научная статья по теме ИТЕРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ СТОХАСТИЧЕСКОЙ АППРОКСИМАЦИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ НЕРЕГУЛЯРНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ ОПЕРАТОРНЫХ УРАВНЕНИЙ Математика

Текст научной статьи на тему «ИТЕРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ СТОХАСТИЧЕСКОЙ АППРОКСИМАЦИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ НЕРЕГУЛЯРНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ ОПЕРАТОРНЫХ УРАВНЕНИЙ»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2015, том 55, № 10, с. 1637-1645

УДК 519.642.8

ИТЕРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ СТОХАСТИЧЕСКОЙ АППРОКСИМАЦИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ НЕРЕГУЛЯРНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ ОПЕРАТОРНЫХ УРАВНЕНИЙ

© 2015 г. А. Б. Бакушинский*, М. Ю. Кокурин**

(* 117312 Москва, пр-т 60-летия Октября, 9, Ин-т системного анализа РАН; ** 424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина, 1, Марийский гос. ун-т) e-mail: bakush@isa.ru; kokurinm@yandex.ru Поступила в редакцию 20.01.2015 г. Переработанный вариант 28.03.2015 г.

Строятся и исследуются итерационные методы решения нерегулярных нелинейных операторных уравнений в гильбертовом пространстве в условиях случайных помех, использующие усреднение входных данных. Задание числового значения дисперсии помех не предполагается. В качестве базовых используются итеративно регуляризованный метод нулевого порядка для уравнений с монотонными операторами и итеративно регуляризованные методы типа Гаусса—Ньютона для уравнений с произвольными гладкими операторами. Устанавливается среднеквадратичная сходимость вырабатываемых приближений к искомому решению, либо стабилизация итераций в среднеквадратичном смысле в малой окрестности решения. Библ. 24.

Ключевые слова: нерегулярное уравнение, нелинейный оператор, итерационные методы, итеративная регуляризация, случайные погрешности, усреднение, среднеквадратичная сходимость, устойчивость.

DOI: 10.7868/S0044466915100051

1. Предметом изучения в работе является проблема аппроксимации элемента из множества решений операторного уравнения

F(x) = f, (1.1)

где F: H1 —»- H2 — нелинейный оператор, H1 и H2 — гильбертовы пространства. Обозначим через X* множество решений уравнения (1.1). Всюду далее предполагается, что X* Ф 0 . Пусть x* е X* — интересующий нас элемент из множества решений. Методы стохастической аппроксимации привлекаются для решения уравнений вида (1.1) в том случае, когда оператор F и (или) правая часть f заданы со случайными погрешностями. Исторически первым методом этого класса был метод Роббинса—Монро (см. [1])

xn +1 = xn - Yn(Ф(Х„,Ю„) - fn), Yn > 0 lim Yn = 0 (L2)

n ^ да

предназначенный для решения уравнений регрессии Еф(х, ю) = f в пространстве H1 = H2 = R. Здесьfn есть случайная аппроксимацияf, Efn = f, n = 0, 1, ... . Конструкция метода (1.2) и его более поздних модификаций (см., например, [2], [3]) предполагает, что в ходе процесса имеется возможность провести неограниченное число независимых измерений ф(хп, юп), fn, n = 0, 1, ... . Подходящая регулировка шага y„ обеспечивает сходимость вырабатываемых приближений xn к искомому решению x* п.н. или в среднеквадратичном. С практической точки зрения существенно, что сходимость достигается без привлечения детальной априорной информации о распределениях ф(х, ю) и fn. Достаточными являются, например, весьма общие требования квадратичного роста Еф2(х, ю) по x и равномерной ограниченности по n дисперсий E(fn — f)2, при этом значения констант, входящих в оценки, процессы стохастической аппроксимации не используют. В дальнейшем были построены обобщения процедур (1.2) для уравнений (1.1) в пространстве Rn и произвольном гильбертовом пространстве H1 = H2 (см. [4]). Отметим, что сходимость методов сто-

1637

хастической аппроксимации для уравнений (1.1) в случае конечномерного или гильбертова пространства H1 достигается за счет жестких условий на структуру нелинейности оператора F. В качестве типичного примера укажем условие

(F(x) - F(x*), x-x*)H >k||x-x*\\2Hi Ух e H1, к> 0, (1.3)

означающее сильную монотонность оператора F относительно точки x*. Условие (1.3) обеспечивает среднеквадратичную сходимость простейшей схемы стохастической аппроксимации для уравнения (1.1) в гильбертовом пространстве H1 (см. [4]). Здесь и далее через (•, -)Xи || • ||Xобозначаются, соответственно, скалярное произведение и норма пространства X.

Объектом нашего интереса являются нелинейные уравнения вида (1.1), оператор которых не удовлетворяет условиям сильной монотонности (1.3), в случае дифференцируемости этого оператора его регулярность также не предполагается. Следуя [5], оператор F и определяемое им уравнение (1.1) называем регулярным, если для всех точек х из некоторой окрестности решения x* непрерывно обратим оператор F'(x), либо оператор F*(x)F'(x). В отсутствие свойств сильной монотонности и регулярности оператора F задача (1.1) в общем случае оказывается некорректной. Некорректные операторные уравнения со случайными ошибками в задании (F, f) имеют разнообразные приложения в прикладных обратных задачах и привлекают в последние годы растущее внимание исследователей (см. [6]—[8]). Сложившийся в настоящее время подход к построению и исследованию итерационных методов решения нерегулярных уравнений с зашумленными данными сводится к тому, что на первом этапе устанавливается сходимость изучаемого процесса при отсутствии погрешностей, после чего в конструкции процесса точные данные заменяются имеющимся приближением, детерминированным или стохастическим. Если для определения входных данных (F, f) производится единственное измерение, предшествующее расчетам, то сходимость получаемого процесса {xn} при n —► да, как правило, отсутствует. Поэтому в качестве приближения к решению выбирается элемент итерационной последовательности с некоторым конечным номером n = N(5), зависящим от уровня 5 погрешности данных (F, f) и, возможно, от самих приближенных данных. Во многих случаях точность ||xN(5) — x* ||H получаемого приближения xN(g) удается оценить в терминах уровня погрешности 5 (см., например, [5]). Как видим, реализация описанной общей схемы предполагает наличие точной информации об уровне погрешности задания (F, f). В случае стохастической погрешности с нулевым средним в качестве уровня шума 5 обычно выступает величина среднеквадратичного отклонения случайных аппроксимаций элементов задачи. Однако практическое получение указанной величины зачастую требует проведения трудоемких дополнительных экспериментов, особенно в случаях многомерного и бесконечномерного пространства H2. В этом отношении процедуры типа стохастической аппроксимации, не предполагающие априори задания каких-либо статистических характеристик случайных погрешностей, выглядят привлекательной альтернативой методам итеративной регуляризации, построенным по вышеописанной классической схеме. Возможность проведения серии независимых измерений, синхронных с итерациями, является естественной платой за получение в пределе точного решения x* при отсутствии априорных данных о распределении случайных ошибок.

В последующих построениях ограничимся случаем, когда оператор F в (1.1) задан точно, а случайным ошибкам подвержена лишь правая частьf Будем считать, что на итерации с номером n становится доступной реализация случайного элемента^ пространства H2, аппроксимирующего точный детерминированный элемент f e H2. Случайные элементы fn предполагаются независимыми, имеющими математическое ожидание f и среднеквадратичные отклонения, равномерно по n ограниченные сверху некоторой величиной 5, значение которой может быть неизвестно. Такая модель погрешностей характерна для задач адаптивного управления системами, характеристики которых определяются в ходе реализации итерационного процесса, см., например, [9].

При построении методов стохастической аппроксимации в случае нерегулярного монотонного оператора F в качестве базового будем использовать известный регуляризованный итерационный процесс нулевого порядка (см. [10, гл. III, §4]), совмещенный с процедурой усреднения наблюдений^. В применении к уравнениям (1.1) с линейным оператором F(x) = ^x, A e L(H1, H2), такого рода процесс исследовался в [10, гл. II, §6]. В применении к некорректным задачам данная схема усреднения независимых наблюдений впервые, по-видимому, рассматривалась в [11], см. также [12]. Идейно близкие алгоритмы решения монотонных операторных уравнений и выпуклых экстремальных задач с усреднением итерационных точек строились и изучались в [13], [14, гл. V].

Если F — произвольный дифференцируемый оператор, то интересующие нас методы стохастической аппроксимации будем строить с использованием итеративно регуляризованных процессов типа Гаусса—Ньютона (см. [5, гл. 4]), совмещая их с усреднением случайных элементов fn. В конечномерном нелинейном случае методы стохастической аппроксимации с усреднением ранее изучались в [15], [16].

Перечислим основные результаты работы. Если H1 — вещественное гильбертово пространство, оператор F : H1 —H1 в уравнении (1.1) удовлетворяет условию монотонности

(F(x) - F(y), x - y)Hi > 0 Vx, y e H (1.4)

и условию Липшица

IIF(x) - F(y)||h1 < M\x -y\\Hl Vx, y e H, (1.5)

то на базе итерационного процесса из [10, с. 72], предназначенного для приближенного решения уравнения (1.1) в детерминированном случае, можно построить процесс стохастической аппроксимации ближайшей к нулю точки из множества X*. Процесс сходится в среднеквадратичном смысле (см. ниже п. 2).

Если отказаться от условия монотонности (1.4), но предположить гладкость оператора F: H1 —► H2 на выпуклом замкнутом ограниченном множестве Q с H1, содержащем искомое решение x*, именно, наложить условие

||F'(x) - F'(y)||L(Hhh2) < L||x - ylH, Vx, y e Q, (1.6)

то процессы стохастической аппроксимации могут быть построены на базе группы итеративно регуляризованных методов типа Гаусса—Ньютона (см. [5, гл. 4], ниже п. 3). Устанавливается, что вырабатываемые приближения стабилизируются в среднеквадратичном смысле в окрестности решения радиуса 0(5). В обоих случаях величина 5, оценивающая сверху среднеквадратичное отклонение случайного шума, в конструируемых итерационных процессах не используется.

2. Напомним используемые в дальнейшем изложении понятия, относящиеся к случайным элементам в гильбертовом пространстве H (см. [17], [18]).

Пусть (Q, 9, Р) — вероятностное пространство, где Q. = {ю} есть пространство элементарных исходов, 9 есть ст-алгебра подмножеств Q. и Р — вероятность на Q. Рассмотрим гильбертово пространство H с ст-алгеброй В его борелевских подмножеств. Произвольное (9, В) — измеримое отображение ф : Q. —X называ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком