Главная » Просмотр файлов » Arndt - Algorithms for Programmers

Arndt - Algorithms for Programmers (523138), страница 51

Файл №523138 Arndt - Algorithms for Programmers (Arndt - Algorithms for Programmers) 51 страницаArndt - Algorithms for Programmers (523138) страница 512013-09-15СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 51)

To illustrate this let f have aproot of multiplicity p at r: f (x) = (x − r) h(x) with h(r) 6= 0. Thenf 0 (x) ==10 Thisword intentionally used twice.p−1p (x − r)p−1(x − r)³ph(x) + (x − r) h0 (x)´p h(x) + (x − r) h (x)0(13.137)(13.138)CHAPTER 13. ARITHMETICAL ALGORITHMS297andF (x) = f (x)/f 0 (x) =(x − r)h(x)p h(x) + (x − r) h0 (x)(13.139)The fraction on the right hand side does not vanish at the root r.With Householder’s formula (13.118) we get (iterations for F denoted by Φ%k ):Φ2 (x) =x−Φ%2 (x) =x−Φ3 (x) =x−Φ%3 (x) =x+Φ4 (x) =x+Φ%4 (x) =x+Φ5 (x) =x+ff0(13.140a)ff0f 02 − f f 002f f 02f 02 − f f 002f 2 f 00 − 2f f 02032f − 3f f 0 f 00 + f 2 f 0003f 2 f 00 − 6f f 02036f − 6f f 0 f 00 + f 2 f 0006f f 03 + 3f 3 f 000 − 9f 2 f 0 f 0030000f f − 6f 04 + 12f f 02 f 00 − 4f 2 f 0 f 000 − 3f 2 f 00224f f 03 + 4f 3 f 000 − 24f 2 f 0 f 0030000f f − 24f 04 + 36f f 02 f 00 − 8f 2 f 0 f 000 − 6f 2 f 002(13.140b)(13.140c)(13.140d)(13.140e)(13.140f)(13.140g)The terms in the numerators and denominators of Φ%k and Φk+1 are identical up to the integral constants.Schröder’s formula (13.128), when inserting f /f 0 , becomes:¡¢f 2 f 0 f f 0 f 000 − 2f f 002 + f 02 f 00ff0%Φ (x) = x +−−(13.141)3(f f 00 − f 02 )2 (f f 00 − f 02 )¡¢¡¢f 3 f 0 2f f 03 f 00 f 000 ± .

. . − 3f 2 f 02 f 0002f 4 f 0 3f 08 f 0000 ± . . . − 36f 3 f 02 f 002 f 0002−−−576 (f f 00 − f 02 )24 (f f 00 − f 02 )f k f 0 (. . .)−... −2k−1k! (f f 00 − f 02 )Checking convergence with the above example: the iteration is:x2 − ddx= 2x2 + dx +d√√Convergence is second order (independent of p): Φ%d(1 − ²2 /2 + O(²3 )).2 ( d(1 + ²)) =Φ%2 (x)= x+xSimilar to formula 13.42 we have for the error√ 1−e)Φ%k ( d·1+e=√d·1 − ek1 + ek(13.142)(13.143)if Householder’s iteration is used (one gets d divided by the k-th iteration obtained from f ).0Using√ the Schröder’s 3rd order formula for f /f with f as above we get a nice 4th (!) order iterationfor d:d − x2(d − x2 )2+ xd2d+x(d + x2 )3√ 1 + 3e2 − 3e4 − e6√ 1−e) =Φ%d3 ( d1+e1 + 3e2 + 3e4 + e6√ 1−ce2 + 3=where c = e4 2d1+c3e + 1Φ%3 (x) = x + x(13.144)(13.145)(13.146)CHAPTER 13.

ARITHMETICAL ALGORITHMS298√In general, the (1 + a k)-th order Schröder iteration for 1/ a d obtained through f /f 0 has an order ofconvergence that exceeds the expected one by one.For f (x) = 1 − d x2 one gets (3rd order Schröder):Φ%3 (x)= x+x1 − dx2(1 − dx2 )2+x21 + dx(1 + dx2 )3(13.147)√1which is even slightly nicer, also has 4th order convergence and the error expression Φ%3 ( din 13.145.13.8.41−e1+e )is asA general schemeStarting point is the Taylor series of a function f around x0 :f (x) =∞X1 (k)f (x0 ) (x − x0 )kk!(13.148)11f (x0 ) + f 0 (x0 ) (x − x0 ) + f 00 (x0 ) (x − x0 )2 + f 000 (x0 ) (x − x0 )3 + .

. .26(13.149)k=0=Now let f (x0 ) = y0 and r be the zero (f (0) = r). We then happily expand the inverse g = f −1 around y0g(0) =∞X1 (k)g (y0 ) (0 − y0 )kk!(13.150)k=011= g(y0 ) + g 0 (y0 ) (0 − y0 ) + g 00 (y0 ) (0 − y0 )2 + g 000 (y0 ) (0 − y0 )3 + . .

.26Using x0 = g(y0 ) and r = g(0) we get(13.151)11x0 − g 0 (y0 ) f (x0 ) + g 00 (y0 ) f (x0 )2 − g 000 (y0 ) f (x0 )3 + . . .(13.152)26Remains to express the derivatives of the inverse g in terms of (derivatives of) f . Not a difficult task,note thatr=f ◦ g = idthat is:f (g(x)) = x(13.153)and derive (chain rule) to get g 0 (f (x)) f 0 (x) = 1, so g 0 (y) = f 01(x) . Derive f (g(x)) − x multiple times andset the expressions to zero (arguments y of g and x of f are omitted for readability):1 =0 =0 =0 =f 0 g00 00(13.154a)0 2 00g f +f g(13.154b)+ 3f f g + f g0 00000 00 000gfgf0 00 000 3 0000 000+ 4f g f+ 3f00 2 00(13.154c)0 2 00 0000 4 0000g + 6f f g + f gThis system of linear equations in the derivatives of g is trivially solved because it is alreadyWe obtain:1g0 =f0f 00g 00 = − 0 3f´³100 20 0003f−ffg 000 =f 05´1 ³0 00 00000 30 2 0000g 0000 =10fff−15f−fff 07´1 ³432222g 00000 =105f 00 − f 0 f 00000 − 105f 0 f 00 f 000 + 15f 0 f 00 f 0000 + 10f 0 f 0009f0(13.154d)triangular.(13.155a)(13.155b)(13.155c)(13.155d)(13.155e)CHAPTER 13.

ARITHMETICAL ALGORITHMS299Thereby equation 13.152 can be written as (omitting arguments x of f everywhere)µ¶µ´¶11f 0011 ³ 00 20 000r = x− 0 f +− 03 f 2 −3f−fff3 + . . .f2f6 f 05¢ff2f 3 ¡ 002= x−−· f 00 −· 3f − f 0 f 000 − . . .003051! f2! f3! f(13.156)which is Schröder’s iteration (equation 13.129).The [i, j]-th Padé approximant of r in f gives an iteration of order i + j + 1. Write P[i,j] for an iteration(of order i + j + 1) that is obtained using the Padé approximant [i, j].µ¶−1f0xfxff(13.157)P[0,1] (x) = x2=x−=x−=x1+0f + x f0f + x f0x f0(x f )The iterations obtained in general involve powers of x in the ‘increment’ P − x:³´23xf 2f f 0 + xf f 00 + 2xf 02x3 f 0¢P[0,2] (x) ==x− ¡(13.158)2f 2 f 0 + 2xf f 0 2 + xf 2 f 00 + 2x2 f 0 32f 2 f 0 + 2xf f 0 2 + xf 2 f 00 + 2x2 f 0 3Ã!−1µ¶−1ff2f 2 f 00ff 2 (x2 f 00 )f2= x 1++ 2 02 +=x 1++3 + (x f 0 )2xf 0(x f 0 )x f2xf 0 32(x f 0 )The [i, j]-th Padé approximant of r − x in f gives an iteration of order i + j + 2 where the incrementconsists of products of powers f, f 0 , f 00 , .

. . . Write Φ[i,j] for an iteration that is obtained using the Padéapproximant [i, j]:Φ[0,1] (x)= x−2f f 0− f f 002f 02(13.159)happens to be Householder’s third order iteration.Fourth order iterations areΦ[1,1] (x)´³222 f f 0 f 000 − 3 f f 00 + 6 f 0 f 00¢= x− 0 ¡f 2 f f 0 f 000 − 6 f f 00 2 + 6 f 0 2 f 00f(13.160)3Φ[0,2] (x)=Φ[2,0] (x)12 f f 0¢12 f 0 4 − 6 f f 0 2 f 00 + 2 f 2 f 0 f 000 − 3 f 2 f 00 2³´ −10 00000 2−2fff3f000ffx− −−f2 f012 f 0 3³´422f 6 f 0 + 3 f f 0 f 00 − f 2 f 0 f 000 + 3 f 2 f 00x−6 f 05¢f2f 3 ¡ 002f· f 00 −· 3f − f 0 f 000x− 0 −0305f2f6f´³2f 3 f 00 − f 0 f 000f2 f0f 00x − 02++ff2 f06 f 03= x− ¡===(13.161)(13.162)The last one is of course just Schröder’s fourth order iteration.In general one gets n − 2 alternative forms of iterations using the approximants [0, n − 2], [1, n − 3],.

. . [n − 3, 1]. It is not difficult to find alternative Padé based iterations like the fourth order³´3222f 6 f f 0 f 00 f 000 − 9 f f 00 + 2 f 2 f 000 + 18 f 0 f 00¢(13.163)Φ4 = x − 0 ¡f 6 f f 0 f 00 f 000 − 18 f f 00 3 + 2 f 2 f 000 2 + 18 f 0 2 f 00 2CHAPTER 13. ARITHMETICAL ALGORITHMS300that can be obtained by the [2, 2]-approximant in f /f 0 and neglecting terms containing the fourth derivative of f .The iterations obtained are fractions with numerator and denominator consisting only of terms that areproducts of integral constants and f, f 0 , f 00 , .

. . , f (n−1) . There are obviously other forms of iterations, e.g.the third order iterationsÃ!µ¶q0001fff20Φ3 (x) = x − 00 f ± f 0 − 2f f 00 = x − 00 1 ± 1 − 2 02(13.164)fffthat stems from directly solving the truncated Taylor expansion of f (r) = 0 around x.f (r) =1f (x) + f 0 (x) (r − x) + f 00 (x) (r − x)22(13.165)(For f (x) = ax2 + bx + c it gives the two solutions of the quadratic equation f (x) = 0; for other functionsone gets an iterated square root expression for the roots.)Alternative rational forms can also be obtained in a way that generalizes the the method used for multipleroots: if we emphasize the so far notationally omitted dependency from the function f as Φ {f }. Theiteration Φ {f } has fixed points where f has a root r, so x − Φ {f } (x) again has a root at r. Hence we canbuild more iterations that will converge to those roots as Φn {x − Φ {f }}o (x).

For dealing with multiplecan only be expected to haveroots we used Φ {x − Φ {f }2 }k = Φ {f /f 0 }. An iteration Φ x − Φ {f }jka kth order convergence.Similarly, one can derive alternative iterations of given order by using functions that have roots where fhas them11 . For exampleg(x):=1−11 − αf (x)where α ∈ C, α 6= 0(13.166)leads to the second order iterationΦ {g}2=x−f (x)(1 + αf (x))f 0 (x)(13.167)Using g := xf (x) leads to the alternative second order iteration.Moreover, one could use a function g and its inverse ḡ := g −1 and the corresponding iteration for f (g(x))and finally apply g to get the root: (Let r0 be the zero of f (g(x)): f (g(r0 )) = 0 if g(r0 ) = r.

r0 is whatwe get from Φ {f ◦ g}.) A simple example is g(x) = ḡ(x) = 1/x, with f = xa − d and Schröder’s formulaone gets the division-less iterations for the (inverse) a-th root of d. g subject to reasonable conditions: itmust be invertible near the root r of f .13.8.5Improvements by the delta squared processGiven a sequence of partial sums xk the so called delta squared process computes a new sequence x∗k ofextrapolated sums:2x∗k= xk+2 −(xk+2 − xk+1 )xk+2 − 2 xk+1 + xk(13.168)The method is due to Aitken. The name delta squared is due to the fact that the formula can be writtensymbolically asx∗ = x −11 Itdoes not do any harm if g has additional roots.(∆x)2(∆2 x)(13.169)CHAPTER 13.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
1,52 Mb
Тип материала
Учебное заведение
Неизвестно

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6314
Авторов
на СтудИзбе
312
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее