)⊙F0[d]:=(-R)\odot F_0を計算し、([M],[d])([M],[d])の区間 Gauss 消去の出力SSからN^:=x0⊕S\widehat N:=x_0\oplus Sを計算する計算式を 区間 Newton 法 (interval Newton method) という。[M][M]と[d][d]が定まり、区間 Gauss 消去が成功し、x0⊕Sx_0\oplus Sが定まるとき、箱N^\widehat Nを区間 Newton 法の出力という。

系 4.5.(F,X,[J],x0,F0)(F,X,[J],x_0,F_0)を零点検証の入力、R∈Mn(R)R\in M_n(\R)とし、区間 Newton 法の出力N^\widehat Nが定まるとする。このときRRと[J][J]は正則であり、任意のA∈[J]A\in[J]とb∈F0b\in F_0についてx0−A−1b∈N^x_0-A^{-1}b\in\widehat Nである。特にN^\widehat Nは定理 4.1のNNを含み、N^⊂X\widehat N\subset XならばFFはXXにただ一つの零点をもち、その零点はN^\widehat Nに属する。

証明.A∈[J]A\in[J]、b∈F0b\in F_0とする。命題 1.2 (2)によりRA∈[M]RA\in[M]かつ−Rb∈[d]-Rb\in[d]である。定理 4.3によりRARAは正則であり、(RA)−1(−Rb)∈S(RA)^{-1}(-Rb)\in Sである。det⁡Rdet⁡A=det⁡(RA)≠0\det R\det A=\det(RA)\ne0であるからRRとAAは正則であり、(RA)−1(−Rb)=−A−1b(RA)^{-1}(-Rb)=-A^{-1}bである。命題 1.2 (2)によりx0−A−1b∈x0⊕S=N^x_0-A^{-1}b\in x_0\oplus S=\widehat Nである。b=F(x0)b=F(x_0)とすればN⊂N^N\subset\widehat Nであり、[J][J]は正則であるから、定理 4.1 (2)と定理 4.1 (3)により最後の主張が従う。▨

注意 4.6. 区間 Gauss 消去がピボットの区間が00を含むために計算を終えても、区間行列が正則でないとは限らない。(1,1)(1,1)成分が[0,1][0,1]、(1,2)(1,2)成分と(2,1)(2,1)成分が[1,1][1,1]、(2,2)(2,2)成分が[0,0][0,0]の区間行列[M][M]について、任意のM∈[M]M\in[M]はdet⁡M=−1\det M=-1を満たすから[M][M]は正則であるが、0∈[M]110\in[M]_{11}であるから区間 Gauss 消去は段11で計算を終える。この[M][M]の二つの行を入れ替える置換行列を左から掛けた区間行列については、区間 Gauss 消去が成功する(問題 5.1)。

定理 4.7.U⊂RU\subset\Rを開集合、f ⁣:U→Rf\colon U\to\RをC1C^1級の関数、X∈IRX\in\mathbb{I}\RをX⊂UX\subset Uを満たす区間、x0∈Xx_0\in Xとする。F0,D∈IRF_0,D\in\mathbb{I}\Rがf(x0)∈F0f(x_0)\in F_0、任意のx∈Xx\in Xについてf′(x)∈Df'(x)\in D、および0∉D0\notin Dを満たし、包含演算によるN^:=x0⊖(F0⊘D)\widehat N:=x_0\ominus(F_0\oslash D)が定まるとする。このときffのXXにおける零点は高々一つであり、零点があればそれはN^∩X\widehat N\cap Xに属する。N^⊂X\widehat N\subset Xならば、ffはXXにただ一つの零点をもつ。

証明.(f,X,(D),x0,F0)(f,X,(D),x_0,F_0)はn=1n=1の零点検証の入力であり、0∉D0\notin Dであるから1×11\times1の区間行列(D)(D)は正則である。a∈Da\in Dに対して、命題 1.2 (1)によりf(x0)/a∈F0⊘Df(x_0)/a\in F_0\oslash Dであり、再び命題 1.2 (1)によりx0−f(x0)/a∈N^x_0-f(x_0)/a\in\widehat Nである。したがって定理 4.1のNNはN⊂N^N\subset\widehat Nを満たし、定理 4.1 (1)、定理 4.1 (2)、定理 4.1 (3)により主張が従う。▨

注意 4.8.

  1. 0∈D0\in Dならば§E20.36 定義 2.2の商F0/DF_0/Dは定まらず、定理 4.7は適用されない。f(x):=x2−1f(x):=x^2-1、X:=[−2,2]X:=[-2,2]についてf′(X)=[−4,4]f'(X)=[-4,4]であり、ffはXXに二つの零点±1\pm1をもつので、f′(X)⊂Df'(X)\subset Dを満たすどのDDについても零点が高々一つであるという結論は成り立たない。
  2. UUが開区間でありf′(x0)≠0f'(x_0)\ne0であるとき、§E20.4 定義 4.1の Newton 法の一段Nf(x0)=x0−f(x0)/f′(x0)N_f(x_0)=x_0-f(x_0)/f'(x_0)は、[J]=(D)[J]=(D)とした定理 4.1のNNの、a=f′(x0)∈Da=f'(x_0)\in Dに対応する元である。Nf(x0)N_f(x_0)が定まることだけからは零点の存在は従わない。f(x):=x2+1f(x):=x^2+1、x0:=1x_0:=1についてNf(1)=0N_f(1)=0は定まるが、ffは零点をもたない。
  3. §E20.4 定義 7.1の区間を保持する Newton 法はf(ak)f(bk)<0f(a_k)f(b_k)<0を保つ区間に零点が存在することを保証する(§E20.4 命題 7.2 (2))が、その区間における零点の一意性は主張しない。f(x):=x3−xf(x):=x^3-x、X:=[−2,2]X:=[-2,2]についてf(−2)f(2)<0f(-2)f(2)<0であるが、ffはXXに三つの零点−1,0,1-1,0,1をもつ。定理 4.7は端点での符号を用いず、一意性を0∉D0\notin Dから、存在をN^⊂X\widehat N\subset Xから得る。

例 4.9. 次の計算では、包含演算としてすべて§E20.36 定義 2.2の区間演算を用いる。

  1. ff、XX、x0x_0、F0F_0を例 3.6 (1)のものとし、D:=[8/3,3]D:=[8/3,3]とする。0∉D0\notin Dであり、 F0⊘D=[1/144,1/144]⊙[1/3,3/8]=[1/432,1/384],N^=[17/12,17/12]⊖[1/432,1/384]=[181/128,611/432]F_0\oslash D=[1/144,1/144]\odot[1/3,3/8]=[1/432,1/384],\qquad \widehat N=[17/12,17/12]\ominus[1/432,1/384]=[181/128,611/432] である。181⋅3=543≥512=128⋅4181\cdot3=543\ge512=128\cdot4と611⋅2=1222≤1296=432⋅3611\cdot2=1222\le1296=432\cdot3によりN^⊂X\widehat N\subset Xであるから、定理 4.7によりffはXXにただ一つの零点2\sqrt2をもち、2∈[181/128,611/432]\sqrt2\in[181/128,611/432]である。
  2. FF、XX、x0x_0、F0F_0、[J][J]を例 3.6 (2)のものとし、R:=IR:=Iとする。[M]=[J][M]=[J]であり、[d][d]の二つの成分はともに[1/25,1/25][1/25,1/25]である。段11では0∉[M]11=[2,2]0\notin[M]_{11}=[2,2]であり、 [ℓ21]=[3/5,1]⊘[2,2]=[3/10,1/2],[M(2)]22=[2,2]⊖[9/50,1/2]=[3/2,91/50],[d(2)]2=[1/25,1/25]⊖[3/250,1/50]=[1/50,7/250][\ell_{21}]=[3/5,1]\oslash[2,2]=[3/10,1/2],\qquad [M^{(2)}]_{22}=[2,2]\ominus[9/50,1/2]=[3/2,91/50],\qquad [d^{(2)}]_2=[1/25,1/25]\ominus[3/250,1/50]=[1/50,7/250] である。0∉[M(2)]220\notin[M^{(2)}]_{22}であり、後退代入により S2=[1/50,7/250]⊘[3/2,91/50]=[1/91,7/375],S1=([1/25,1/25]⊖[3/455,7/375])⊘[2,2]=[4/375,38/2275]S_2=[1/50,7/250]\oslash[3/2,91/50]=[1/91,7/375],\qquad S_1=\bigl([1/25,1/25]\ominus[3/455,7/375]\bigr)\oslash[2,2]=[4/375,38/2275] を得る。したがって N^=x0⊕S=[154/375,948/2275]×[187/455,157/375]\widehat N=x_0\oplus S=[154/375,948/2275]\times[187/455,157/375] であり、3/10<154/3753/10<154/375、948/2275<1/2948/2275<1/2、3/10<187/4553/10<187/455、157/375<1/2157/375<1/2からN^⊂X\widehat N\subset Xである。系 4.5により[J][J]は正則であり、FFはXXにただ一つの零点(2−1,2−1)(\sqrt2-1,\sqrt2-1)をもち、その零点はN^\widehat Nに属する。

5 演習

問題 5.1.[M][M]を注意 4.6の区間行列、PPを(1,2)(1,2)成分と(2,1)(2,1)成分が11、その他の成分が00の実行列、[d][d]を二つの成分がともに[0,0][0,0]の2×12\times1の区間行列とする。包含演算としてすべて区間演算を用いるとき、(P⊙[M],[d])(P\odot[M],[d])の区間 Gauss 消去が成功することを示し、定理 4.3から[M][M]が正則であることを導け。

解答.

P⊙[M]P\odot[M]の成分は、(1,1)(1,1)成分が[0,0]⊙[0,1]⊕[1,1]⊙[1,1]=[1,1][0,0]\odot[0,1]\oplus[1,1]\odot[1,1]=[1,1]、(1,2)(1,2)成分が[0,0]⊙[1,1]⊕[1,1]⊙[0,0]=[0,0][0,0]\odot[1,1]\oplus[1,1]\odot[0,0]=[0,0]、(2,1)(2,1)成分が[1,1]⊙[0,1]⊕[0,0]⊙[1,1]=[0,1][1,1]\odot[0,1]\oplus[0,0]\odot[1,1]=[0,1]、(2,2)(2,2)成分が[1,1]⊙[1,1]⊕[0,0]⊙[0,0]=[1,1][1,1]\odot[1,1]\oplus[0,0]\odot[0,0]=[1,1]である。段11では0∉[1,1]0\notin[1,1]であり、[ℓ21]=[0,1]⊘[1,1]=[0,1][\ell_{21}]=[0,1]\oslash[1,1]=[0,1]、[M(2)]22=[1,1]⊖([0,1]⊙[0,0])=[1,1][M^{(2)}]_{22}=[1,1]\ominus([0,1]\odot[0,0])=[1,1]、[d(2)]2=[0,0]⊖([0,1]⊙[0,0])=[0,0][d^{(2)}]_2=[0,0]\ominus([0,1]\odot[0,0])=[0,0]である。0∉[M(2)]220\notin[M^{(2)}]_{22}であり、後退代入によりS2=[0,0]⊘[1,1]=[0,0]S_2=[0,0]\oslash[1,1]=[0,0]、S1=([0,0]⊖([0,0]⊙[0,0]))⊘[1,1]=[0,0]S_1=([0,0]\ominus([0,0]\odot[0,0]))\oslash[1,1]=[0,0]である。よって区間 Gauss 消去は成功し、定理 4.3によりP⊙[M]P\odot[M]は正則である。M∈[M]M\in[M]ならば、命題 1.2 (2)によりPM∈P⊙[M]PM\in P\odot[M]であり、det⁡Pdet⁡M=det⁡(PM)≠0\det P\det M=\det(PM)\ne0からMMは正則である。▨

問題 5.2.(F,X,[J],x0,F0)(F,X,[J],x_0,F_0)を零点検証の入力とし、[J][J]は正則であるとする。箱N^\widehat Nが定理 4.1のNNを含み、X′:=N^∩XX':=\widehat N\cap Xが空でないとする。X′X'が箱であり、FFのXXにおける零点がすべてX′X'に属することを示せ。さらに、x0′∈X′x_0'\in X'とF(x0′)∈F0′F(x_0')\in F_0'を満たす箱F0′F_0'に対して(F,X′,[J],x0′,F0′)(F,X',[J],x_0',F_0')が零点検証の入力であることを示し、箱N^′\widehat N'が{x0′−A−1F(x0′)∣A∈[J]}⊂N^′⊂X′\{x_0'-A^{-1}F(x_0')\mid A\in[J]\}\subset\widehat N'\subset X'を満たすならばFFはXXにただ一つの零点をもつことを示せ。

解答.

N^=N^1×⋯×N^n\widehat N=\widehat N_1\times\cdots\times\widehat N_n、X=X1×⋯×XnX=X_1\times\cdots\times X_nとするとX′=∏i=1n(N^i∩Xi)X'=\prod_{i=1}^n(\widehat N_i\cap X_i)である。X′X'は空でないから各N^i∩Xi\widehat N_i\cap X_iは空でなく、[max⁡{inf⁡N^i,inf⁡Xi}, min⁡{sup⁡N^i,sup⁡Xi}][\max\{\inf\widehat N_i,\inf X_i\},\ \min\{\sup\widehat N_i,\sup X_i\}]に等しい有限閉区間である。したがってX′X'は箱である。定理 4.1 (2)によりFFのXXにおける零点はすべてN^∩X=X′\widehat N\cap X=X'に属する。

X′⊂X⊂UX'\subset X\subset Uであり、任意のx∈X′x\in X'についてx∈Xx\in XであるからDF(x)∈[J]DF(x)\in[J]である。x0′∈X′x_0'\in X'とF(x0′)∈F0′F(x_0')\in F_0'により、(F,X′,[J],x0′,F0′)(F,X',[J],x_0',F_0')は零点検証の入力である。

[J][J]は正則であるから、定理 4.1 (3)を(F,X′,[J],x0′,F0′)(F,X',[J],x_0',F_0')とN^′\widehat N'に適用すると、FFはX′X'に零点x∗x^*をもつ。x∗∈X′⊂Xx^*\in X'\subset Xであり、定理 4.1 (1)によりFFのXXにおける零点は高々一つであるから、FFはXXにただ一つの零点x∗x^*をもつ。▨

前提記事

12 本の記事・単元を表示