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diff --git a/content/numerik_2.tex b/content/numerik_2.tex index ead9061..7773386 100644 --- a/content/numerik_2.tex +++ b/content/numerik_2.tex @@ -297,6 +297,71 @@ Weiter gilt: $\|x^k-x^\star\| \leq t_k := \frac{(2\beta\gamma\eta)^{2^k}}{2^k\be Zusätzlich ist $x^\star$ die eind. Nst. in offener Kugel $B_R(x^0)$ mit $R=\min\{\overline r,r_+\}$ und $r_+ := \frac{1+\sqrt{1-2\beta\gamma\eta}}{\beta\gamma}$. -\subsection*{Inexaktes Newton-Verfahren} +\subsection*{Inexakte Newton-Verfahren} + +Hier wird der Newton-Schritt $s^k$ zu Beginn nur grob approximiert und nur in der Nähe der Nullstelle präzise berechnet. Dies dient der Reduktion der Rechenzeit bei Beibehaltung der quadratischen Konvergenz. Für $x^0 \in D, k = 0,1,2,\dots$: + +\vspace*{-4mm} +$$x^{k+1} := x^k + s^k, \ \|F'(x^k)s^k + F(x^k)\| \leq \eta_k \|F(x^k)\|$$ + +Hierbei ist $\{\eta_k\}_k \subset [0,1)$ die Toleranz. + +Der inexakte Schritt wird aus $F'(x^k)s^k = -F(x^k)$ bestimmt, s.d. das relative Residuum kleiner gleich $\eta_k$ ist. Dies ist über frühes Stoppen von iterativen Lösern wie GMRES zu erreichen. + +\section*{Nichtlineare Ausgleichsprobleme} + +Sei $F : D \subset \R^n \to \R^m$ mit $n \neq m$. + +\vspace*{1mm} + +Finde die Lösung einer Minimierungsaufgabe: $x^\star \in D : g(x^\star) = \min_{x \in D}g(x)$ mit $g(x) := \|F(x)\|^2$. + +\vspace*{1mm} + +$\|\cdot\|$ sei die Euklidische Norm $\|\cdot\|_2$. + +\subsection*{Gauß-Newton-Verfahren} + +Ziel ist die Bestimmung von $n$ Parametern $x$ einer Modellfunktion $\varphi$ mit Hilfe von $m$ Messungen. + +Sei $\{(t_i,b_i) : 1 \leq i \leq \ell\} \subset \R^d \times \R^p$ Meßdatensatz mit Meßpunkten $t_i \in \R^d$ und Meßwerten $b_i \in \R^p$. + +\columnbreak + +Modell $\varphi(t_i;x) = b_i$ wird identifiziert mit: + +\vspace*{-2mm} +$$F(x) := \begin{pmatrix} \varphi(t_1;x) - b_1 \\ \vdots \\ \varphi(t_\ell;x) - b_\ell \end{pmatrix} \in \R^m, \ m=\ell p$$ + +Konkret gelößt wird das lokale Minima $x^\star$ von $g$ mit $\nabla g(x^\star) = 0$ und $\mathcal{H}g(x^\star)$ positiv definit. + +\vspace*{-4mm} +\begin{align*} + \nabla g(x) &= 2F(x)^T F'(x) \\ + G(x^\star) :&= \frac{1}{2} \nabla g(x^\star)^T = F'(x^\star)^T F(x^\star) = 0 +\end{align*} + +Nullstelle wird mit Newton-Verfahren bestimmt. + +\vspace*{-2mm} +$$G'(x) \approx F'(x)^T F'(x)$$ + +Für $x$ in der Nähe eines Minimums von $g$. + +Das konkrete \emph{Gauß-Newton-Verfahren}: + +\vspace{-4mm} +$$x^{k+1} := x^k + s^k, \ s^k := -F'(x^k)^+ F(x^k), \ k = 0,1,2,\dots$$ + +Wobei $F'(x)^+ = (F'(x)^T F'(x))^{-1} F'(x)^T$. + +\subsubsection*{Konvergenz des Gauß-Newton-Verfahrens} + +Sei $F : D \subset \R^n \to \R^m$ stetig differenzierbar, $m \geq n$ und habe Lösung $x^\star$ s.d. $F'$ Maximalrang hat: $F'(x^\star)$ ist injektiv. Weiter gelte für $\kappa \in [0,1)$ $\|F'(x)^+ F(x^\star)\| \leq \kappa \|x-x^\star\|$ lokal um $x^\star$. Dann: + +\begin{enumerate}[label=(\alph*)] + \item Das Gauß-Newton-Verfahren konvergiert lokal mindestens linear gegen $x^\star$ + \item Ist $F'$ Hölder-stetig mit Ordnung $\alpha \in (0,1]$ in der Nähe von $x^\star$ so gilt: \\ $\|x^{k+1}-x^\star\| \leq C_{GN}\|x^k-x^\star\|^{1+\alpha} + \kappa\|x^k-x^\star\|$ Falls $F(x^\star) = 0$ gilt, ist die Konvergenz superlinear von Ordnung $1+\alpha$. Sonst linear. +\end{enumerate} \section*{Numerische Integration} |