เพราะเหตุใดจุดที่เว้นระยะห่างจึงมีพฤติกรรมไม่ดี


24

คำอธิบายการทดลอง:

ในการแก้ไขลากรองจ์สมการที่แน่นอนจะถูกสุ่มตัวอย่างที่จุด (ลำดับพหุนาม ) และถูกแก้ไขที่ 101 จุด ที่นี่จะแตกต่างกันตั้งแต่ 2 ถึง 64 ในแต่ละครั้งที่ ,และแปลงข้อผิดพลาดมีการจัดทำ จะเห็นได้ว่าเมื่อฟังก์ชั่นถูกสุ่มตัวอย่างที่จุด equi-spaced ข้อผิดพลาดจะลดลงในขั้นต้น (มันเกิดขึ้นจนถึงน้อยกว่าประมาณ 15 หรือมากกว่านั้น) จากนั้นข้อผิดพลาดจะเพิ่มขึ้นในต่อไปN - 1 N L 1 L 2 L ∞ N NNN−1NL1L2L∞NN

ในขณะที่ถ้าการสุ่มตัวอย่างเริ่มต้นทำได้ที่จุด Legendre-Gauss (LG) (รากของคำพหุนาม Legendre) หรือ Legendre-Gauss-Lobatto (LGL) คะแนน (รากของ Lobatto polynomials) ข้อผิดพลาดจะลดลงถึงระดับเครื่องและไม่เกิดขึ้น เพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มขึ้นอีกN

คำถามของฉันคือ

เกิดอะไรขึ้นในกรณีของจุดที่เว้นระยะเท่ากัน

ทำไมการเพิ่มลำดับพหุนามทำให้เกิดข้อผิดพลาดเพิ่มขึ้นหลังจากจุดหนึ่ง

นี่ก็หมายความว่าถ้าฉันใช้จุดที่มีระยะห่างเท่ากันสำหรับการสร้าง WENO / ENO ใหม่ (โดยใช้ชื่อพหุนาม Lagrange) จากนั้นในพื้นที่ราบเรียบฉันจะได้รับข้อผิดพลาดหรือไม่ (ดี, นี่เป็นเพียงคำถามสมมุติ (สำหรับความเข้าใจของฉัน), มันไม่สมเหตุสมผลที่จะสร้างพหุนามของลำดับ 15 หรือสูงกว่าสำหรับโครงการ WENO)

รายละเอียดเพิ่มเติม:

ฟังก์ชั่นประมาณ:

x∈[-1,1]f(x)=cos⁡(π2 x) ,x∈[−1,1]

Nxแบ่งออกเป็นจุด (และ LG ภายหลัง) ฟังก์ชั่นการแก้ไขที่ 101 คะแนนในแต่ละครั้งN

ผล:

  1. a) จุดที่เว้นระยะเท่ากัน (การแก้ไขสำหรับ ): N=65

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

  1. b) จุดที่เว้นช่องว่าง (พล็อตข้อผิดพลาดระดับบันทึก):

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

  1. a) คะแนน LG (การแก้ไขสำหรับ ): N=65ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

  2. b) คะแนน LG (พล็อตข้อผิดพลาดระดับบันทึก):

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

คำตอบ:


26

ปัญหาของจุดที่มีค่าเท่ากันคือพหุนามการแก้ไขข้อผิดพลาด

f(x)−Pn(x)=f(n+1)(ξ)(n+1)!∏i=0n(x−xi),ξ∈[x0,xn]

ทำงานแตกต่างกันสำหรับชุดที่แตกต่างของโหนดx_iในกรณีที่มีจุดเท่ากันพหุนามนี้จะระเบิดขึ้นที่ขอบxi

หากคุณใช้คะแนน Gauss-Legendre ข้อผิดพลาดพหุนามมีพฤติกรรมที่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญนั่นคือไม่ได้ระเบิดที่ขอบ หากคุณใช้โหนด Chebyshevพหุนาม equioscillates นี้และข้อผิดพลาดการแก้ไขจะน้อยที่สุด


6
มีคำอธิบายรายละเอียดค่อนข้างมากในหนังสือของ John P. Boyd Chebyshev และ Fourier Spectral Methods ซึ่งมีการอธิบายพหุนามของพหุนามการแก้ไขข้อผิดพลาดของ Pedro ด้วย (ตอนที่ 4.2 หน้า 85)
— Bort

ขอขอบคุณ. นอกจากนี้ค่าคงที่ Lebesgue สำหรับตัวเลือกที่กล่าวถึงข้างต้นจะทำงานแตกต่าง สำหรับจุดที่เว้นระยะเท่ากันค่าคงที่ Lebesgue จะเพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โพเนนเชียลในขณะที่สำหรับ LG, LGL, Chebyshev มันจะอิ่มตัวด้วยการเพิ่ม n en.wikipedia.org/wiki/Lebesgue_constant_(interpolation) , ami.ektf.hu/uploads/papers/finalpdf/AMI_33_from109to123.pdfแต่คำถามเกี่ยวกับการใช้ตัวเลขยังคงอยู่ ...
— Subodh

ขออภัยฉันไม่รู้จัก ENO / WENO มากนัก แต่ฉันไม่คาดหวังว่าปัญหาจะเกิดขึ้นในพื้นที่ราบเรียบสำหรับการแก้ไขที่มีลำดับต่ำแม้ว่าโหนดพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสจะเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าสำหรับเหตุผลที่ชัดเจน
— Bort

22

นี่เป็นคำถามที่น่าสนใจและมีคำอธิบายที่เป็นไปได้มากมาย หากเรากำลังพยายามใช้การประมาณค่าพหุนามแล้วสังเกตว่าพหุนามตอบสนองความไม่เท่าเทียมที่น่ารำคาญดังต่อไปนี้

รับพหุนามองศาไม่เกินเรามีNPN

|P′(x)|≤N1−x2maxx|P(x)|

สำหรับทุก(-1,1) สิ่งนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อความไม่เท่าเทียมของเบิร์นสไตน์บันทึกความแปลกประหลาดในความไม่เท่าเทียมนี้ สิ่งนี้สามารถล้อมรอบด้วยความไม่เท่าเทียมกันของมาร์คอฟx∈(−1,1)

maxx|P′(x)|≤N2maxx|P(x)|

และโปรดทราบว่านี่เป็นความคมชัดในแง่ที่ว่าชื่อพหุนาม Chebysehv ทำให้สมการนี้ ดังนั้นในคำอื่น ๆ เรามีการรวมกันดังต่อไปนี้

|P′(x)|≤min(N1−x2,N2)maxx|P(x)|

หมายความว่าอะไร: การไล่ระดับสีของพหุนามมีลักษณะเป็นเส้นตรงตามลำดับทุกที่ยกเว้นในย่านเล็ก ๆ ของขอบเขตช่วงเวลา ในขอบเขตที่พวกเขาเติบโตขึ้นเช่น 2 ไม่มีอุบัติเหตุที่โหนดการแก้ไขที่เสถียรทั้งหมดมีการรวมกลุ่มใกล้กับขอบเขต การจัดกลุ่มเป็นสิ่งที่จำเป็นในการควบคุมการไล่ระดับสีของพื้นฐานในขณะที่อยู่ใกล้จุดกึ่งกลางหนึ่งสามารถผ่อนคลายมากขึ้น 1 / N 2N21/N2

ปรากฎว่านี่ไม่ใช่ปรากฏการณ์พหุนามผมแนะนำบทความต่อไปนี้:

http://math.la.asu.edu/~platte/pub/prevised.pdf

มันบอกว่าหลวม: หากคุณมีอำนาจการประมาณเดียวกันของพื้นฐานพหุนามแล้วคุณไม่สามารถใช้จุดที่เว้นระยะเท่ากันในทางที่มั่นคง


1

ไม่ใช่จุดที่เว้นระยะเท่ากันซึ่งเป็นปัญหา มันคือการสนับสนุนระดับโลกของฟังก์ชั่นพื้นฐานพร้อมกับจุดที่มีระยะห่างเท่ากันนั่นคือปัญหา Interpolant ที่มีการปรับสภาพอย่างดีโดยใช้จุดที่เท่ากันนั้นได้อธิบายไว้ในการวิเคราะห์เชิงตัวเลขของ Kress โดยใช้ฟังก์ชั่นพื้นฐานลูกบาศก์ลูกบาศก์ b ของการรองรับขนาดกะทัดรัด


แน่นอน แต่ interpolant ของคุณจะไม่ราบรื่นทั่วโลก (เฉพาะสำหรับตัวอย่างของคุณ)C2
— GoHokies

@ GoHokies: เส้นโค้งที่ได้รับการสนับสนุนขนาดกะทัดรัดสามารถทำได้อย่างราบรื่นตามที่ต้องการโดยการวนซ้ำแบบวนซ้ำ กรณีการใช้งานสำหรับการแก้ไขคืออะไร? C∞
— user14717

จุดยุติธรรม ("ตำแหน่ง - ความเร็ว - การเร่งความเร็ว") เพียงพอสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ คุณอาจต้องการสำหรับปัญหาค่าขอบเขต แต่ไม่สามารถนึกถึงกรณีการใช้งานทั่วไปข้างต้นได้ C 4C2C4
— GoHokies

1

เกิดอะไรขึ้นในกรณีของจุดที่เว้นระยะเท่ากัน

ทำไมการเพิ่มลำดับพหุนามทำให้เกิดข้อผิดพลาดเพิ่มขึ้นหลังจากจุดหนึ่ง

สิ่งนี้คล้ายกับปรากฏการณ์ของ Rungeที่ซึ่งมีโหนดที่มีระยะห่างเท่ากันข้อผิดพลาดการแก้ไขจะไม่มีที่สิ้นสุดเมื่อมีการเพิ่มขึ้นของระดับพหุนามเช่นจำนวนคะแนน

หนึ่งในรากของปัญหานี้สามารถพบได้ในค่าคงที่ของ Lebesgueตามที่ระบุไว้โดยความคิดเห็นของ @ Subodh ต่อ @Pedro คำตอบ ค่าคงที่นี้เกี่ยวข้องกับการประมาณค่าด้วยการประมาณที่ดีที่สุด


สัญลักษณ์บางอย่าง

เรามีฟังก์ชั่นที่จะสอดแทรกไปที่จุดx_kในการแก้ไขลากรองจ์มีการกำหนดชื่อพหุนาม Lagrange :x kf∈C([a,b])xk

Lk(x)=∏i=0,i≠jnx−xixk−xi

ด้วยสิ่งนี้มีการกำหนดการแก้ไขพหุนามเหนือคู่รักสำหรับสัญกรณ์แสงpn∈Pn(xk,f(xk))(xk,fk)

pn(x)=∑k=0nfkLk(x)

ตอนนี้พิจารณาก่อกวนมากกว่าข้อมูลที่นี้อาจเป็นตัวอย่างสำหรับการปัดเศษเพื่อให้เราได้มี\ด้วยเหตุนี้พหุนามใหม่คือ:f~kp~n

p~n(x)=∑k=0nf~kLk(x)

การประมาณการข้อผิดพลาดคือ:

pn(x)−p~n(x)=∑k=0n(fk−f~k)Lk(x)

|pn(x)−p~n(x)|≤∑k=0n|fk−f~k||Lk(x)|≤(maxk|fk−f~k|)∑k=0n|Lk(x)|

ตอนนี้มันเป็นไปได้ที่จะกำหนดค่าคงที่ของ Lebesgue เป็น:Λn

Λn=maxx∈[a,b]∑k=0n|Lk(x)|

ด้วยวิธีนี้การประมาณการขั้นสุดท้ายคือ:

||pn−p~n||∞≤(maxk|fk−f~k|)Λn

(หมายเหตุเล็กน้อยเรามองแค่ norm เพราะเราอยู่เหนือช่องว่างของขอบเขต จำกัด ดังนั้น )∞L∞⊆⋯⊆L1

จากการคำนวณข้างต้นเราได้รับคือ:Λn

  • เป็นอิสระจากวันที่:
  • ขึ้นอยู่กับการกระจายโหนดเท่านั้น
  • ตัวบ่งชี้เสถียรภาพ (ยิ่งมีขนาดเล็กก็จะดีกว่า)

นอกจากนี้ยังเป็นบรรทัดฐานของผู้ดำเนินการแก้ไขที่เคารพ บรรทัดฐานปกติ||⋅||∞

ด้วยทฤษฎีบทต่อไปนี้เราได้มีการประมาณค่าของการแก้ไขข้อผิดพลาดกับค่าคงที่ของ Lebesgue:

ให้และเหมือนข้างบนเรามี โดยที่ เป็นข้อผิดพลาดของพหุนามแบบประมาณที่ดีที่สุดfpn

||f−pn||∞≤(1+Λn)dn(f)
dn(f)=infqn∈Pn||f−qn||∞

คือถ้ามีขนาดเล็กข้อผิดพลาดของการแก้ไขอยู่ไม่ไกลจากข้อผิดพลาดของการประมาณค่าเครื่องแบบที่ดีที่สุดและทฤษฎีเปรียบเทียบการแก้ไขข้อผิดพลาดกับข้อผิดพลาดที่เล็กที่สุดซึ่งเป็นข้อผิดพลาดของการประมาณค่าเครื่องแบบที่ดีที่สุดΛn

สำหรับเรื่องนี้พฤติกรรมของการแก้ไขขึ้นอยู่กับการกระจายโหนด มีขอบเขตที่ลดลงเกี่ยวกับว่าได้รับการกระจายโหนดที่มีอยู่อย่างต่อเนื่องดังกล่าวว่า: ดังนั้นคงเติบโต แต่วิธีการที่จะเติบโตเป็น importanΛnc

Λn≥2πlog⁡(n)−c

สำหรับโหนดที่เว้นระยะเท่ากัน ฉันไม่เห็นรายละเอียดบางอย่าง แต่เราเห็นว่าการเติบโตนั้นเพิ่มขึ้นอย่างมาก

Λn≈2n+1enlog⁡(n)

สำหรับ โหนด Chebyshev นอกจากนี้ที่นี่ฉันละเว้นรายละเอียดบางอย่างมีความแม่นยำและซับซ้อนกว่าการประมาณการ ดูรายละเอียดเพิ่มเติม [1] โปรดทราบว่าโหนดของตระกูล Chebyshev มีการเติบโตแบบลอการิทึมและจากการประมาณการก่อนหน้านี้อยู่ใกล้ที่ดีที่สุดที่คุณจะได้รับ

Λn≤2πlog⁡(n)+4

สำหรับโหนดอื่น ๆ กระจายดูตัวอย่างตารางที่ 1 ของบทความนี้


มีการอ้างอิงจำนวนมากในหนังสือเกี่ยวกับการแก้ไข ออนไลน์ภาพนิ่งเหล่านี้เป็นเรื่องที่ดีเช่นเดียวกับประวัติย่อ

รวมถึงบทความที่เปิดอยู่นี้ ([1])

การเปรียบเทียบการแก้ไขตัวเลขเจ็ดกริดสำหรับพหุนามบนช่วงเวลา สำหรับการเปรียบเทียบต่างๆ


1

มันเป็นเรื่องดีที่จะตระหนักถึงinterpolants หลักลอย-Hormannเมื่อคุณมี (หรือต้องการ) ทำงานร่วมกับคะแนนเท่ากันn}{xi}i=1…n

ได้รับจำนวนเต็มกับให้เป็น interpolant พหุนาม\} ดังนั้น Interpolant FH ของฟังก์ชันที่มีรูปแบบd0≤d≤npi{xi,…xi+d}f{xi}i=1…n

rn(x):=∑i=0n−dλi(x)pi(x)∑i=0n−dλi(x)

ด้วย "ฟังก์ชั่นการผสม"

λi(x)=(−1)i(x−xi)…(x−xi+d)

คุณสมบัติบางอย่างของ interpolants เหล่านี้:

  • พวกเขาจะมีเหตุผล interpolants Barycentric ไม่มีเสาจริง ;
  • บรรลุผลตามคำสั่งโดยประมาณสำหรับโดยไม่คำนึงถึงการแจกแจงของคะแนน;f ∈ C d + 2 [ a , b ]O(hd+1)f∈Cd+2[a,b]
  • ค่อนข้างคล้ายกับ splines ซึ่งพวกมันผสมผสาน (ท้องถิ่น) polynomial interpolantsกับที่ทำหน้าที่ผสม; λp0,…pn−dλ
  • พวกเขาสร้างพหุนามหลายระดับมากที่สุด (หรือถ้าเป็นเลขคี่);d + 1 n - ddd+1n−d
  • สามารถเขียนในรูปแบบ barycentric (ดูหมวดที่ 4 ของกระดาษ Floater และ Hormann)

Caveat emptor : ตามที่คาดไว้ (ดูกระดาษที่อ้างอิงโดย @ Reid.Atcheson) การเพิ่มจะลดขั้นตอนการปรับสภาพกระบวนการประมาณโดยเร็วd

มีงานที่ค่อนข้างทำล่าสุดโดยไคลน์เพื่อบรรเทาปัญหานี้ เขาปรับเปลี่ยนวิธีการ Floater-Hormann ดั้งเดิมโดยเพิ่มค่าข้อมูลใหม่ที่สอดคล้องกับจุดนอกช่วงเวลาการแก้ไขดั้งเดิมสร้างขึ้นจากการขยายอย่างราบรื่นของนอกโดยใช้เฉพาะข้อมูลที่กำหนดf_n นี้ "ทั่วโลก" ชุดข้อมูลจะถูกหยันแล้วโดย FH ใหม่ฟังก์ชั่นที่มีเหตุผลและประเมินผลเฉพาะภายในb][ a , b ] f [ a , b ] f 0 , … f n r n + 2 d [ a , b ]2d [a,b]f[a,b]f0,…fnrn+2d[a,b]

โดยมีรายละเอียดถูกวางอย่างออกมาในกระดาษของ Klein (เชื่อมโยงด้านล่าง) ซึ่งจะมีการแสดงให้เห็นว่าสิ่งเหล่านี้ขยาย interpolants เหตุผลมีค่าคงที่เกอที่เจริญเติบโตลอการิทึมกับและ (ในขณะที่สำหรับโครงการ FH เดิมกล่าวว่าการเจริญเติบโตที่ชี้แจงในดู Bos et al. )งวันndd

ห้องสมุด Chebfun ใช้ interpolants FH เมื่อมีการสร้างchebfunsออกของข้อมูล equispaced ตามที่อธิบายไว้ที่นี่

อ้างอิง:

MS Floater และ K. Hormann การแก้ไขด้วยเหตุผลแบบบาริเซนทริกแบบไม่มีขั้วและอัตราการประมาณที่สูงNumerische Mathematik 107 (2007)

G. Klein, ส่วนขยายของครอบครัวโฟล - ฮอร์มันน์ของหน่วย Interpolants เหตุผล Barycentric, คณิตศาสตร์การคำนวณ , 82 (2011) - preprint

L. Bos, S. De Marchi, K. Hormann, และ G. Klein, ในค่าคงที่ Lebesgue ของการแก้ไขด้วยเหตุผล barycentric ที่โหนดที่มีระยะเท่ากัน, จำนวน คณิตศาสตร์. 121 (2012)

โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.