1 Padé 近似
定義 1.1. m , n ∈ N ≥ 0 m,n\in\N m , n ∈ N ≥ 0 とし、I ⊂ R I\subset\R I ⊂ R を0 0 0 を含む開区間、f : I → R f\colon I\to\R f : I → R をC m + n + 1 C^{m+n+1} C m + n + 1 級の関数とする。実係数の多項式の組( p , q ) (p,q) ( p , q ) が次の三条件を満たすとき、有理関数p / q p/q p / q をf f f の[ m / n ] [m/n] [ m / n ] 型の Padé 近似 (Padé approximant ) という。
p p p の次数はm m m 以下であり、q q q の次数はn n n 以下である。
q ( 0 ) = 1 q(0)=1 q ( 0 ) = 1 である。
あるδ > 0 \delta>0 δ > 0 とM ≥ 0 M\ge0 M ≥ 0 が存在して、( − δ , δ ) ⊂ I (-\delta,\delta)\subset I ( − δ , δ ) ⊂ I であり、∣ x ∣ < δ \lvert x\rvert<\delta ∣ x ∣ < δ を満たす任意の実数x x x に対して
∣ q ( x ) f ( x ) − p ( x ) ∣ ≤ M ∣ x ∣ m + n + 1 \lvert q(x)f(x)-p(x)\rvert\le M\lvert x\rvert^{m+n+1} ∣ q ( x ) f ( x ) − p ( x )∣ ≤ M ∣ x ∣ m + n + 1
が成り立つ。
補題 1.2. N ∈ N ≥ 0 N\in\N N ∈ N ≥ 0 とし、g ( x ) = ∑ i = 0 d g i x i g(x)=\sum_{i=0}^dg_ix^i g ( x ) = ∑ i = 0 d g i x i を実係数の多項式とし、i > d i>d i > d に対してg i : = 0 g_i:=0 g i := 0 と置く。あるδ > 0 \delta>0 δ > 0 とM ≥ 0 M\ge0 M ≥ 0 が存在して∣ x ∣ < δ \lvert x\rvert<\delta ∣ x ∣ < δ を満たす任意の実数x x x に対して∣ g ( x ) ∣ ≤ M ∣ x ∣ N \lvert g(x)\rvert\le M\lvert x\rvert^N ∣ g ( x )∣ ≤ M ∣ x ∣ N が成り立つことと、0 ≤ i < N 0\le i<N 0 ≤ i < N を満たす任意の整数i i i に対してg i = 0 g_i=0 g i = 0 であることは同値である。
証明. 0 ≤ i < N 0\le i<N 0 ≤ i < N を満たす任意のi i i に対してg i = 0 g_i=0 g i = 0 であるとする。このときg ( x ) = x N ∑ i = N d g i x i − N g(x)=x^N\sum_{i=N}^dg_ix^{i-N} g ( x ) = x N ∑ i = N d g i x i − N であり、M : = ∑ i = N d ∣ g i ∣ M:=\sum_{i=N}^d\lvert g_i\rvert M := ∑ i = N d ∣ g i ∣ 、δ : = 1 \delta:=1 δ := 1 と置けば、∣ x ∣ < 1 \lvert x\rvert<1 ∣ x ∣ < 1 を満たす任意のx x x に対して∣ g ( x ) ∣ ≤ M ∣ x ∣ N \lvert g(x)\rvert\le M\lvert x\rvert^N ∣ g ( x )∣ ≤ M ∣ x ∣ N が成り立つ。
逆に、δ > 0 \delta>0 δ > 0 とM ≥ 0 M\ge0 M ≥ 0 が不等式を満たし、g i ≠ 0 g_i\ne0 g i = 0 を満たす整数0 ≤ i < N 0\le i<N 0 ≤ i < N が存在すると仮定する。そのようなi i i の最小値をl l l とし、h ( x ) : = ∑ i = l + 1 d g i x i − l − 1 h(x):=\sum_{i=l+1}^dg_ix^{i-l-1} h ( x ) := ∑ i = l + 1 d g i x i − l − 1 (l = d l=d l = d ならばh = 0 h=0 h = 0 )と置くと、g ( x ) = x l ( g l + x h ( x ) ) g(x)=x^l\bigl(g_l+xh(x)\bigr) g ( x ) = x l ( g l + x h ( x ) ) である。0 < ∣ x ∣ < δ 0<\lvert x\rvert<\delta 0 < ∣ x ∣ < δ ならば
∣ g l + x h ( x ) ∣ = ∣ g ( x ) ∣ ∣ x ∣ l ≤ M ∣ x ∣ N − l \lvert g_l+xh(x)\rvert=\frac{\lvert g(x)\rvert}{\lvert x\rvert^l}\le M\lvert x\rvert^{N-l} ∣ g l + x h ( x )∣ = ∣ x ∣ l ∣ g ( x )∣ ≤ M ∣ x ∣ N − l であり、N − l ≥ 1 N-l\ge1 N − l ≥ 1 であるから右辺はx → 0 x\to0 x → 0 で0 0 0 に収束する。多項式h h h は連続であるから左辺はx → 0 x\to0 x → 0 で∣ g l ∣ \lvert g_l\rvert ∣ g l ∣ に収束するので、∣ g l ∣ ≤ 0 \lvert g_l\rvert\le0 ∣ g l ∣ ≤ 0 が成り立つ。∣ g l ∣ ≤ 0 \lvert g_l\rvert\le0 ∣ g l ∣ ≤ 0 とg l ≠ 0 g_l\ne0 g l = 0 は両立しない。▨
補題 1.3. m , n ∈ N ≥ 0 m,n\in\N m , n ∈ N ≥ 0 とし、I ⊂ R I\subset\R I ⊂ R を0 0 0 を含む開区間、f : I → R f\colon I\to\R f : I → R をC m + n + 1 C^{m+n+1} C m + n + 1 級の関数とする。0 ≤ i ≤ m + n 0\le i\le m+n 0 ≤ i ≤ m + n に対してc i : = f ( i ) ( 0 ) / i ! c_i:=f^{(i)}(0)/i! c i := f ( i ) ( 0 ) / i ! と置き、負の整数i i i に対してc i : = 0 c_i:=0 c i := 0 と置く。
p ( x ) = ∑ i = 0 m a i x i p(x)=\sum_{i=0}^ma_ix^i p ( x ) = ∑ i = 0 m a i x i とq ( x ) = ∑ j = 0 n b j x j q(x)=\sum_{j=0}^nb_jx^j q ( x ) = ∑ j = 0 n b j x j をb 0 = 1 b_0=1 b 0 = 1 を満たす実係数の多項式とする。( p , q ) (p,q) ( p , q ) が定義 1.1 条件 (c) を満たすことと、次の二つの等式系が成り立つことは同値である。
a i = ∑ j = 0 min { i , n } b j c i − j ( 0 ≤ i ≤ m ) , ∑ j = 1 n c i − j b j = − c i ( m + 1 ≤ i ≤ m + n ) . a_i=\sum_{j=0}^{\min\{i,n\}}b_jc_{i-j}\quad(0\le i\le m),\qquad\sum_{j=1}^nc_{i-j}b_j=-c_i\quad(m+1\le i\le m+n). a i = j = 0 ∑ m i n { i , n } b j c i − j ( 0 ≤ i ≤ m ) , j = 1 ∑ n c i − j b j = − c i ( m + 1 ≤ i ≤ m + n ) .
n = 0 n=0 n = 0 であるか、n ≥ 1 n\ge1 n ≥ 1 かつn n n 次正方行列C m , n : = ( c m + i − j ) 1 ≤ i , j ≤ n C_{m,n}:=(c_{m+i-j})_{1\le i,j\le n} C m , n := ( c m + i − j ) 1 ≤ i , j ≤ n が正則であるとする。このとき定義 1.1 の三条件を満たす組( p , q ) (p,q) ( p , q ) はただ一つ存在する。
証明. (1) を示す。N : = m + n + 1 N:=m+n+1 N := m + n + 1 、T ( x ) : = ∑ i = 0 N − 1 c i x i T(x):=\sum_{i=0}^{N-1}c_ix^i T ( x ) := ∑ i = 0 N − 1 c i x i と置き、[ − δ 0 , δ 0 ] ⊂ I [-\delta_0,\delta_0]\subset I [ − δ 0 , δ 0 ] ⊂ I を満たすδ 0 > 0 \delta_0>0 δ 0 > 0 をとる。∣ x ∣ ≤ δ 0 \lvert x\rvert\le\delta_0 ∣ x ∣ ≤ δ 0 を満たす各x x x に対して、§D1.16 定理 2.1 をa = 0 a=0 a = 0 とn = N n=N n = N に適用すると、∣ ξ ∣ ≤ ∣ x ∣ \lvert\xi\rvert\le\lvert x\rvert ∣ ξ ∣ ≤ ∣ x ∣ を満たす実数ξ \xi ξ が存在してf ( x ) − T ( x ) = f ( N ) ( ξ ) x N / N ! f(x)-T(x)=f^{(N)}(\xi)x^N/N! f ( x ) − T ( x ) = f ( N ) ( ξ ) x N / N ! が成り立つ。f ( N ) f^{(N)} f ( N ) とq q q は[ − δ 0 , δ 0 ] [-\delta_0,\delta_0] [ − δ 0 , δ 0 ] で連続であるから、L : = max ∣ t ∣ ≤ δ 0 ∣ f ( N ) ( t ) ∣ L:=\max_{\lvert t\rvert\le\delta_0}\lvert f^{(N)}(t)\rvert L := max ∣ t ∣ ≤ δ 0 ∣ f ( N ) ( t )∣ とQ : = max ∣ t ∣ ≤ δ 0 ∣ q ( t ) ∣ Q:=\max_{\lvert t\rvert\le\delta_0}\lvert q(t)\rvert Q := max ∣ t ∣ ≤ δ 0 ∣ q ( t )∣ が存在し、∣ x ∣ ≤ δ 0 \lvert x\rvert\le\delta_0 ∣ x ∣ ≤ δ 0 ならば
∣ q ( x ) f ( x ) − p ( x ) − ( q ( x ) T ( x ) − p ( x ) ) ∣ = ∣ q ( x ) ∣ ∣ f ( x ) − T ( x ) ∣ ≤ Q L N ! ∣ x ∣ N \bigl\lvert q(x)f(x)-p(x)-\bigl(q(x)T(x)-p(x)\bigr)\bigr\rvert=\lvert q(x)\rvert\,\lvert f(x)-T(x)\rvert\le\frac{QL}{N!}\lvert x\rvert^N q ( x ) f ( x ) − p ( x ) − ( q ( x ) T ( x ) − p ( x ) ) = ∣ q ( x )∣ ∣ f ( x ) − T ( x )∣ ≤ N ! Q L ∣ x ∣ N である。三角不等式により、( p , q ) (p,q) ( p , q ) が定義 1.1 条件 (c) を満たすことと、あるδ > 0 \delta>0 δ > 0 とM ≥ 0 M\ge0 M ≥ 0 が存在して∣ x ∣ < δ \lvert x\rvert<\delta ∣ x ∣ < δ ならば∣ q ( x ) T ( x ) − p ( x ) ∣ ≤ M ∣ x ∣ N \lvert q(x)T(x)-p(x)\rvert\le M\lvert x\rvert^N ∣ q ( x ) T ( x ) − p ( x )∣ ≤ M ∣ x ∣ N が成り立つことは同値である。q T − p qT-p q T − p は多項式であるから、補題 1.2 により、後者はq T − p qT-p q T − p の0 ≤ i ≤ N − 1 0\le i\le N-1 0 ≤ i ≤ N − 1 次の係数がすべて0 0 0 であることと同値である。0 ≤ i ≤ N − 1 0\le i\le N-1 0 ≤ i ≤ N − 1 に対してq T qT q T のi i i 次の係数は∑ j = 0 min { i , n } b j c i − j \sum_{j=0}^{\min\{i,n\}}b_jc_{i-j} ∑ j = 0 m i n { i , n } b j c i − j であり、p p p のi i i 次の係数はi ≤ m i\le m i ≤ m ならばa i a_i a i 、m < i ≤ N − 1 m<i\le N-1 m < i ≤ N − 1 ならば0 0 0 である。m + 1 ≤ i ≤ m + n m+1\le i\le m+n m + 1 ≤ i ≤ m + n に対しては、b 0 = 1 b_0=1 b 0 = 1 であり、j > i j>i j > i ならばc i − j = 0 c_{i-j}=0 c i − j = 0 であるから、∑ j = 0 min { i , n } b j c i − j = c i + ∑ j = 1 n c i − j b j \sum_{j=0}^{\min\{i,n\}}b_jc_{i-j}=c_i+\sum_{j=1}^nc_{i-j}b_j ∑ j = 0 m i n { i , n } b j c i − j = c i + ∑ j = 1 n c i − j b j である。したがって係数が0 0 0 である条件は二つの等式系に一致する。
(2) を示す。二つ目の等式系は、i i i をm + i m+i m + i に置き換えると∑ j = 1 n c m + i − j b j = − c m + i \sum_{j=1}^nc_{m+i-j}b_j=-c_{m+i} ∑ j = 1 n c m + i − j b j = − c m + i (1 ≤ i ≤ n 1\le i\le n 1 ≤ i ≤ n )、すなわちC m , n ( b 1 , … , b n ) T = − ( c m + 1 , … , c m + n ) T C_{m,n}(b_1,\dots,b_n)^{\mathsf T}=-(c_{m+1},\dots,c_{m+n})^{\mathsf T} C m , n ( b 1 , … , b n ) T = − ( c m + 1 , … , c m + n ) T である。n = 0 n=0 n = 0 ならばこの等式系は空であり、C m , n C_{m,n} C m , n が正則ならば解( b 1 , … , b n ) (b_1,\dots,b_n) ( b 1 , … , b n ) はただ一つである。いずれの場合も、一つ目の等式系はa 0 , … , a m a_0,\dots,a_m a 0 , … , a m をただ一通りに定める。(1) により、定義 1.1 条件 (a) と定義 1.1 条件 (b) を満たす組のうち定義 1.1 条件 (c) を満たすものは、このようにして定まる組だけである。▨
定理 1.4. m , n ∈ N ≥ 0 m,n\in\N m , n ∈ N ≥ 0 とし、I ⊂ R I\subset\R I ⊂ R を0 0 0 を含む開区間、f : I → R f\colon I\to\R f : I → R をC m + n + 1 C^{m+n+1} C m + n + 1 級の関数とする。( p 1 , q 1 ) (p_1,q_1) ( p 1 , q 1 ) と( p 2 , q 2 ) (p_2,q_2) ( p 2 , q 2 ) がどちらも定義 1.1 の三条件を満たすならば、多項式としてp 1 q 2 = p 2 q 1 p_1q_2=p_2q_1 p 1 q 2 = p 2 q 1 が成り立つ。したがってp 1 / q 1 = p 2 / q 2 p_1/q_1=p_2/q_2 p 1 / q 1 = p 2 / q 2 が有理関数体R ( x ) \R(x) R ( x ) の元として成り立ち、q 1 ( x ) q 2 ( x ) ≠ 0 q_1(x)q_2(x)\ne0 q 1 ( x ) q 2 ( x ) = 0 を満たす任意の実数x x x に対してp 1 ( x ) / q 1 ( x ) = p 2 ( x ) / q 2 ( x ) p_1(x)/q_1(x)=p_2(x)/q_2(x) p 1 ( x ) / q 1 ( x ) = p 2 ( x ) / q 2 ( x ) が成り立つ。f f f の[ m / n ] [m/n] [ m / n ] 型の Padé 近似が存在すれば、それはR ( x ) \R(x) R ( x ) の元としてただ一つである。
証明. k = 1 , 2 k=1,2 k = 1 , 2 について、定義 1.1 条件 (c) を満たすδ k > 0 \delta_k>0 δ k > 0 とM k ≥ 0 M_k\ge0 M k ≥ 0 をとる。δ : = min { δ 1 , δ 2 , 1 } \delta:=\min\{\delta_1,\delta_2,1\} δ := min { δ 1 , δ 2 , 1 } 、Q k : = max ∣ t ∣ ≤ 1 ∣ q k ( t ) ∣ Q_k:=\max_{\lvert t\rvert\le1}\lvert q_k(t)\rvert Q k := max ∣ t ∣ ≤ 1 ∣ q k ( t )∣ と置く。g : = p 1 q 2 − p 2 q 1 g:=p_1q_2-p_2q_1 g := p 1 q 2 − p 2 q 1 はI I I の上で
g ( x ) = q 1 ( x ) ( q 2 ( x ) f ( x ) − p 2 ( x ) ) − q 2 ( x ) ( q 1 ( x ) f ( x ) − p 1 ( x ) ) g(x)=q_1(x)\bigl(q_2(x)f(x)-p_2(x)\bigr)-q_2(x)\bigl(q_1(x)f(x)-p_1(x)\bigr) g ( x ) = q 1 ( x ) ( q 2 ( x ) f ( x ) − p 2 ( x ) ) − q 2 ( x ) ( q 1 ( x ) f ( x ) − p 1 ( x ) ) を満たすので、∣ x ∣ < δ \lvert x\rvert<\delta ∣ x ∣ < δ ならば∣ g ( x ) ∣ ≤ ( Q 1 M 2 + Q 2 M 1 ) ∣ x ∣ m + n + 1 \lvert g(x)\rvert\le(Q_1M_2+Q_2M_1)\lvert x\rvert^{m+n+1} ∣ g ( x )∣ ≤ ( Q 1 M 2 + Q 2 M 1 ) ∣ x ∣ m + n + 1 である。定義 1.1 条件 (a) によりg g g の次数はm + n m+n m + n 以下であるから、補題 1.2 をN = m + n + 1 N=m+n+1 N = m + n + 1 として適用するとg g g のすべての係数は0 0 0 であり、p 1 q 2 = p 2 q 1 p_1q_2=p_2q_1 p 1 q 2 = p 2 q 1 が成り立つ。q 1 ( 0 ) = q 2 ( 0 ) = 1 q_1(0)=q_2(0)=1 q 1 ( 0 ) = q 2 ( 0 ) = 1 であるからq 1 q_1 q 1 とq 2 q_2 q 2 は0 0 0 でない多項式であり、両辺をq 1 q 2 q_1q_2 q 1 q 2 で割ってR ( x ) \R(x) R ( x ) における等式と、q 1 ( x ) q 2 ( x ) ≠ 0 q_1(x)q_2(x)\ne0 q 1 ( x ) q 2 ( x ) = 0 を満たすx x x における値の等式を得る。▨
例 1.5. 補題 1.3 の記号を用いる。
f ( x ) = 1 + x 2 f(x)=1+x^2 f ( x ) = 1 + x 2 、m = n = 1 m=n=1 m = n = 1 とする。c 0 = 1 c_0=1 c 0 = 1 、c 1 = 0 c_1=0 c 1 = 0 、c 2 = 1 c_2=1 c 2 = 1 であり、補題 1.3 (1) の二つ目の等式系はc 1 b 1 = − c 2 c_1b_1=-c_2 c 1 b 1 = − c 2 、すなわち0 ⋅ b 1 = − 1 0\cdot b_1=-1 0 ⋅ b 1 = − 1 である。この等式を満たすb 1 b_1 b 1 は存在しないので、f f f の[ 1 / 1 ] [1/1] [ 1/1 ] 型の Padé 近似は存在しない。定義 1.1 条件 (b) を外すと、p ( x ) = x p(x)=x p ( x ) = x 、q ( x ) = x q(x)=x q ( x ) = x は定義 1.1 条件 (a) とq ( x ) f ( x ) − p ( x ) = x 3 q(x)f(x)-p(x)=x^3 q ( x ) f ( x ) − p ( x ) = x 3 を満たす。この組のp / q = 1 p/q=1 p / q = 1 について1 − f ( x ) = − x 2 1-f(x)=-x^2 1 − f ( x ) = − x 2 の2 2 2 次の係数は0 0 0 でないので、補題 1.2 により1 − f ( x ) 1-f(x) 1 − f ( x ) は∣ x ∣ 3 \lvert x\rvert^3 ∣ x ∣ 3 の定数倍で押さえられない。
f ( x ) = 1 f(x)=1 f ( x ) = 1 、m = n = 1 m=n=1 m = n = 1 とする。c 0 = 1 c_0=1 c 0 = 1 、c 1 = c 2 = 0 c_1=c_2=0 c 1 = c 2 = 0 であり、C 1 , 1 = ( c 1 ) = ( 0 ) C_{1,1}=(c_1)=(0) C 1 , 1 = ( c 1 ) = ( 0 ) は正則でない。二つ目の等式系0 ⋅ b 1 = 0 0\cdot b_1=0 0 ⋅ b 1 = 0 は任意のb 1 b_1 b 1 で成り立ち、一つ目の等式系はa 0 = 1 a_0=1 a 0 = 1 、a 1 = b 1 a_1=b_1 a 1 = b 1 を与える。したがって任意のb ∈ R b\in\R b ∈ R に対して組( 1 + b x , 1 + b x ) (1+bx,1+bx) ( 1 + b x , 1 + b x ) は三条件を満たし、組は一意でない。有理関数( 1 + b x ) / ( 1 + b x ) (1+bx)/(1+bx) ( 1 + b x ) / ( 1 + b x ) はb b b によらず1 1 1 である。
2 指数関数の[ 1 / 1 ] [1/1] [ 1/1 ] 近似
命題 2.1. x ≠ 2 x\ne2 x = 2 に対してr 1 , 1 ( x ) : = ( 1 + x / 2 ) / ( 1 − x / 2 ) = ( 2 + x ) / ( 2 − x ) r_{1,1}(x):=(1+x/2)/(1-x/2)=(2+x)/(2-x) r 1 , 1 ( x ) := ( 1 + x /2 ) / ( 1 − x /2 ) = ( 2 + x ) / ( 2 − x ) と置く。0 < ρ ≤ 1 0<\rho\le1 0 < ρ ≤ 1 に対して
K ( ρ ) : = ( 1 + ρ ) e ρ 6 ( 2 − ρ ) K(\rho):=\frac{(1+\rho)e^\rho}{6(2-\rho)} K ( ρ ) := 6 ( 2 − ρ ) ( 1 + ρ ) e ρ と置く。
組( 1 + x / 2 , 1 − x / 2 ) (1+x/2,\,1-x/2) ( 1 + x /2 , 1 − x /2 ) は、f = exp f=\exp f = exp 、m = n = 1 m=n=1 m = n = 1 について定義 1.1 の三条件を満たすただ一つの組である。特にr 1 , 1 r_{1,1} r 1 , 1 は指数関数の[ 1 / 1 ] [1/1] [ 1/1 ] 型の Padé 近似である。
0 < ρ ≤ 1 0<\rho\le1 0 < ρ ≤ 1 かつ∣ x ∣ ≤ ρ \lvert x\rvert\le\rho ∣ x ∣ ≤ ρ ならば、1 − x / 2 ≥ 1 − ρ / 2 ≥ 1 / 2 1-x/2\ge1-\rho/2\ge1/2 1 − x /2 ≥ 1 − ρ /2 ≥ 1/2 である。
0 < ρ ≤ 1 0<\rho\le1 0 < ρ ≤ 1 かつ∣ x ∣ ≤ ρ \lvert x\rvert\le\rho ∣ x ∣ ≤ ρ ならば、∣ ξ ∣ ≤ ∣ x ∣ \lvert\xi\rvert\le\lvert x\rvert ∣ ξ ∣ ≤ ∣ x ∣ と∣ ξ ′ ∣ ≤ ∣ x ∣ \lvert\xi'\rvert\le\lvert x\rvert ∣ ξ ′ ∣ ≤ ∣ x ∣ を満たす実数ξ , ξ ′ \xi,\xi' ξ , ξ ′ が存在して
e x − r 1 , 1 ( x ) = − ( 1 + ξ ) e ξ 12 ( 1 − x / 2 ) x 3 , r 1 , 1 ( x ) e − x − 1 = ( 1 + ξ ′ ) e ξ ′ 12 ( 1 − x / 2 ) x 3 e^x-r_{1,1}(x)=-\frac{(1+\xi)e^{\xi}}{12(1-x/2)}x^3,\qquad r_{1,1}(x)e^{-x}-1=\frac{(1+\xi')e^{\xi'}}{12(1-x/2)}x^3 e x − r 1 , 1 ( x ) = − 12 ( 1 − x /2 ) ( 1 + ξ ) e ξ x 3 , r 1 , 1 ( x ) e − x − 1 = 12 ( 1 − x /2 ) ( 1 + ξ ′ ) e ξ ′ x 3
が成り立ち、
∣ e x − r 1 , 1 ( x ) ∣ ≤ K ( ρ ) ∣ x ∣ 3 , ∣ r 1 , 1 ( x ) e − x − 1 ∣ ≤ K ( ρ ) ∣ x ∣ 3 \lvert e^x-r_{1,1}(x)\rvert\le K(\rho)\lvert x\rvert^3,\qquad\lvert r_{1,1}(x)e^{-x}-1\rvert\le K(\rho)\lvert x\rvert^3 ∣ e x − r 1 , 1 ( x )∣ ≤ K ( ρ ) ∣ x ∣ 3 , ∣ r 1 , 1 ( x ) e − x − 1 ∣ ≤ K ( ρ ) ∣ x ∣ 3
である。特にK ( 1 / 2 ) = e 1 / 2 / 6 < 0.275 K(1/2)=e^{1/2}/6<0.275 K ( 1/2 ) = e 1/2 /6 < 0.275 である。
証明. (1) を示す。f = exp f=\exp f = exp についてc 0 = c 1 = 1 c_0=c_1=1 c 0 = c 1 = 1 、c 2 = 1 / 2 c_2=1/2 c 2 = 1/2 であり、C 1 , 1 = ( c 1 ) = ( 1 ) C_{1,1}=(c_1)=(1) C 1 , 1 = ( c 1 ) = ( 1 ) は正則である。補題 1.3 (1) の二つ目の等式系c 1 b 1 = − c 2 c_1b_1=-c_2 c 1 b 1 = − c 2 からb 1 = − 1 / 2 b_1=-1/2 b 1 = − 1/2 であり、一つ目の等式系からa 0 = c 0 = 1 a_0=c_0=1 a 0 = c 0 = 1 、a 1 = c 1 + b 1 c 0 = 1 / 2 a_1=c_1+b_1c_0=1/2 a 1 = c 1 + b 1 c 0 = 1/2 である。補題 1.3 (2) により、三条件を満たす組は( 1 + x / 2 , 1 − x / 2 ) (1+x/2,\,1-x/2) ( 1 + x /2 , 1 − x /2 ) だけである。
∣ x ∣ ≤ ρ ≤ 1 \lvert x\rvert\le\rho\le1 ∣ x ∣ ≤ ρ ≤ 1 ならばx / 2 ≤ ρ / 2 ≤ 1 / 2 x/2\le\rho/2\le1/2 x /2 ≤ ρ /2 ≤ 1/2 であるから、(2) が成り立つ。
(3) を示す。実数y y y に対してg ( y ) : = ( 1 − y / 2 ) e y − ( 1 + y / 2 ) g(y):=(1-y/2)e^y-(1+y/2) g ( y ) := ( 1 − y /2 ) e y − ( 1 + y /2 ) と置く。
g ′ ( y ) = 1 − y 2 e y − 1 2 , g ′ ′ ( y ) = − y 2 e y , g ′ ′ ′ ( y ) = − 1 + y 2 e y g'(y)=\frac{1-y}2e^y-\frac12,\qquad g''(y)=-\frac y2e^y,\qquad g'''(y)=-\frac{1+y}2e^y g ′ ( y ) = 2 1 − y e y − 2 1 , g ′′ ( y ) = − 2 y e y , g ′′′ ( y ) = − 2 1 + y e y であり、g ( 0 ) = g ′ ( 0 ) = g ′ ′ ( 0 ) = 0 g(0)=g'(0)=g''(0)=0 g ( 0 ) = g ′ ( 0 ) = g ′′ ( 0 ) = 0 である。§D1.16 定理 2.1 をa = 0 a=0 a = 0 とn = 3 n=3 n = 3 に適用すると、各y y y に対して∣ η ∣ ≤ ∣ y ∣ \lvert\eta\rvert\le\lvert y\rvert ∣ η ∣ ≤ ∣ y ∣ を満たす実数η \eta η が存在してg ( y ) = g ′ ′ ′ ( η ) y 3 / 6 = − ( 1 + η ) e η y 3 / 12 g(y)=g'''(\eta)y^3/6=-(1+\eta)e^\eta y^3/12 g ( y ) = g ′′′ ( η ) y 3 /6 = − ( 1 + η ) e η y 3 /12 が成り立つ。(2) により1 − x / 2 > 0 1-x/2>0 1 − x /2 > 0 であり、
e x − r 1 , 1 ( x ) = g ( x ) 1 − x / 2 , r 1 , 1 ( x ) e − x − 1 = ( 1 + x / 2 ) e − x − ( 1 − x / 2 ) 1 − x / 2 = g ( − x ) 1 − x / 2 e^x-r_{1,1}(x)=\frac{g(x)}{1-x/2},\qquad r_{1,1}(x)e^{-x}-1=\frac{(1+x/2)e^{-x}-(1-x/2)}{1-x/2}=\frac{g(-x)}{1-x/2} e x − r 1 , 1 ( x ) = 1 − x /2 g ( x ) , r 1 , 1 ( x ) e − x − 1 = 1 − x /2 ( 1 + x /2 ) e − x − ( 1 − x /2 ) = 1 − x /2 g ( − x ) である。y = x y=x y = x に対するη \eta η をξ \xi ξ 、y = − x y=-x y = − x に対するη \eta η をξ ′ \xi' ξ ′ とすると、g ( − x ) = ( 1 + ξ ′ ) e ξ ′ x 3 / 12 g(-x)=(1+\xi')e^{\xi'}x^3/12 g ( − x ) = ( 1 + ξ ′ ) e ξ ′ x 3 /12 であるから、二つの等式が成り立つ。関数t ↦ ( 1 + t ) e t t\mapsto(1+t)e^t t ↦ ( 1 + t ) e t の導関数は( 2 + t ) e t (2+t)e^t ( 2 + t ) e t であり、[ − 1 , ∞ ) [-1,\infty) [ − 1 , ∞ ) で正であるから、この関数は[ − 1 , ∞ ) [-1,\infty) [ − 1 , ∞ ) で増加し、− 1 ≤ t ≤ ρ -1\le t\le\rho − 1 ≤ t ≤ ρ ならば0 ≤ ( 1 + t ) e t ≤ ( 1 + ρ ) e ρ 0\le(1+t)e^t\le(1+\rho)e^\rho 0 ≤ ( 1 + t ) e t ≤ ( 1 + ρ ) e ρ である。∣ ξ ∣ , ∣ ξ ′ ∣ ≤ ρ ≤ 1 \lvert\xi\rvert,\lvert\xi'\rvert\le\rho\le1 ∣ ξ ∣ , ∣ ξ ′ ∣ ≤ ρ ≤ 1 と(2) により、二つの誤差の絶対値はどちらも
( 1 + ρ ) e ρ 12 ( 1 − ρ / 2 ) ∣ x ∣ 3 = K ( ρ ) ∣ x ∣ 3 \frac{(1+\rho)e^\rho}{12(1-\rho/2)}\lvert x\rvert^3=K(\rho)\lvert x\rvert^3 12 ( 1 − ρ /2 ) ( 1 + ρ ) e ρ ∣ x ∣ 3 = K ( ρ ) ∣ x ∣ 3 以下である。K ( 1 / 2 ) = ( 3 / 2 ) e 1 / 2 / ( 6 ⋅ 3 / 2 ) = e 1 / 2 / 6 K(1/2)=(3/2)e^{1/2}/(6\cdot3/2)=e^{1/2}/6 K ( 1/2 ) = ( 3/2 ) e 1/2 / ( 6 ⋅ 3/2 ) = e 1/2 /6 であり、e 1 / 2 < 1.65 e^{1/2}<1.65 e 1/2 < 1.65 からK ( 1 / 2 ) < 0.275 K(1/2)<0.275 K ( 1/2 ) < 0.275 である。▨
例 2.2. r 1 , 1 ( x ) = ( 2 + x ) / ( 2 − x ) r_{1,1}(x)=(2+x)/(2-x) r 1 , 1 ( x ) = ( 2 + x ) / ( 2 − x ) とT 2 ( x ) : = 1 + x + x 2 / 2 T_2(x):=1+x+x^2/2 T 2 ( x ) := 1 + x + x 2 /2 はどちらも指数関数の係数c i = 1 / i ! c_i=1/i! c i = 1/ i ! (i = 0 , 1 , 2 i=0,1,2 i = 0 , 1 , 2 )から定まり、補題 1.3 (2) によりT 2 T_2 T 2 は指数関数の[ 2 / 0 ] [2/0] [ 2/0 ] 型の Padé 近似である。r 1 , 1 ( x ) r_{1,1}(x) r 1 , 1 ( x ) の評価は加減算二回と除算一回を、T 2 ( x ) = 1 + x ( 1 + x ⋅ ( 1 / 2 ) ) T_2(x)=1+x(1+x\cdot(1/2)) T 2 ( x ) = 1 + x ( 1 + x ⋅ ( 1/2 )) の評価は乗算二回と加算二回を行う。§D1.16 定理 2.1 によりe x − T 2 ( x ) = e ξ x 3 / 6 e^x-T_2(x)=e^{\xi}x^3/6 e x − T 2 ( x ) = e ξ x 3 /6 (∣ ξ ∣ ≤ ∣ x ∣ \lvert\xi\rvert\le\lvert x\rvert ∣ ξ ∣ ≤ ∣ x ∣ )であるから、x → 0 x\to0 x → 0 のときx 3 x^3 x 3 の係数は、e x − T 2 ( x ) e^x-T_2(x) e x − T 2 ( x ) では1 / 6 1/6 1/6 に、命題 2.1 (3) の表示のe x − r 1 , 1 ( x ) e^x-r_{1,1}(x) e x − r 1 , 1 ( x ) では− 1 / 12 -1/12 − 1/12 に収束する。x = 1 / 2 x=1/2 x = 1/2 ではe 1 / 2 = 1.6487212 … e^{1/2}=1.6487212\ldots e 1/2 = 1.6487212 … 、r 1 , 1 ( 1 / 2 ) = 5 / 3 r_{1,1}(1/2)=5/3 r 1 , 1 ( 1/2 ) = 5/3 、T 2 ( 1 / 2 ) = 1.625 T_2(1/2)=1.625 T 2 ( 1/2 ) = 1.625 であり、e 1 / 2 − r 1 , 1 ( 1 / 2 ) = − 0.017945 … e^{1/2}-r_{1,1}(1/2)=-0.017945\ldots e 1/2 − r 1 , 1 ( 1/2 ) = − 0.017945 … 、e 1 / 2 − T 2 ( 1 / 2 ) = 0.023721 … e^{1/2}-T_2(1/2)=0.023721\ldots e 1/2 − T 2 ( 1/2 ) = 0.023721 … である。前者の絶対値は命題 2.1 (3) の上界K ( 1 / 2 ) / 8 = 0.034348 … K(1/2)/8=0.034348\ldots K ( 1/2 ) /8 = 0.034348 … 以下である。x = − 1 / 2 x=-1/2 x = − 1/2 ではe − 1 / 2 = 0.6065306 … e^{-1/2}=0.6065306\ldots e − 1/2 = 0.6065306 … 、r 1 , 1 ( − 1 / 2 ) = 3 / 5 r_{1,1}(-1/2)=3/5 r 1 , 1 ( − 1/2 ) = 3/5 、T 2 ( − 1 / 2 ) = 0.625 T_2(-1/2)=0.625 T 2 ( − 1/2 ) = 0.625 であり、e − 1 / 2 − r 1 , 1 ( − 1 / 2 ) = 0.0065306 … e^{-1/2}-r_{1,1}(-1/2)=0.0065306\ldots e − 1/2 − r 1 , 1 ( − 1/2 ) = 0.0065306 … 、e − 1 / 2 − T 2 ( − 1 / 2 ) = − 0.018469 … e^{-1/2}-T_2(-1/2)=-0.018469\ldots e − 1/2 − T 2 ( − 1/2 ) = − 0.018469 … である。r 1 , 1 r_{1,1} r 1 , 1 はx = 2 x=2 x = 2 に極をもつ。x → 2 − 0 x\to2-0 x → 2 − 0 のときr 1 , 1 ( x ) → + ∞ r_{1,1}(x)\to+\infty r 1 , 1 ( x ) → + ∞ であり、x > 2 x>2 x > 2 ならばr 1 , 1 ( x ) < 0 < e x r_{1,1}(x)<0<e^x r 1 , 1 ( x ) < 0 < e x である。x = 1.9 x=1.9 x = 1.9 ではr 1 , 1 ( 1.9 ) = 39 r_{1,1}(1.9)=39 r 1 , 1 ( 1.9 ) = 39 、e 1.9 = 6.6858944 … e^{1.9}=6.6858944\ldots e 1.9 = 6.6858944 … 、T 2 ( 1.9 ) = 4.705 T_2(1.9)=4.705 T 2 ( 1.9 ) = 4.705 である。
3 引数の縮小と繰り返す二乗
定義 3.1. x ∈ R x\in\R x ∈ R 、s ∈ N ≥ 0 s\in\N s ∈ N ≥ 0 とし、r : = 2 − s x r:=2^{-s}x r := 2 − s x と置く。このときe x = ( e r ) 2 s e^x=(e^r)^{2^s} e x = ( e r ) 2 s が成り立つ。x x x をr r r に置き換えることを 引数の縮小 (argument reduction ) といい、s s s をその 縮小回数 (number of halvings ) という。F F F を浮動小数点数系、fl \operatorname{fl} fl をF F F の最近接丸めとし、y 0 ∈ F y_0\in F y 0 ∈ F とする。0 ≤ j < s 0\le j<s 0 ≤ j < s について順にy j + 1 : = fl ( y j ⋅ y j ) y_{j+1}:=\operatorname{fl}(y_j\cdot y_j) y j + 1 := fl ( y j ⋅ y j ) と置いてy 1 , … , y s y_1,\dots,y_s y 1 , … , y s を定めることを、y 0 y_0 y 0 からのs s s 回の 繰り返す二乗 (repeated squaring ) という。y j + 1 y_{j+1} y j + 1 は、厳密な積y j ⋅ y j y_j\cdot y_j y j ⋅ y j がN max N_{\max} N m a x 以下であるときに定まる。
補題 3.2. k ∈ N ≥ 1 k\in\NN k ∈ N ≥ 1 とし、t 1 , … , t k ∈ [ 0 , 1 ] t_1,\dots,t_k\in[0,1] t 1 , … , t k ∈ [ 0 , 1 ] とする。このとき
∏ i = 1 k ( 1 − t i ) ≥ 1 − ∑ i = 1 k t i \prod_{i=1}^k(1-t_i)\ge1-\sum_{i=1}^kt_i i = 1 ∏ k ( 1 − t i ) ≥ 1 − i = 1 ∑ k t i が成り立つ。
定理 3.3. F F F を浮動小数点数系、u u u をその単位丸め誤差、fl \operatorname{fl} fl をF F F の最近接丸めとする。r ∈ R r\in\R r ∈ R 、s ∈ N ≥ 0 s\in\N s ∈ N ≥ 0 、y 0 ∈ F y_0\in F y 0 ∈ F とし、y 1 , … , y s y_1,\dots,y_s y 1 , … , y s をy 0 y_0 y 0 からのs s s 回の繰り返す二乗とする。0 ≤ j < s 0\le j<s 0 ≤ j < s を満たす各j j j について、厳密な積y j ⋅ y j y_j\cdot y_j y j ⋅ y j は正規範囲にあるとする。0 ≤ j ≤ s 0\le j\le s 0 ≤ j ≤ s に対して実数η j \eta_j η j をy j = e 2 j r ( 1 + η j ) y_j=e^{2^jr}(1+\eta_j) y j = e 2 j r ( 1 + η j ) により定め、ε 0 : = η 0 \varepsilon_0:=\eta_0 ε 0 := η 0 と置く。
z 0 : = y 0 z_0:=y_0 z 0 := y 0 、z j + 1 : = z j 2 z_{j+1}:=z_j^2 z j + 1 := z j 2 (0 ≤ j < s 0\le j<s 0 ≤ j < s )と置くと、z s = e 2 s r ( 1 + ε 0 ) 2 s z_s=e^{2^sr}(1+\varepsilon_0)^{2^s} z s = e 2 s r ( 1 + ε 0 ) 2 s が成り立つ。すなわち、厳密な二乗によるz s z_s z s のe 2 s r e^{2^sr} e 2 s r に対する相対誤差は( 1 + ε 0 ) 2 s − 1 (1+\varepsilon_0)^{2^s}-1 ( 1 + ε 0 ) 2 s − 1 である。
0 ≤ j < s 0\le j<s 0 ≤ j < s を満たす各j j j に対して、∣ δ j ∣ ≤ u \lvert\delta_j\rvert\le u ∣ δ j ∣ ≤ u を満たす実数δ j \delta_j δ j が存在して
1 + η j + 1 = ( 1 + η j ) 2 ( 1 + δ j ) 1+\eta_{j+1}=(1+\eta_j)^2(1+\delta_j) 1 + η j + 1 = ( 1 + η j ) 2 ( 1 + δ j )
が成り立つ。したがって
1 + η s = ( 1 + ε 0 ) 2 s ∏ j = 0 s − 1 ( 1 + δ j ) 2 s − 1 − j 1+\eta_s=(1+\varepsilon_0)^{2^s}\prod_{j=0}^{s-1}(1+\delta_j)^{2^{s-1-j}} 1 + η s = ( 1 + ε 0 ) 2 s j = 0 ∏ s − 1 ( 1 + δ j ) 2 s − 1 − j
である。
0 ≤ b < 1 0\le b<1 0 ≤ b < 1 が1 − b ≤ 1 + ε 0 ≤ ( 1 − b ) − 1 1-b\le1+\varepsilon_0\le(1-b)^{-1} 1 − b ≤ 1 + ε 0 ≤ ( 1 − b ) − 1 を満たすとし、0 ≤ j ≤ s 0\le j\le s 0 ≤ j ≤ s に対してσ j : = 2 j b + ( 2 j − 1 ) u \sigma_j:=2^jb+(2^j-1)u σ j := 2 j b + ( 2 j − 1 ) u と置き、σ s < 1 \sigma_s<1 σ s < 1 とする。このとき0 ≤ j ≤ s 0\le j\le s 0 ≤ j ≤ s を満たす各j j j に対して
1 − σ j ≤ 1 + η j ≤ ( 1 − σ j ) − 1 , ∣ η j ∣ ≤ σ j 1 − σ j 1-\sigma_j\le1+\eta_j\le(1-\sigma_j)^{-1},\qquad\lvert\eta_j\rvert\le\frac{\sigma_j}{1-\sigma_j} 1 − σ j ≤ 1 + η j ≤ ( 1 − σ j ) − 1 , ∣ η j ∣ ≤ 1 − σ j σ j
が成り立つ。∣ ε 0 ∣ ≤ b \lvert\varepsilon_0\rvert\le b ∣ ε 0 ∣ ≤ b ならば1 − b ≤ 1 + ε 0 ≤ ( 1 − b ) − 1 1-b\le1+\varepsilon_0\le(1-b)^{-1} 1 − b ≤ 1 + ε 0 ≤ ( 1 − b ) − 1 が成り立つ。
証明. (1) を示す。j = 0 j=0 j = 0 ではz 0 = y 0 = e r ( 1 + ε 0 ) z_0=y_0=e^r(1+\varepsilon_0) z 0 = y 0 = e r ( 1 + ε 0 ) である。z j = e 2 j r ( 1 + ε 0 ) 2 j z_j=e^{2^jr}(1+\varepsilon_0)^{2^j} z j = e 2 j r ( 1 + ε 0 ) 2 j ならばz j + 1 = z j 2 = e 2 j + 1 r ( 1 + ε 0 ) 2 j + 1 z_{j+1}=z_j^2=e^{2^{j+1}r}(1+\varepsilon_0)^{2^{j+1}} z j + 1 = z j 2 = e 2 j + 1 r ( 1 + ε 0 ) 2 j + 1 であり、j j j に関する帰納法により主張が成り立つ。
(2) を示す。y j ∈ F y_j\in F y j ∈ F であり、厳密な積y j ⋅ y j y_j\cdot y_j y j ⋅ y j は正規範囲にあるから、§E20.1 系 3.2 (2) により∣ δ j ∣ ≤ u \lvert\delta_j\rvert\le u ∣ δ j ∣ ≤ u を満たすδ j \delta_j δ j が存在してy j + 1 = y j 2 ( 1 + δ j ) y_{j+1}=y_j^2(1+\delta_j) y j + 1 = y j 2 ( 1 + δ j ) である。y j = e 2 j r ( 1 + η j ) y_j=e^{2^jr}(1+\eta_j) y j = e 2 j r ( 1 + η j ) を代入するとe 2 j + 1 r ( 1 + η j + 1 ) = e 2 j + 1 r ( 1 + η j ) 2 ( 1 + δ j ) e^{2^{j+1}r}(1+\eta_{j+1})=e^{2^{j+1}r}(1+\eta_j)^2(1+\delta_j) e 2 j + 1 r ( 1 + η j + 1 ) = e 2 j + 1 r ( 1 + η j ) 2 ( 1 + δ j ) であり、両辺をe 2 j + 1 r > 0 e^{2^{j+1}r}>0 e 2 j + 1 r > 0 で割って漸化式を得る。1 + η j = ( 1 + ε 0 ) 2 j ∏ i = 0 j − 1 ( 1 + δ i ) 2 j − 1 − i 1+\eta_j=(1+\varepsilon_0)^{2^j}\prod_{i=0}^{j-1}(1+\delta_i)^{2^{j-1-i}} 1 + η j = ( 1 + ε 0 ) 2 j ∏ i = 0 j − 1 ( 1 + δ i ) 2 j − 1 − i ならば、漸化式により
1 + η j + 1 = ( 1 + ε 0 ) 2 j + 1 ∏ i = 0 j − 1 ( 1 + δ i ) 2 j − i ⋅ ( 1 + δ j ) = ( 1 + ε 0 ) 2 j + 1 ∏ i = 0 j ( 1 + δ i ) 2 j − i 1+\eta_{j+1}=(1+\varepsilon_0)^{2^{j+1}}\prod_{i=0}^{j-1}(1+\delta_i)^{2^{j-i}}\cdot(1+\delta_j)=(1+\varepsilon_0)^{2^{j+1}}\prod_{i=0}^{j}(1+\delta_i)^{2^{j-i}} 1 + η j + 1 = ( 1 + ε 0 ) 2 j + 1 i = 0 ∏ j − 1 ( 1 + δ i ) 2 j − i ⋅ ( 1 + δ j ) = ( 1 + ε 0 ) 2 j + 1 i = 0 ∏ j ( 1 + δ i ) 2 j − i であり、j = 0 j=0 j = 0 の場合は空積の表示として成り立つので、j j j に関する帰納法によりj = s j=s j = s の表示を得る。
(3) を示す。σ 0 = b \sigma_0=b σ 0 = b であり、σ j + 1 = 2 σ j + u \sigma_{j+1}=2\sigma_j+u σ j + 1 = 2 σ j + u であるから、0 ≤ σ 0 ≤ σ 1 ≤ ⋯ ≤ σ s < 1 0\le\sigma_0\le\sigma_1\le\dots\le\sigma_s<1 0 ≤ σ 0 ≤ σ 1 ≤ ⋯ ≤ σ s < 1 である。u = β 1 − p / 2 ≤ 1 / 2 u=\beta^{1-p}/2\le1/2 u = β 1 − p /2 ≤ 1/2 であり、∣ δ j ∣ ≤ u \lvert\delta_j\rvert\le u ∣ δ j ∣ ≤ u から1 − u ≤ 1 + δ j ≤ 1 + u ≤ ( 1 − u ) − 1 1-u\le1+\delta_j\le1+u\le(1-u)^{-1} 1 − u ≤ 1 + δ j ≤ 1 + u ≤ ( 1 − u ) − 1 である。最後の不等式は( 1 + u ) ( 1 − u ) = 1 − u 2 ≤ 1 (1+u)(1-u)=1-u^2\le1 ( 1 + u ) ( 1 − u ) = 1 − u 2 ≤ 1 による。j = 0 j=0 j = 0 では仮定により1 − σ 0 ≤ 1 + η 0 ≤ ( 1 − σ 0 ) − 1 1-\sigma_0\le1+\eta_0\le(1-\sigma_0)^{-1} 1 − σ 0 ≤ 1 + η 0 ≤ ( 1 − σ 0 ) − 1 である。j < s j<s j < s とし、1 − σ j ≤ 1 + η j ≤ ( 1 − σ j ) − 1 1-\sigma_j\le1+\eta_j\le(1-\sigma_j)^{-1} 1 − σ j ≤ 1 + η j ≤ ( 1 − σ j ) − 1 が成り立つとする。1 − σ j > 0 1-\sigma_j>0 1 − σ j > 0 であるから( 1 − σ j ) 2 ≤ ( 1 + η j ) 2 ≤ ( 1 − σ j ) − 2 (1-\sigma_j)^2\le(1+\eta_j)^2\le(1-\sigma_j)^{-2} ( 1 − σ j ) 2 ≤ ( 1 + η j ) 2 ≤ ( 1 − σ j ) − 2 であり、(2) の漸化式により
( 1 − σ j ) 2 ( 1 − u ) ≤ 1 + η j + 1 ≤ ( ( 1 − σ j ) 2 ( 1 − u ) ) − 1 (1-\sigma_j)^2(1-u)\le1+\eta_{j+1}\le\bigl((1-\sigma_j)^2(1-u)\bigr)^{-1} ( 1 − σ j ) 2 ( 1 − u ) ≤ 1 + η j + 1 ≤ ( ( 1 − σ j ) 2 ( 1 − u ) ) − 1 である。補題 3.2 をt 1 = t 2 = σ j t_1=t_2=\sigma_j t 1 = t 2 = σ j 、t 3 = u t_3=u t 3 = u に適用すると( 1 − σ j ) 2 ( 1 − u ) ≥ 1 − 2 σ j − u = 1 − σ j + 1 > 0 (1-\sigma_j)^2(1-u)\ge1-2\sigma_j-u=1-\sigma_{j+1}>0 ( 1 − σ j ) 2 ( 1 − u ) ≥ 1 − 2 σ j − u = 1 − σ j + 1 > 0 であるから、1 − σ j + 1 ≤ 1 + η j + 1 ≤ ( 1 − σ j + 1 ) − 1 1-\sigma_{j+1}\le1+\eta_{j+1}\le(1-\sigma_{j+1})^{-1} 1 − σ j + 1 ≤ 1 + η j + 1 ≤ ( 1 − σ j + 1 ) − 1 が成り立つ。j j j に関する帰納法により、0 ≤ j ≤ s 0\le j\le s 0 ≤ j ≤ s を満たす各j j j で一つ目の不等式が成り立つ。このときη j ≤ ( 1 − σ j ) − 1 − 1 = σ j / ( 1 − σ j ) \eta_j\le(1-\sigma_j)^{-1}-1=\sigma_j/(1-\sigma_j) η j ≤ ( 1 − σ j ) − 1 − 1 = σ j / ( 1 − σ j ) であり、− η j ≤ σ j ≤ σ j / ( 1 − σ j ) -\eta_j\le\sigma_j\le\sigma_j/(1-\sigma_j) − η j ≤ σ j ≤ σ j / ( 1 − σ j ) である。∣ ε 0 ∣ ≤ b \lvert\varepsilon_0\rvert\le b ∣ ε 0 ∣ ≤ b ならば1 − b ≤ 1 + ε 0 ≤ 1 + b 1-b\le1+\varepsilon_0\le1+b 1 − b ≤ 1 + ε 0 ≤ 1 + b であり、( 1 + b ) ( 1 − b ) = 1 − b 2 ≤ 1 (1+b)(1-b)=1-b^2\le1 ( 1 + b ) ( 1 − b ) = 1 − b 2 ≤ 1 から1 + b ≤ ( 1 − b ) − 1 1+b\le(1-b)^{-1} 1 + b ≤ ( 1 − b ) − 1 である。▨
4 有限区間での計算精度
補題 4.1. F = F ( 2 , p , e min , e max ) F=F(2,p,e_{\min},e_{\max}) F = F ( 2 , p , e m i n , e m a x ) をp ≥ 3 p\ge3 p ≥ 3 、e min ≤ − 2 e_{\min}\le-2 e m i n ≤ − 2 、e max ≥ 2 e_{\max}\ge2 e m a x ≥ 2 を満たす浮動小数点数系とし、u = 2 − p u=2^{-p} u = 2 − p をその単位丸め誤差、fl \operatorname{fl} fl をF F F の最近接丸めとする。r ∈ F r\in F r ∈ F が∣ r ∣ ≤ 1 \lvert r\rvert\le1 ∣ r ∣ ≤ 1 を満たすとする。このとき2 ∈ F 2\in F 2 ∈ F であり、n ^ : = fl ( 2 + r ) \hat n:=\operatorname{fl}(2+r) n ^ := fl ( 2 + r ) 、d ^ : = fl ( 2 − r ) \hat d:=\operatorname{fl}(2-r) d ^ := fl ( 2 − r ) 、y ^ : = fl ( n ^ / d ^ ) \hat y:=\operatorname{fl}(\hat n/\hat d) y ^ := fl ( n ^ / d ^ ) は定まり、厳密な商n ^ / d ^ \hat n/\hat d n ^ / d ^ は[ 1 / 4 , 4 ] [1/4,4] [ 1/4 , 4 ] に属する。さらに、( 1 − u ) 3 ≤ 1 + θ ≤ ( 1 − u ) − 3 (1-u)^3\le1+\theta\le(1-u)^{-3} ( 1 − u ) 3 ≤ 1 + θ ≤ ( 1 − u ) − 3 を満たす実数θ \theta θ が存在して
y ^ = 2 + r 2 − r ( 1 + θ ) \hat y=\frac{2+r}{2-r}(1+\theta) y ^ = 2 − r 2 + r ( 1 + θ ) が成り立つ。
証明. s 1 = 2 2 − p s_1=2^{2-p} s 1 = 2 2 − p であるから2 = 2 p − 1 s 1 2=2^{p-1}s_1 2 = 2 p − 1 s 1 であり、1 ≤ e max 1\le e_{\max} 1 ≤ e m a x から2 2 2 は指数1 1 1 の正規化数である。N max = 2 e max + 1 ( 1 − 2 − p ) ≥ 8 ⋅ 7 / 8 = 7 N_{\max}=2^{e_{\max}+1}(1-2^{-p})\ge8\cdot7/8=7 N m a x = 2 e m a x + 1 ( 1 − 2 − p ) ≥ 8 ⋅ 7/8 = 7 であり、∣ r ∣ ≤ 1 \lvert r\rvert\le1 ∣ r ∣ ≤ 1 から1 ≤ 2 ± r ≤ 3 ≤ N max 1\le2\pm r\le3\le N_{\max} 1 ≤ 2 ± r ≤ 3 ≤ N m a x である。F = − F F=-F F = − F であるから− r ∈ F -r\in F − r ∈ F であり、§E20.1 系 3.3 により∣ α 1 ∣ , ∣ α 2 ∣ ≤ u \lvert\alpha_1\rvert,\lvert\alpha_2\rvert\le u ∣ α 1 ∣ , ∣ α 2 ∣ ≤ u を満たすα 1 , α 2 \alpha_1,\alpha_2 α 1 , α 2 が存在してn ^ = ( 2 + r ) ( 1 + α 1 ) \hat n=(2+r)(1+\alpha_1) n ^ = ( 2 + r ) ( 1 + α 1 ) 、d ^ = ( 2 − r ) ( 1 + α 2 ) \hat d=(2-r)(1+\alpha_2) d ^ = ( 2 − r ) ( 1 + α 2 ) である。u ≤ 1 / 8 u\le1/8 u ≤ 1/8 であるからd ^ ≥ 1 − u > 0 \hat d\ge1-u>0 d ^ ≥ 1 − u > 0 であり、( 1 − u ) / ( 1 + u ) ≥ 7 / 9 (1-u)/(1+u)\ge7/9 ( 1 − u ) / ( 1 + u ) ≥ 7/9 から
1 4 < 7 27 ≤ 1 3 ⋅ 1 − u 1 + u ≤ n ^ d ^ ≤ 3 ⋅ 1 + u 1 − u ≤ 27 7 < 4 \frac14<\frac{7}{27}\le\frac13\cdot\frac{1-u}{1+u}\le\frac{\hat n}{\hat d}\le3\cdot\frac{1+u}{1-u}\le\frac{27}{7}<4 4 1 < 27 7 ≤ 3 1 ⋅ 1 + u 1 − u ≤ d ^ n ^ ≤ 3 ⋅ 1 − u 1 + u ≤ 7 27 < 4 である。2 e min ≤ 1 / 4 2^{e_{\min}}\le1/4 2 e m i n ≤ 1/4 かつ4 < N max 4<N_{\max} 4 < N m a x であるからn ^ / d ^ \hat n/\hat d n ^ / d ^ は正規範囲にあり、§E20.1 系 3.2 (2) により∣ α 3 ∣ ≤ u \lvert\alpha_3\rvert\le u ∣ α 3 ∣ ≤ u を満たすα 3 \alpha_3 α 3 が存在してy ^ = ( n ^ / d ^ ) ( 1 + α 3 ) \hat y=(\hat n/\hat d)(1+\alpha_3) y ^ = ( n ^ / d ^ ) ( 1 + α 3 ) である。したがって
y ^ = 2 + r 2 − r ⋅ ( 1 + α 1 ) ( 1 + α 3 ) 1 + α 2 \hat y=\frac{2+r}{2-r}\cdot\frac{(1+\alpha_1)(1+\alpha_3)}{1+\alpha_2} y ^ = 2 − r 2 + r ⋅ 1 + α 2 ( 1 + α 1 ) ( 1 + α 3 ) である。i = 1 , 2 , 3 i=1,2,3 i = 1 , 2 , 3 について1 − u ≤ 1 + α i ≤ 1 + u ≤ ( 1 − u ) − 1 1-u\le1+\alpha_i\le1+u\le(1-u)^{-1} 1 − u ≤ 1 + α i ≤ 1 + u ≤ ( 1 − u ) − 1 であり、( 1 + u ) − 1 ≤ ( 1 + α 2 ) − 1 ≤ ( 1 − u ) − 1 (1+u)^{-1}\le(1+\alpha_2)^{-1}\le(1-u)^{-1} ( 1 + u ) − 1 ≤ ( 1 + α 2 ) − 1 ≤ ( 1 − u ) − 1 と( 1 + u ) − 1 ≥ 1 − u (1+u)^{-1}\ge1-u ( 1 + u ) − 1 ≥ 1 − u により1 − u ≤ ( 1 + α 2 ) − 1 ≤ ( 1 − u ) − 1 1-u\le(1+\alpha_2)^{-1}\le(1-u)^{-1} 1 − u ≤ ( 1 + α 2 ) − 1 ≤ ( 1 − u ) − 1 である。1 + θ : = ( 1 + α 1 ) ( 1 + α 3 ) ( 1 + α 2 ) − 1 1+\theta:=(1+\alpha_1)(1+\alpha_3)(1+\alpha_2)^{-1} 1 + θ := ( 1 + α 1 ) ( 1 + α 3 ) ( 1 + α 2 ) − 1 と置けば( 1 − u ) 3 ≤ 1 + θ ≤ ( 1 − u ) − 3 (1-u)^3\le1+\theta\le(1-u)^{-3} ( 1 − u ) 3 ≤ 1 + θ ≤ ( 1 − u ) − 3 である。▨
定義 4.2. F = F ( 2 , p , e min , e max ) F=F(2,p,e_{\min},e_{\max}) F = F ( 2 , p , e m i n , e m a x ) をp ≥ 3 p\ge3 p ≥ 3 、e min ≤ − 2 e_{\min}\le-2 e m i n ≤ − 2 、e max ≥ 2 e_{\max}\ge2 e m a x ≥ 2 を満たす浮動小数点数系、fl \operatorname{fl} fl をF F F の最近接丸めとし、k ∈ N ≥ 0 k\in\N k ∈ N ≥ 0 はk ≤ − e min − 1 k\le-e_{\min}-1 k ≤ − e m i n − 1 を満たすとする。x ∈ F x\in F x ∈ F に対して、∣ x ∣ ≤ 2 s − k \lvert x\rvert\le2^{s-k} ∣ x ∣ ≤ 2 s − k を満たす最小のs ∈ N ≥ 0 s\in\N s ∈ N ≥ 0 をs ( x ) s(x) s ( x ) と置き、r ( x ) : = 2 − s ( x ) x r(x):=2^{-s(x)}x r ( x ) := 2 − s ( x ) x と置く。r ( x ) ∈ F r(x)\in F r ( x ) ∈ F のとき、y ^ 0 : = fl ( fl ( 2 + r ( x ) ) / fl ( 2 − r ( x ) ) ) \hat y_0:=\operatorname{fl}\bigl(\operatorname{fl}(2+r(x))/\operatorname{fl}(2-r(x))\bigr) y ^ 0 := fl ( fl ( 2 + r ( x )) / fl ( 2 − r ( x )) ) と置き、y ^ 1 , … , y ^ s ( x ) \hat y_1,\dots,\hat y_{s(x)} y ^ 1 , … , y ^ s ( x ) をy ^ 0 \hat y_0 y ^ 0 からのs ( x ) s(x) s ( x ) 回の繰り返す二乗とする。これらの値がすべて定まるとき、E k ( x ) : = y ^ s ( x ) E_k(x):=\hat y_{s(x)} E k ( x ) := y ^ s ( x ) と置く。
定理 4.3. F = F ( 2 , p , e min , e max ) F=F(2,p,e_{\min},e_{\max}) F = F ( 2 , p , e m i n , e m a x ) 、fl \operatorname{fl} fl 、k k k を定義 4.2 のとおりとし、u = 2 − p u=2^{-p} u = 2 − p をF F F の単位丸め誤差とする。
ρ : = 2 − k , K : = ( 1 + ρ ) e ρ 6 ( 2 − ρ ) \rho:=2^{-k},\qquad K:=\frac{(1+\rho)e^\rho}{6(2-\rho)} ρ := 2 − k , K := 6 ( 2 − ρ ) ( 1 + ρ ) e ρ と置く。X > 0 X>0 X > 0 とし、X ≤ 2 S − k X\le2^{S-k} X ≤ 2 S − k を満たす最小のS ∈ N ≥ 0 S\in\N S ∈ N ≥ 0 をとって
σ : = 2 S K ρ 3 + ( 2 S + 2 − 1 ) u \sigma:=2^SK\rho^3+(2^{S+2}-1)u σ := 2 S K ρ 3 + ( 2 S + 2 − 1 ) u と置く。次の条件を仮定する。
σ < 1 \sigma<1 σ < 1 である。
2 e min ≤ e − X ( 1 − σ ) 2 2^{e_{\min}}\le e^{-X}(1-\sigma)^2 2 e m i n ≤ e − X ( 1 − σ ) 2 かつe X ( 1 − σ ) − 2 ≤ N max e^X(1-\sigma)^{-2}\le N_{\max} e X ( 1 − σ ) − 2 ≤ N m a x である。
このとき、∣ x ∣ ≤ X \lvert x\rvert\le X ∣ x ∣ ≤ X を満たす任意のx ∈ F x\in F x ∈ F に対してE k ( x ) E_k(x) E k ( x ) は定まり、
1 − σ ≤ E k ( x ) e − x ≤ ( 1 − σ ) − 1 , ∣ E k ( x ) − e x ∣ e x ≤ σ 1 − σ 1-\sigma\le E_k(x)e^{-x}\le(1-\sigma)^{-1},\qquad\frac{\lvert E_k(x)-e^x\rvert}{e^x}\le\frac{\sigma}{1-\sigma} 1 − σ ≤ E k ( x ) e − x ≤ ( 1 − σ ) − 1 , e x ∣ E k ( x ) − e x ∣ ≤ 1 − σ σ が成り立つ。
証明. x ∈ F x\in F x ∈ F 、∣ x ∣ ≤ X \lvert x\rvert\le X ∣ x ∣ ≤ X をとり、s : = s ( x ) s:=s(x) s := s ( x ) 、r : = r ( x ) = 2 − s x r:=r(x)=2^{-s}x r := r ( x ) = 2 − s x と置く。∣ x ∣ ≤ X ≤ 2 S − k \lvert x\rvert\le X\le2^{S-k} ∣ x ∣ ≤ X ≤ 2 S − k であるから、s ( x ) s(x) s ( x ) の最小性によりs ≤ S s\le S s ≤ S である。s ( x ) s(x) s ( x ) の定義により∣ r ∣ = 2 − s ∣ x ∣ ≤ 2 − k = ρ ≤ 1 \lvert r\rvert=2^{-s}\lvert x\rvert\le2^{-k}=\rho\le1 ∣ r ∣ = 2 − s ∣ x ∣ ≤ 2 − k = ρ ≤ 1 である。
s = 0 s=0 s = 0 ならばr = x ∈ F r=x\in F r = x ∈ F である。s ≥ 1 s\ge1 s ≥ 1 ならば、s ( x ) s(x) s ( x ) の最小性により∣ x ∣ > 2 s − 1 − k \lvert x\rvert>2^{s-1-k} ∣ x ∣ > 2 s − 1 − k であるから、∣ r ∣ > 2 − k − 1 ≥ 2 e min \lvert r\rvert>2^{-k-1}\ge2^{e_{\min}} ∣ r ∣ > 2 − k − 1 ≥ 2 e m i n である。このとき∣ x ∣ ≥ ∣ r ∣ ≥ 2 e min \lvert x\rvert\ge\lvert r\rvert\ge2^{e_{\min}} ∣ x ∣ ≥ ∣ r ∣ ≥ 2 e m i n であり、ℓ : = e ( ∣ x ∣ ) \ell:=e(\lvert x\rvert) ℓ := e (∣ x ∣) を§E20.1 補題 1.2 の整数とすると2 ℓ ≤ ∣ x ∣ < 2 ℓ + 1 2^\ell\le\lvert x\rvert<2^{\ell+1} 2 ℓ ≤ ∣ x ∣ < 2 ℓ + 1 である。§E20.1 補題 1.3 (2) により1 ≤ ∣ m ∣ ≤ 2 p − 1 1\le\lvert m\rvert\le2^p-1 1 ≤ ∣ m ∣ ≤ 2 p − 1 を満たす整数m m m が存在してx = m s ℓ x=ms_\ell x = m s ℓ であり、r = m s ℓ − s r=ms_{\ell-s} r = m s ℓ − s である。2 e min < ∣ r ∣ < 2 ℓ + 1 − s 2^{e_{\min}}<\lvert r\rvert<2^{\ell+1-s} 2 e m i n < ∣ r ∣ < 2 ℓ + 1 − s からe min ≤ ℓ − s ≤ e max e_{\min}\le\ell-s\le e_{\max} e m i n ≤ ℓ − s ≤ e m a x であり、∣ r ∣ ≤ 1 ≤ N max \lvert r\rvert\le1\le N_{\max} ∣ r ∣ ≤ 1 ≤ N m a x であるから、§E20.1 補題 1.3 (1) によりr ∈ F r\in F r ∈ F である。
補題 4.1 によりy ^ 0 \hat y_0 y ^ 0 は定まり、( 1 − u ) 3 ≤ 1 + θ ≤ ( 1 − u ) − 3 (1-u)^3\le1+\theta\le(1-u)^{-3} ( 1 − u ) 3 ≤ 1 + θ ≤ ( 1 − u ) − 3 を満たすθ \theta θ が存在してy ^ 0 = r 1 , 1 ( r ) ( 1 + θ ) \hat y_0=r_{1,1}(r)(1+\theta) y ^ 0 = r 1 , 1 ( r ) ( 1 + θ ) である。ここでr 1 , 1 ( t ) : = ( 2 + t ) / ( 2 − t ) r_{1,1}(t):=(2+t)/(2-t) r 1 , 1 ( t ) := ( 2 + t ) / ( 2 − t ) である。a : = ∣ r 1 , 1 ( r ) e − r − 1 ∣ a:=\lvert r_{1,1}(r)e^{-r}-1\rvert a := ∣ r 1 , 1 ( r ) e − r − 1 ∣ と置くと、命題 2.1 (3) によりa ≤ K ∣ r ∣ 3 ≤ K ρ 3 a\le K\lvert r\rvert^3\le K\rho^3 a ≤ K ∣ r ∣ 3 ≤ K ρ 3 である。2 s a ≤ 2 S K ρ 3 ≤ σ < 1 2^sa\le2^SK\rho^3\le\sigma<1 2 s a ≤ 2 S K ρ 3 ≤ σ < 1 であるからa < 1 a<1 a < 1 であり、1 − a ≤ r 1 , 1 ( r ) e − r ≤ 1 + a ≤ ( 1 − a ) − 1 1-a\le r_{1,1}(r)e^{-r}\le1+a\le(1-a)^{-1} 1 − a ≤ r 1 , 1 ( r ) e − r ≤ 1 + a ≤ ( 1 − a ) − 1 である。ε 0 : = y ^ 0 e − r − 1 \varepsilon_0:=\hat y_0e^{-r}-1 ε 0 := y ^ 0 e − r − 1 と置くと
( 1 − a ) ( 1 − u ) 3 ≤ 1 + ε 0 ≤ ( ( 1 − a ) ( 1 − u ) 3 ) − 1 (1-a)(1-u)^3\le1+\varepsilon_0\le\bigl((1-a)(1-u)^3\bigr)^{-1} ( 1 − a ) ( 1 − u ) 3 ≤ 1 + ε 0 ≤ ( ( 1 − a ) ( 1 − u ) 3 ) − 1 であり、補題 3.2 により( 1 − a ) ( 1 − u ) 3 ≥ 1 − a − 3 u (1-a)(1-u)^3\ge1-a-3u ( 1 − a ) ( 1 − u ) 3 ≥ 1 − a − 3 u である。b : = a + 3 u b:=a+3u b := a + 3 u と置き、0 ≤ j ≤ s 0\le j\le s 0 ≤ j ≤ s に対して
σ j : = 2 j b + ( 2 j − 1 ) u = 2 j a + ( 2 j + 2 − 1 ) u \sigma_j:=2^jb+(2^j-1)u=2^ja+(2^{j+2}-1)u σ j := 2 j b + ( 2 j − 1 ) u = 2 j a + ( 2 j + 2 − 1 ) u と置く。σ j ≤ σ s ≤ 2 S K ρ 3 + ( 2 S + 2 − 1 ) u = σ < 1 \sigma_j\le\sigma_s\le2^SK\rho^3+(2^{S+2}-1)u=\sigma<1 σ j ≤ σ s ≤ 2 S K ρ 3 + ( 2 S + 2 − 1 ) u = σ < 1 であり、特にb = σ 0 < 1 b=\sigma_0<1 b = σ 0 < 1 であるから1 − b ≤ 1 + ε 0 ≤ ( 1 − b ) − 1 1-b\le1+\varepsilon_0\le(1-b)^{-1} 1 − b ≤ 1 + ε 0 ≤ ( 1 − b ) − 1 が成り立つ。
0 ≤ j ≤ s 0\le j\le s 0 ≤ j ≤ s に対して、y ^ 0 , … , y ^ j \hat y_0,\dots,\hat y_j y ^ 0 , … , y ^ j が定まり、0 ≤ i < j 0\le i<j 0 ≤ i < j について厳密な積y ^ i ⋅ y ^ i \hat y_i\cdot\hat y_i y ^ i ⋅ y ^ i が正規範囲にあり、1 − σ j ≤ y ^ j e − 2 j r ≤ ( 1 − σ j ) − 1 1-\sigma_j\le\hat y_je^{-2^jr}\le(1-\sigma_j)^{-1} 1 − σ j ≤ y ^ j e − 2 j r ≤ ( 1 − σ j ) − 1 が成り立つことをP ( j ) P(j) P ( j ) と書く。P ( 0 ) P(0) P ( 0 ) は前段で示した。j < s j<s j < s とし、P ( j ) P(j) P ( j ) が成り立つとする。∣ 2 j + 1 r ∣ ≤ 2 s ∣ r ∣ = ∣ x ∣ ≤ X \lvert2^{j+1}r\rvert\le2^s\lvert r\rvert=\lvert x\rvert\le X ∣ 2 j + 1 r ∣ ≤ 2 s ∣ r ∣ = ∣ x ∣ ≤ X とσ j ≤ σ \sigma_j\le\sigma σ j ≤ σ により、
y ^ j ⋅ y ^ j = e 2 j + 1 r ( y ^ j e − 2 j r ) 2 ∈ [ e − X ( 1 − σ ) 2 , e X ( 1 − σ ) − 2 ] \hat y_j\cdot\hat y_j=e^{2^{j+1}r}\bigl(\hat y_je^{-2^jr}\bigr)^2\in\bigl[e^{-X}(1-\sigma)^2,\;e^X(1-\sigma)^{-2}\bigr] y ^ j ⋅ y ^ j = e 2 j + 1 r ( y ^ j e − 2 j r ) 2 ∈ [ e − X ( 1 − σ ) 2 , e X ( 1 − σ ) − 2 ] であり、条件 (b) によりこの区間は正規範囲に含まれる。したがってy ^ j + 1 \hat y_{j+1} y ^ j + 1 は定まる。y ^ 0 \hat y_0 y ^ 0 からのj + 1 j+1 j + 1 回の繰り返す二乗に定理 3.3 (3) をs s s をj + 1 j+1 j + 1 として適用すると、1 − σ j + 1 ≤ y ^ j + 1 e − 2 j + 1 r ≤ ( 1 − σ j + 1 ) − 1 1-\sigma_{j+1}\le\hat y_{j+1}e^{-2^{j+1}r}\le(1-\sigma_{j+1})^{-1} 1 − σ j + 1 ≤ y ^ j + 1 e − 2 j + 1 r ≤ ( 1 − σ j + 1 ) − 1 であり、P ( j + 1 ) P(j+1) P ( j + 1 ) が成り立つ。j j j に関する帰納法によりP ( s ) P(s) P ( s ) が成り立つ。2 s r = x 2^sr=x 2 s r = x であるから、P ( s ) P(s) P ( s ) によりE k ( x ) = y ^ s E_k(x)=\hat y_s E k ( x ) = y ^ s は定まり、
1 − σ ≤ 1 − σ s ≤ E k ( x ) e − x ≤ ( 1 − σ s ) − 1 ≤ ( 1 − σ ) − 1 1-\sigma\le1-\sigma_s\le E_k(x)e^{-x}\le(1-\sigma_s)^{-1}\le(1-\sigma)^{-1} 1 − σ ≤ 1 − σ s ≤ E k ( x ) e − x ≤ ( 1 − σ s ) − 1 ≤ ( 1 − σ ) − 1 である。したがってE k ( x ) e − x − 1 ≤ σ / ( 1 − σ ) E_k(x)e^{-x}-1\le\sigma/(1-\sigma) E k ( x ) e − x − 1 ≤ σ / ( 1 − σ ) かつ1 − E k ( x ) e − x ≤ σ ≤ σ / ( 1 − σ ) 1-E_k(x)e^{-x}\le\sigma\le\sigma/(1-\sigma) 1 − E k ( x ) e − x ≤ σ ≤ σ / ( 1 − σ ) であり、両辺にe x > 0 e^x>0 e x > 0 を掛けて相対誤差の不等式を得る。▨
例 4.4. F = F ( 2 , 53 , − 1022 , 1023 ) F=F(2,53,-1022,1023) F = F ( 2 , 53 , − 1022 , 1023 ) 、u = 2 − 53 u=2^{-53} u = 2 − 53 とし、fl \operatorname{fl} fl を最近接偶数丸めとする。定理 4.3 のσ \sigma σ と上界σ / ( 1 − σ ) \sigma/(1-\sigma) σ / ( 1 − σ ) を 60 桁の十進演算で計算し、CPython の float で実行したE k ( x ) E_k(x) E k ( x ) の相対誤差( E k ( x ) − e x ) / e x (E_k(x)-e^x)/e^x ( E k ( x ) − e x ) / e x と並べる。以下に挙げるk k k のうちσ < 1 \sigma<1 σ < 1 を満たすものについて、定理 4.3 条件 (b) も成り立つ。
X = 1 X=1 X = 1 とするとS = k S=k S = k であり、σ = K 4 − k + ( 2 k + 2 − 1 ) u \sigma=K4^{-k}+(2^{k+2}-1)u σ = K 4 − k + ( 2 k + 2 − 1 ) u である。x = 1 x=1 x = 1 ではs ( 1 ) = k s(1)=k s ( 1 ) = k 、r ( 1 ) = 2 − k r(1)=2^{-k} r ( 1 ) = 2 − k である。
k k k
σ / ( 1 − σ ) \sigma/(1-\sigma) σ / ( 1 − σ )
E k ( 1 ) E_k(1) E k ( 1 ) の相対誤差(観察)
0 0 0
9.649 9.649 9.649
1.036 × 10 − 1 1.036\times10^{-1} 1.036 × 1 0 − 1
2 2 2
9.646 × 10 − 3 9.646\times10^{-3} 9.646 × 1 0 − 3
5.272 × 10 − 3 5.272\times10^{-3} 5.272 × 1 0 − 3
4 4 4
3.802 × 10 − 4 3.802\times10^{-4} 3.802 × 1 0 − 4
3.258 × 10 − 4 3.258\times10^{-4} 3.258 × 1 0 − 4
8 8 8
1.284 × 10 − 6 1.284\times10^{-6} 1.284 × 1 0 − 6
1.272 × 10 − 6 1.272\times10^{-6} 1.272 × 1 0 − 6
12 12 12
4.972 × 10 − 9 4.972\times10^{-9} 4.972 × 1 0 − 9
4.967 × 10 − 9 4.967\times10^{-9} 4.967 × 1 0 − 9
15 15 15
9.217 × 10 − 11 9.217\times10^{-11} 9.217 × 1 0 − 11
7.782 × 10 − 11 7.782\times10^{-11} 7.782 × 1 0 − 11
16 16 16
4.851 × 10 − 11 4.851\times10^{-11} 4.851 × 1 0 − 11
1.950 × 10 − 11 1.950\times10^{-11} 1.950 × 1 0 − 11
17 17 17
6.306 × 10 − 11 6.306\times10^{-11} 6.306 × 1 0 − 11
1.950 × 10 − 11 1.950\times10^{-11} 1.950 × 1 0 − 11
20 20 20
4.657 × 10 − 10 4.657\times10^{-10} 4.657 × 1 0 − 10
− 9.668 × 10 − 12 -9.668\times10^{-12} − 9.668 × 1 0 − 12
25 25 25
1.490 × 10 − 8 1.490\times10^{-8} 1.490 × 1 0 − 8
− 9.668 × 10 − 12 -9.668\times10^{-12} − 9.668 × 1 0 − 12
k ≤ 12 k\le12 k ≤ 12 では上界の大部分は第1項K 4 − k K4^{-k} K 4 − k であり、k ≥ 17 k\ge17 k ≥ 17 では第2項( 2 k + 2 − 1 ) u (2^{k+2}-1)u ( 2 k + 2 − 1 ) u である。x = 1 x=1 x = 1 の計算値の相対誤差は18 ≤ k ≤ 25 18\le k\le25 18 ≤ k ≤ 25 で− 9.668 × 10 − 12 -9.668\times10^{-12} − 9.668 × 1 0 − 12 のまま変わらず、上界だけが増加する。
X = 10 X=10 X = 10 とするとS = k + 4 S=k+4 S = k + 4 であり、σ = 16 K 4 − k + ( 2 k + 6 − 1 ) u \sigma=16K4^{-k}+(2^{k+6}-1)u σ = 16 K 4 − k + ( 2 k + 6 − 1 ) u である。k = 0 , 1 k=0,1 k = 0 , 1 ではσ = 14.50 , 1.099 \sigma=14.50,\ 1.099 σ = 14.50 , 1.099 であり、定理 4.3 条件 (a) は成り立たない。k = 2 , 8 , 16 , 20 , 25 k=2,8,16,20,25 k = 2 , 8 , 16 , 20 , 25 の上界σ / ( 1 − σ ) \sigma/(1-\sigma) σ / ( 1 − σ ) は順に1.804 × 10 − 1 1.804\times10^{-1} 1.804 × 1 0 − 1 、2.054 × 10 − 5 2.054\times10^{-5} 2.054 × 1 0 − 5 、7.761 × 10 − 10 7.761\times10^{-10} 7.761 × 1 0 − 10 、7.452 × 10 − 9 7.452\times10^{-9} 7.452 × 1 0 − 9 、2.384 × 10 − 7 2.384\times10^{-7} 2.384 × 1 0 − 7 であり、E k ( 10 ) E_k(10) E k ( 10 ) の相対誤差(観察)は順に2.063 × 10 − 2 2.063\times10^{-2} 2.063 × 1 0 − 2 、4.967 × 10 − 6 4.967\times10^{-6} 4.967 × 1 0 − 6 、7.362 × 10 − 11 7.362\times10^{-11} 7.362 × 1 0 − 11 、− 1.585 × 10 − 10 -1.585\times10^{-10} − 1.585 × 1 0 − 10 、4.454 × 10 − 8 4.454\times10^{-8} 4.454 × 1 0 − 8 である。x = 10 x=10 x = 10 ではk = 23 , 24 , 25 k=23,24,25 k = 23 , 24 , 25 で計算値の相対誤差の絶対値が10 − 8 10^{-8} 1 0 − 8 を超える。
X = 1 X=1 X = 1 で相対誤差10 − 10 10^{-10} 1 0 − 10 を要求する。( 1 + ρ ) e ρ > 1 (1+\rho)e^\rho>1 ( 1 + ρ ) e ρ > 1 かつ6 ( 2 − ρ ) < 12 6(2-\rho)<12 6 ( 2 − ρ ) < 12 であるからK > 1 / 12 K>1/12 K > 1/12 である。k ≤ 14 k\le14 k ≤ 14 ならばσ ≥ 4 − 14 / 12 > 3.1 × 10 − 10 \sigma\ge4^{-14}/12>3.1\times10^{-10} σ ≥ 4 − 14 /12 > 3.1 × 1 0 − 10 であり、k ≥ 18 k\ge18 k ≥ 18 ならばσ ≥ ( 2 20 − 1 ) u > 1.16 × 10 − 10 \sigma\ge(2^{20}-1)u>1.16\times10^{-10} σ ≥ ( 2 20 − 1 ) u > 1.16 × 1 0 − 10 である。k = 15 , 16 , 17 k=15,16,17 k = 15 , 16 , 17 の上界は10 − 10 10^{-10} 1 0 − 10 以下であるから、定理 4.3 が要求を保証する縮小の指定はk ∈ { 15 , 16 , 17 } k\in\{15,16,17\} k ∈ { 15 , 16 , 17 } だけである。相対誤差10 − 11 10^{-11} 1 0 − 11 を要求すると、k ≤ 15 k\le15 k ≤ 15 ならばσ ≥ 4 − 15 / 12 > 7.7 × 10 − 11 \sigma\ge4^{-15}/12>7.7\times10^{-11} σ ≥ 4 − 15 /12 > 7.7 × 1 0 − 11 、k = 16 k=16 k = 16 ならばσ > 4.8 × 10 − 11 \sigma>4.8\times10^{-11} σ > 4.8 × 1 0 − 11 、k ≥ 17 k\ge17 k ≥ 17 ならばσ ≥ ( 2 19 − 1 ) u > 5.8 × 10 − 11 \sigma\ge(2^{19}-1)u>5.8\times10^{-11} σ ≥ ( 2 19 − 1 ) u > 5.8 × 1 0 − 11 であるから、どのk k k でもσ > 10 − 11 \sigma>10^{-11} σ > 1 0 − 11 であり、定理 4.3 は相対誤差10 − 11 10^{-11} 1 0 − 11 を保証しない。他方、(1) で観察した18 ≤ k ≤ 25 18\le k\le25 18 ≤ k ≤ 25 におけるE k ( 1 ) E_k(1) E k ( 1 ) の相対誤差の絶対値9.668 × 10 − 12 9.668\times10^{-12} 9.668 × 1 0 − 12 は10 − 11 10^{-11} 1 0 − 11 未満である。σ \sigma σ の第1項2 S K ρ 3 2^SK\rho^3 2 S K ρ 3 の因子ρ 3 \rho^3 ρ 3 は命題 2.1 (3) の局所誤差K ∣ x ∣ 3 K\lvert x\rvert^3 K ∣ x ∣ 3 の次数3 3 3 から来るので、上界による保証を得るには近似の次数を上げることが一つの方針である。
5 演習
解答. 1 ≤ j ≤ k 1\le j\le k 1 ≤ j ≤ k に対してS j : = ∑ i = 1 j t i S_j:=\sum_{i=1}^jt_i S j := ∑ i = 1 j t i 、P j : = ∏ i = 1 j ( 1 − t i ) P_j:=\prod_{i=1}^j(1-t_i) P j := ∏ i = 1 j ( 1 − t i ) と置く。P 1 = 1 − t 1 = 1 − S 1 P_1=1-t_1=1-S_1 P 1 = 1 − t 1 = 1 − S 1 である。1 ≤ j < k 1\le j<k 1 ≤ j < k とし、P j ≥ 1 − S j P_j\ge1-S_j P j ≥ 1 − S j と仮定する。不等式P j ≥ 1 − S j P_j\ge1-S_j P j ≥ 1 − S j の両辺に1 − t j + 1 ≥ 0 1-t_{j+1}\ge0 1 − t j + 1 ≥ 0 を掛けると、S j ≥ 0 S_j\ge0 S j ≥ 0 とt j + 1 ≥ 0 t_{j+1}\ge0 t j + 1 ≥ 0 により
P j + 1 = P j ( 1 − t j + 1 ) ≥ ( 1 − S j ) ( 1 − t j + 1 ) = 1 − S j + 1 + S j t j + 1 ≥ 1 − S j + 1 P_{j+1}=P_j(1-t_{j+1})\ge(1-S_j)(1-t_{j+1})=1-S_{j+1}+S_jt_{j+1}\ge1-S_{j+1} P j + 1 = P j ( 1 − t j + 1 ) ≥ ( 1 − S j ) ( 1 − t j + 1 ) = 1 − S j + 1 + S j t j + 1 ≥ 1 − S j + 1 である。j j j に関する帰納法によりP k ≥ 1 − S k P_k\ge1-S_k P k ≥ 1 − S k が成り立つ。▨
問題 5.2. 指数関数の[ 2 / 2 ] [2/2] [ 2/2 ] 型の Padé 近似p / q p/q p / q を補題 1.3 により求め、C 2 , 2 C_{2,2} C 2 , 2 が正則であることを確かめよ。さらに、任意の実数x x x に対してq ( x ) > 0 q(x)>0 q ( x ) > 0 であり、∣ x ∣ ≤ 1 \lvert x\rvert\le1 ∣ x ∣ ≤ 1 ならばq ( x ) ≥ 7 / 12 q(x)\ge7/12 q ( x ) ≥ 7/12 であることを示せ。
解答. c i = 1 / i ! c_i=1/i! c i = 1/ i ! であるから
C 2 , 2 = ( c 2 c 1 c 3 c 2 ) = ( 1 / 2 1 1 / 6 1 / 2 ) , det C 2 , 2 = 1 4 − 1 6 = 1 12 ≠ 0 C_{2,2}=\begin{pmatrix}c_2&c_1\\c_3&c_2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1/2&1\\1/6&1/2\end{pmatrix},\qquad\det C_{2,2}=\frac14-\frac16=\frac1{12}\ne0 C 2 , 2 = ( c 2 c 3 c 1 c 2 ) = ( 1/2 1/6 1 1/2 ) , det C 2 , 2 = 4 1 − 6 1 = 12 1 = 0 であり、C 2 , 2 C_{2,2} C 2 , 2 は正則である。補題 1.3 (1) の二つ目の等式系は
1 2 b 1 + b 2 = − 1 6 , 1 6 b 1 + 1 2 b 2 = − 1 24 \frac12b_1+b_2=-\frac16,\qquad\frac16b_1+\frac12b_2=-\frac1{24} 2 1 b 1 + b 2 = − 6 1 , 6 1 b 1 + 2 1 b 2 = − 24 1 である。一つ目の式からb 2 = − 1 / 6 − b 1 / 2 b_2=-1/6-b_1/2 b 2 = − 1/6 − b 1 /2 であり、二つ目の式に代入すると− b 1 / 12 − 1 / 12 = − 1 / 24 -b_1/12-1/12=-1/24 − b 1 /12 − 1/12 = − 1/24 であるからb 1 = − 1 / 2 b_1=-1/2 b 1 = − 1/2 、b 2 = 1 / 12 b_2=1/12 b 2 = 1/12 である。一つ目の等式系からa 0 = c 0 = 1 a_0=c_0=1 a 0 = c 0 = 1 、a 1 = c 1 + b 1 c 0 = 1 / 2 a_1=c_1+b_1c_0=1/2 a 1 = c 1 + b 1 c 0 = 1/2 、a 2 = c 2 + b 1 c 1 + b 2 c 0 = 1 / 12 a_2=c_2+b_1c_1+b_2c_0=1/12 a 2 = c 2 + b 1 c 1 + b 2 c 0 = 1/12 である。補題 1.3 (2) により、三条件を満たす組は
p ( x ) = 1 + x 2 + x 2 12 , q ( x ) = 1 − x 2 + x 2 12 p(x)=1+\frac x2+\frac{x^2}{12},\qquad q(x)=1-\frac x2+\frac{x^2}{12} p ( x ) = 1 + 2 x + 12 x 2 , q ( x ) = 1 − 2 x + 12 x 2 だけであり、p / q p/q p / q が指数関数の[ 2 / 2 ] [2/2] [ 2/2 ] 型の Padé 近似である。q ( x ) = ( x − 3 ) 2 / 12 + 1 / 4 q(x)=(x-3)^2/12+1/4 q ( x ) = ( x − 3 ) 2 /12 + 1/4 であるから、任意の実数x x x に対してq ( x ) ≥ 1 / 4 > 0 q(x)\ge1/4>0 q ( x ) ≥ 1/4 > 0 である。∣ x ∣ ≤ 1 \lvert x\rvert\le1 ∣ x ∣ ≤ 1 ならば( x − 3 ) 2 ≥ 4 (x-3)^2\ge4 ( x − 3 ) 2 ≥ 4 であるからq ( x ) ≥ 4 / 12 + 1 / 4 = 7 / 12 q(x)\ge4/12+1/4=7/12 q ( x ) ≥ 4/12 + 1/4 = 7/12 であり、x = 1 x=1 x = 1 で等号が成り立つ。▨
問題 5.3. p ( x ) : = 1 + x / 2 + x 2 / 12 p(x):=1+x/2+x^2/12 p ( x ) := 1 + x /2 + x 2 /12 、q ( x ) : = 1 − x / 2 + x 2 / 12 q(x):=1-x/2+x^2/12 q ( x ) := 1 − x /2 + x 2 /12 と置く。任意の実数x x x に対してq ( x ) > 0 q(x)>0 q ( x ) > 0 であることを示し、r 2 , 2 ( x ) : = p ( x ) / q ( x ) r_{2,2}(x):=p(x)/q(x) r 2 , 2 ( x ) := p ( x ) / q ( x ) と置く。g ( x ) : = e x q ( x ) − p ( x ) g(x):=e^xq(x)-p(x) g ( x ) := e x q ( x ) − p ( x ) の0 0 0 における Taylor 展開の最初の零でない項を求め、∣ x ∣ ≤ 1 \lvert x\rvert\le1 ∣ x ∣ ≤ 1 ならば∣ g ( x ) ∣ ≤ ( 7 e / 1440 ) ∣ x ∣ 5 \lvert g(x)\rvert\le(7e/1440)\lvert x\rvert^5 ∣ g ( x )∣ ≤ ( 7 e /1440 ) ∣ x ∣ 5 であることを示せ。さらに、実数x x x を固定し、2 s ≥ ∣ x ∣ 2^s\ge\lvert x\rvert 2 s ≥ ∣ x ∣ を満たすs ∈ N ≥ 0 s\in\N s ∈ N ≥ 0 に対してt s : = 2 − s x t_s:=2^{-s}x t s := 2 − s x と置くとき、s s s によらない定数L ≥ 0 L\ge0 L ≥ 0 が存在して
∣ r 2 , 2 ( t s ) 2 s − e x ∣ ≤ L 2 − 4 s \bigl\lvert r_{2,2}(t_s)^{2^s}-e^x\bigr\rvert\le L\,2^{-4s} r 2 , 2 ( t s ) 2 s − e x ≤ L 2 − 4 s が成り立つことを示せ。
解答. q ( x ) = ( ( x − 3 ) 2 + 3 ) / 12 ≥ 1 / 4 q(x)=\bigl((x-3)^2+3\bigr)/12\ge1/4 q ( x ) = ( ( x − 3 ) 2 + 3 ) /12 ≥ 1/4 であるから、任意の実数x x x に対してq ( x ) > 0 q(x)>0 q ( x ) > 0 であり、r 2 , 2 r_{2,2} r 2 , 2 はR \R R の全体で定まる。∣ x ∣ ≤ 1 \lvert x\rvert\le1 ∣ x ∣ ≤ 1 ならば( x − 3 ) 2 ≥ 4 (x-3)^2\ge4 ( x − 3 ) 2 ≥ 4 であるからq ( x ) ≥ 7 / 12 q(x)\ge7/12 q ( x ) ≥ 7/12 である。
q ′ ( y ) = − 1 / 2 + y / 6 q'(y)=-1/2+y/6 q ′ ( y ) = − 1/2 + y /6 、q ′ ′ ( y ) = 1 / 6 q''(y)=1/6 q ′′ ( y ) = 1/6 であり、i ≥ 3 i\ge3 i ≥ 3 ならばq ( i ) = 0 q^{(i)}=0 q ( i ) = 0 、p ( i ) = 0 p^{(i)}=0 p ( i ) = 0 である。Leibniz の公式により、i ≥ 0 i\ge0 i ≥ 0 に対して
g ( i ) ( y ) = e y ( q ( y ) + i q ′ ( y ) + i ( i − 1 ) 2 q ′ ′ ( y ) ) − p ( i ) ( y ) g^{(i)}(y)=e^y\Bigl(q(y)+iq'(y)+\frac{i(i-1)}2q''(y)\Bigr)-p^{(i)}(y) g ( i ) ( y ) = e y ( q ( y ) + i q ′ ( y ) + 2 i ( i − 1 ) q ′′ ( y ) ) − p ( i ) ( y ) である。q ( 0 ) = 1 q(0)=1 q ( 0 ) = 1 、q ′ ( 0 ) = − 1 / 2 q'(0)=-1/2 q ′ ( 0 ) = − 1/2 、q ′ ′ ( 0 ) = 1 / 6 q''(0)=1/6 q ′′ ( 0 ) = 1/6 、p ( 0 ) = 1 p(0)=1 p ( 0 ) = 1 、p ′ ( 0 ) = 1 / 2 p'(0)=1/2 p ′ ( 0 ) = 1/2 、p ′ ′ ( 0 ) = 1 / 6 p''(0)=1/6 p ′′ ( 0 ) = 1/6 であるから
g ( i ) ( 0 ) = 1 − i 2 + i ( i − 1 ) 12 − p ( i ) ( 0 ) g^{(i)}(0)=1-\frac i2+\frac{i(i-1)}{12}-p^{(i)}(0) g ( i ) ( 0 ) = 1 − 2 i + 12 i ( i − 1 ) − p ( i ) ( 0 ) である。i = 0 , 1 , 2 , 3 , 4 i=0,1,2,3,4 i = 0 , 1 , 2 , 3 , 4 に対してこの値は順に1 − 1 1-1 1 − 1 、1 − 1 / 2 − 1 / 2 1-1/2-1/2 1 − 1/2 − 1/2 、1 − 1 + 1 / 6 − 1 / 6 1-1+1/6-1/6 1 − 1 + 1/6 − 1/6 、1 − 3 / 2 + 1 / 2 1-3/2+1/2 1 − 3/2 + 1/2 、1 − 2 + 1 1-2+1 1 − 2 + 1 であり、いずれも0 0 0 である。i = 5 i=5 i = 5 に対しては1 − 5 / 2 + 5 / 3 = 1 / 6 1-5/2+5/3=1/6 1 − 5/2 + 5/3 = 1/6 である。したがって最初の零でない項はg ( 5 ) ( 0 ) x 5 / 5 ! = x 5 / 720 g^{(5)}(0)x^5/5!=x^5/720 g ( 5 ) ( 0 ) x 5 /5 ! = x 5 /720 である。i = 5 i=5 i = 5 の式は
g ( 5 ) ( y ) = e y ( 1 − y 2 + y 2 12 − 5 2 + 5 y 6 + 10 6 ) = e y ( y 2 + 4 y + 2 ) 12 g^{(5)}(y)=e^y\Bigl(1-\frac y2+\frac{y^2}{12}-\frac52+\frac{5y}6+\frac{10}6\Bigr)=\frac{e^y(y^2+4y+2)}{12} g ( 5 ) ( y ) = e y ( 1 − 2 y + 12 y 2 − 2 5 + 6 5 y + 6 10 ) = 12 e y ( y 2 + 4 y + 2 ) である。§D1.16 定理 2.1 をa = 0 a=0 a = 0 とn = 5 n=5 n = 5 に適用すると、各x x x に対して∣ ξ ∣ ≤ ∣ x ∣ \lvert\xi\rvert\le\lvert x\rvert ∣ ξ ∣ ≤ ∣ x ∣ を満たす実数ξ \xi ξ が存在して
g ( x ) = g ( 5 ) ( ξ ) 120 x 5 = e ξ ( ξ 2 + 4 ξ + 2 ) 1440 x 5 g(x)=\frac{g^{(5)}(\xi)}{120}x^5=\frac{e^\xi(\xi^2+4\xi+2)}{1440}x^5 g ( x ) = 120 g ( 5 ) ( ξ ) x 5 = 1440 e ξ ( ξ 2 + 4 ξ + 2 ) x 5 が成り立つ。∣ x ∣ ≤ 1 \lvert x\rvert\le1 ∣ x ∣ ≤ 1 ならば∣ ξ ∣ ≤ 1 \lvert\xi\rvert\le1 ∣ ξ ∣ ≤ 1 であり、∣ ξ 2 + 4 ξ + 2 ∣ ≤ 1 + 4 + 2 = 7 \lvert\xi^2+4\xi+2\rvert\le1+4+2=7 ∣ ξ 2 + 4 ξ + 2 ∣ ≤ 1 + 4 + 2 = 7 、e ξ ≤ e e^\xi\le e e ξ ≤ e であるから、∣ g ( x ) ∣ ≤ ( 7 e / 1440 ) ∣ x ∣ 5 \lvert g(x)\rvert\le(7e/1440)\lvert x\rvert^5 ∣ g ( x )∣ ≤ ( 7 e /1440 ) ∣ x ∣ 5 である。
∣ t ∣ ≤ 1 \lvert t\rvert\le1 ∣ t ∣ ≤ 1 を満たす実数t t t に対してε ( t ) : = r 2 , 2 ( t ) e − t − 1 \varepsilon(t):=r_{2,2}(t)e^{-t}-1 ε ( t ) := r 2 , 2 ( t ) e − t − 1 と置くと、ε ( t ) = − g ( t ) e − t / q ( t ) \varepsilon(t)=-g(t)e^{-t}/q(t) ε ( t ) = − g ( t ) e − t / q ( t ) である。前段の表示をx = t x=t x = t に適用したときのξ \xi ξ は∣ ξ ∣ ≤ ∣ t ∣ ≤ 1 \lvert\xi\rvert\le\lvert t\rvert\le1 ∣ ξ ∣ ≤ ∣ t ∣ ≤ 1 を満たすから∣ g ( t ) ∣ ≤ 7 e ∣ t ∣ ∣ t ∣ 5 / 1440 \lvert g(t)\rvert\le7e^{\lvert t\rvert}\lvert t\rvert^5/1440 ∣ g ( t )∣ ≤ 7 e ∣ t ∣ ∣ t ∣ 5 /1440 であり、e − t ≤ e ∣ t ∣ e^{-t}\le e^{\lvert t\rvert} e − t ≤ e ∣ t ∣ とq ( t ) ≥ 7 / 12 q(t)\ge7/12 q ( t ) ≥ 7/12 により
∣ ε ( t ) ∣ ≤ 7 e 2 ∣ t ∣ ∣ t ∣ 5 1440 ⋅ 12 7 = e 2 ∣ t ∣ 120 ∣ t ∣ 5 ≤ C ∣ t ∣ 5 , C : = e 2 120 \lvert\varepsilon(t)\rvert\le\frac{7e^{2\lvert t\rvert}\lvert t\rvert^5}{1440}\cdot\frac{12}7=\frac{e^{2\lvert t\rvert}}{120}\lvert t\rvert^5\le C\lvert t\rvert^5,\qquad C:=\frac{e^2}{120} ∣ ε ( t )∣ ≤ 1440 7 e 2 ∣ t ∣ ∣ t ∣ 5 ⋅ 7 12 = 120 e 2 ∣ t ∣ ∣ t ∣ 5 ≤ C ∣ t ∣ 5 , C := 120 e 2 である。2 s ≥ ∣ x ∣ 2^s\ge\lvert x\rvert 2 s ≥ ∣ x ∣ ならば∣ t s ∣ ≤ 1 \lvert t_s\rvert\le1 ∣ t s ∣ ≤ 1 であり、N : = 2 s N:=2^s N := 2 s と置くと、N t s = x Nt_s=x N t s = x から
r 2 , 2 ( t s ) N = e N t s ( 1 + ε ( t s ) ) N = e x ( 1 + ε ( t s ) ) N r_{2,2}(t_s)^N=e^{Nt_s}\bigl(1+\varepsilon(t_s)\bigr)^N=e^x\bigl(1+\varepsilon(t_s)\bigr)^N r 2 , 2 ( t s ) N = e N t s ( 1 + ε ( t s ) ) N = e x ( 1 + ε ( t s ) ) N である。二項展開と三角不等式により∣ ( 1 + ε ) N − 1 ∣ ≤ ( 1 + ∣ ε ∣ ) N − 1 \lvert(1+\varepsilon)^N-1\rvert\le(1+\lvert\varepsilon\rvert)^N-1 ∣( 1 + ε ) N − 1 ∣ ≤ ( 1 + ∣ ε ∣ ) N − 1 であり、1 + ∣ ε ∣ ≤ e ∣ ε ∣ 1+\lvert\varepsilon\rvert\le e^{\lvert\varepsilon\rvert} 1 + ∣ ε ∣ ≤ e ∣ ε ∣ から( 1 + ∣ ε ∣ ) N − 1 ≤ e N ∣ ε ∣ − 1 (1+\lvert\varepsilon\rvert)^N-1\le e^{N\lvert\varepsilon\rvert}-1 ( 1 + ∣ ε ∣ ) N − 1 ≤ e N ∣ ε ∣ − 1 である。v ≥ 0 v\ge0 v ≥ 0 に対して、平均値の定理により0 ≤ ζ ≤ v 0\le\zeta\le v 0 ≤ ζ ≤ v を満たすζ \zeta ζ が存在してe v − 1 = v e ζ ≤ v e v e^v-1=ve^\zeta\le ve^v e v − 1 = v e ζ ≤ v e v である。v : = N ∣ ε ( t s ) ∣ v:=N\lvert\varepsilon(t_s)\rvert v := N ∣ ε ( t s )∣ と置くと
v ≤ 2 s C ∣ x ∣ 5 2 − 5 s = C ∣ x ∣ 5 2 − 4 s = C ∣ x ∣ ( ∣ x ∣ 2 s ) 4 ≤ C ∣ x ∣ v\le2^sC\lvert x\rvert^52^{-5s}=C\lvert x\rvert^52^{-4s}=C\lvert x\rvert\Bigl(\frac{\lvert x\rvert}{2^s}\Bigr)^4\le C\lvert x\rvert v ≤ 2 s C ∣ x ∣ 5 2 − 5 s = C ∣ x ∣ 5 2 − 4 s = C ∣ x ∣ ( 2 s ∣ x ∣ ) 4 ≤ C ∣ x ∣ であるから
∣ r 2 , 2 ( t s ) 2 s − e x ∣ = e x ∣ ( 1 + ε ( t s ) ) N − 1 ∣ ≤ e x v e v ≤ e x C ∣ x ∣ 5 e C ∣ x ∣ 2 − 4 s \bigl\lvert r_{2,2}(t_s)^{2^s}-e^x\bigr\rvert=e^x\bigl\lvert(1+\varepsilon(t_s))^N-1\bigr\rvert\le e^xve^v\le e^xC\lvert x\rvert^5e^{C\lvert x\rvert}\,2^{-4s} r 2 , 2 ( t s ) 2 s − e x = e x ( 1 + ε ( t s ) ) N − 1 ≤ e x v e v ≤ e x C ∣ x ∣ 5 e C ∣ x ∣ 2 − 4 s である。L : = e x C ∣ x ∣ 5 e C ∣ x ∣ L:=e^xC\lvert x\rvert^5e^{C\lvert x\rvert} L := e x C ∣ x ∣ 5 e C ∣ x ∣ はs s s によらない。▨