§E20.24解の継続法

最終更新

パラメータλ\lambdaを含む方程式F(x,λ)=0F(x,\lambda)=0では、あるλ\lambdaでの零点から出発し、λ\lambdaを少しずつ動かしながら零点を求め続けることが多い。陰関数定理によれば、零点(x0,λ0)(x_0,\lambda_0)でDxF(x0,λ0)D_xF(x_0,\lambda_0)が正則ならば、その近くの零点はλ\lambdaのC1C^1級関数x(λ)x(\lambda)として表され、その微分は一次方程式DxF x′=−DλFD_xF\,x'=-D_\lambda Fの解として得られる。この微分を用いて次のλ\lambdaでの零点を予測し、Newton 法で修正する。

しかし、DxFD_xFが正則でない零点では、λ\lambdaを独立変数とする表示そのものが成り立たなくなることがある。たとえばF(x,λ)=x2−λF(x,\lambda)=x^2-\lambdaの零点集合は放物線λ=x2\lambda=x^2であり、(0,0)(0,0)の近くではλ<0\lambda<0に零点が無く、λ>0\lambda>0には零点が二つあるから、零点をλ\lambdaから一意に定める表示は存在しない。それでも零点集合は(0,0)(0,0)を通る一本の曲線である。

そこでλ\lambdaを特別扱いせず、(x,λ)(x,\lambda)をRn+1\R^{n+1}の点とみて、拡大 Jacobi 行列DFDFの階数がnnである点、すなわち正則点の近くで、零点集合を曲線として追跡する。擬似弧長法は、単位接ベクトルの方向に予測を進め、直前の点と方向ベクトルから定まる一次の条件(擬似弧長条件)を方程式に加えて修正する。正則点でその点の単位接ベクトルを方向ベクトルにとれば、加えた系の Jacobi 行列はその点で正則であり、これはDxFD_xFが正則でない折返し点でも成り立つ。一方、二つの枝が交わる点では拡大 Jacobi 行列の階数がnnより小さくなり、どの擬似弧長条件を加えても拡大系は正則にならないため、折返し点とは性格が異なる。

本記事では、自然なパラメータによる継続と擬似弧長法を定式化し、その基本的な性質と数値例について解説する。

1 自然なパラメータによる継続

定義 1.1.n∈N≥1n\in\NN、U⊆Rn×RU\subseteq\R^n\times\Rを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とする。(x,λ)∈U(x,\lambda)\in Uについて、DxF(x,λ)∈Rn×nD_xF(x,\lambda)\in\R^{n\times n}とDλF(x,λ)∈RnD_\lambda F(x,\lambda)\in\R^nを、任意のh∈Rnh\in\R^n、μ∈R\mu\in\RについてDxF(x,λ)h=DF(x,λ)(h,0)D_xF(x,\lambda)h=DF(x,\lambda)(h,0)、DλF(x,λ)μ=DF(x,λ)(0,μ)D_\lambda F(x,\lambda)\mu=DF(x,\lambda)(0,\mu)を満たす行列とする。(x0,λ0)∈U(x_0,\lambda_0)\in UがF(x0,λ0)=0F(x_0,\lambda_0)=0を満たし、DxF(x0,λ0)D_xF(x_0,\lambda_0)が正則であるとし、Δλ∈R\Delta\lambda\in\Rとする。

  1. x˙0∈Rn\dot x_0\in\R^nを一次方程式DxF(x0,λ0)x˙0=−DλF(x0,λ0)D_xF(x_0,\lambda_0)\dot x_0=-D_\lambda F(x_0,\lambda_0)のただ一つの解とする。x0+Δλ x˙0x_0+\Delta\lambda\,\dot x_0を刻みΔλ\Delta\lambdaの 接線予測 (tangent predictor) といい、x0x_0を刻みΔλ\Delta\lambdaの 零次予測 (trivial predictor) という。
  2. λ1:=λ0+Δλ\lambda_1:=\lambda_0+\Delta\lambdaと置き、x^\hat xを刻みΔλ\Delta\lambdaの接線予測または零次予測とする。開集合{x∈Rn∣(x,λ1)∈U}\{x\in\R^n\mid(x,\lambda_1)\in U\}上の写像x↦F(x,λ1)x\mapsto F(x,\lambda_1)に対する Newton 法を初期値x^\hat xから反復し、停止判定が出力した点をx1x_1とする。(x0,λ0)(x_0,\lambda_0)から(x1,λ1)(x_1,\lambda_1)を得るこの手続きを 自然なパラメータによる継続 (natural parameter continuation) の一歩といい、その Newton 法の反復を 修正 (corrector) という。

補題 1.2.k∈N≥1k\in\NN、Q⊆Rk×RQ\subseteq\R^k\times\Rを開集合、G ⁣:Q→RkG\colon Q\to\R^kをC1C^1級の写像とし、(w,p)∈Q(w,p)\in QについてDuG(w,p)∈Rk×kD_uG(w,p)\in\R^{k\times k}を、任意のh∈Rkh\in\R^kについてDuG(w,p)h=DG(w,p)(h,0)D_uG(w,p)h=DG(w,p)(h,0)を満たす行列とする。p∈Rp\in\RについてQp:={w∈Rk∣(w,p)∈Q}Q_p:=\{w\in\R^k\mid(w,p)\in Q\}と置き、Gp ⁣:Qp→RkG_p\colon Q_p\to\R^kをGp(w):=G(w,p)G_p(w):=G(w,p)で定める。(u0,p0)∈Q(u_0,p_0)\in QについてM0:=DuG(u0,p0)M_0:=D_uG(u_0,p_0)が正則であるとし、β0:=∥M0−1∥2\beta_0:=\lVert M_0^{-1}\rVert_2と置く。V⊆RV\subseteq\Rをp0p_0の開近傍、u ⁣:V→Rku\colon V\to\R^kを連続写像とし、u(p0)=u0u(p_0)=u_0であり、任意のp∈Vp\in Vについて(u(p),p)∈Q(u(p),p)\in QかつG(u(p),p)=0G(u(p),p)=0であるとする。r0>0r_0>0、δ0>0\delta_0>0、γ≥0\gamma\ge0が、∣p−p0∣≤δ0\lvert p-p_0\rvert\le\delta_0を満たす任意のppについてB‾(u0,2r0)⊆Qp\overline B(u_0,2r_0)\subseteq Q_pと

∥DuG(v,p)−DuG(w,p)∥2≤γ∥v−w∥2(v,w∈B‾(u0,2r0))\lVert D_uG(v,p)-D_uG(w,p)\rVert_2\le\gamma\lVert v-w\rVert_2\qquad(v,w\in\overline B(u_0,2r_0))

を満たすとし、ρ1:=min⁡{r0,1/(4β0γ)}\rho_1:=\min\{r_0,1/(4\beta_0\gamma)\}(γ=0\gamma=0のときはρ1:=r0\rho_1:=r_0)と置く。u^ ⁣:[p0−δ0,p0+δ0]→Rk\hat u\colon[p_0-\delta_0,p_0+\delta_0]\to\R^kを、p0p_0で連続でu^(p0)=u0\hat u(p_0)=u_0を満たす写像とする。このときδ1∈(0,δ0]\delta_1\in(0,\delta_0]が存在して[p0−δ1,p0+δ1]⊆V[p_0-\delta_1,p_0+\delta_1]\subseteq Vであり、∣p−p0∣≤δ1\lvert p-p_0\rvert\le\delta_1を満たす任意のppについて次が成り立つ。

  1. u(p)u(p)はGpG_pの正則零点であって、半径r0r_0、定数γ\gammaの Lipschitz 条件を満たし、∥DuG(u(p),p)−1∥2≤2β0\lVert D_uG(u(p),p)^{-1}\rVert_2\le2\beta_0である。GpG_pのB‾(u(p),ρ1)\overline B(u(p),\rho_1)に属する零点はu(p)u(p)だけである。
  2. w0:=u^(p)w_0:=\hat u(p)からGpG_pに対する Newton 法の反復列(wj)j∈N≥0(w_j)_{j\in\N}が定まり、すべてのj∈N≥0j\in\Nについて ∥wj+1−u(p)∥2≤2β0γ∥wj−u(p)∥22,∥wj+1−u(p)∥2≤12∥wj−u(p)∥2\lVert w_{j+1}-u(p)\rVert_2\le2\beta_0\gamma\lVert w_j-u(p)\rVert_2^2,\qquad\lVert w_{j+1}-u(p)\rVert_2\le\frac12\lVert w_j-u(p)\rVert_2 が成り立ち、wj→u(p)w_j\to u(p)である。

証明.p↦DuG(u(p),p)p\mapsto D_uG(u(p),p)はVV上で連続であり、u^\hat uはp0p_0で連続でu^(p0)=u(p0)=u0\hat u(p_0)=u(p_0)=u_0であるから、δ1∈(0,δ0]\delta_1\in(0,\delta_0]を、[p0−δ1,p0+δ1]⊆V[p_0-\delta_1,p_0+\delta_1]\subseteq Vであり、∣p−p0∣≤δ1\lvert p-p_0\rvert\le\delta_1を満たす任意のppについて

∥u(p)−u0∥2≤r0,∥DuG(u(p),p)−M0∥2≤12β0,∥u^(p)−u(p)∥2≤ρ1\lVert u(p)-u_0\rVert_2\le r_0,\qquad\lVert D_uG(u(p),p)-M_0\rVert_2\le\frac1{2\beta_0},\qquad\lVert\hat u(p)-u(p)\rVert_2\le\rho_1

が成り立つようにとることができる。∣p−p0∣≤δ1\lvert p-p_0\rvert\le\delta_1を満たすppを固定する。GpG_pは開集合QpQ_p上の写像であり、§E4.3 定理 1.1によりC1C^1級でDGp(w)=DuG(w,p)DG_p(w)=D_uG(w,p)である。

D:=DuG(u(p),p)D:=D_uG(u(p),p)と置く。M0−1D=I−M0−1(M0−D)M_0^{-1}D=I-M_0^{-1}(M_0-D)であり、∥M0−1(M0−D)∥2≤β0⋅12β0=12\lVert M_0^{-1}(M_0-D)\rVert_2\le\beta_0\cdot\frac1{2\beta_0}=\frac12であるから、§E4.7 補題 1.1によりM0−1DM_0^{-1}Dは正則であって、その逆行列のノルムは22以下である。D=M0(M0−1D)D=M_0(M_0^{-1}D)は正則行列の積であるから正則であり、∥D−1∥2≤2β0\lVert D^{-1}\rVert_2\le2\beta_0である。Gp(u(p))=0G_p(u(p))=0であるから、u(p)u(p)はGpG_pの正則零点である。∥u(p)−u0∥2≤r0\lVert u(p)-u_0\rVert_2\le r_0と三角不等式からB‾(u(p),r0)⊆B‾(u0,2r0)⊆Qp\overline B(u(p),r_0)\subseteq\overline B(u_0,2r_0)\subseteq Q_pであり、仮定の不等式からu(p)u(p)は半径r0r_0、定数γ\gammaの Lipschitz 条件を満たす。

β:=∥D−1∥2\beta:=\lVert D^{-1}\rVert_2と置き、GpG_p、u(p)u(p)について§E20.23 定義 2.1が定める半径をρ\rhoとする。β≤2β0\beta\le2\beta_0からρ=min⁡{r0,1/(2βγ)}≥ρ1\rho=\min\{r_0,1/(2\beta\gamma)\}\ge\rho_1である(γ=0\gamma=0のときはρ=r0=ρ1\rho=r_0=\rho_1)。§E20.23 命題 3.1 (3)によりGpG_pのB‾(u(p),ρ)\overline B(u(p),\rho)に属する零点はu(p)u(p)だけであり、B‾(u(p),ρ1)⊆B‾(u(p),ρ)\overline B(u(p),\rho_1)\subseteq\overline B(u(p),\rho)であるから、(1)が従う。∥u^(p)−u(p)∥2≤ρ1≤ρ\lVert\hat u(p)-u(p)\rVert_2\le\rho_1\le\rhoであるから、§E20.23 定理 2.5 (2)をw0=u^(p)w_0=\hat u(p)に適用して、反復列が定まり、∥wj+1−u(p)∥2≤βγ∥wj−u(p)∥22≤2β0γ∥wj−u(p)∥22\lVert w_{j+1}-u(p)\rVert_2\le\beta\gamma\lVert w_j-u(p)\rVert_2^2\le2\beta_0\gamma\lVert w_j-u(p)\rVert_2^2と∥wj+1−u(p)∥2≤12∥wj−u(p)∥2\lVert w_{j+1}-u(p)\rVert_2\le\frac12\lVert w_j-u(p)\rVert_2とwj→u(p)w_j\to u(p)を得る。これで(2)は示された。▨

命題 1.3.nn、UU、FF、DxFD_xF、DλFD_\lambda F、(x0,λ0)(x_0,\lambda_0)、x˙0\dot x_0を定義 1.1のとおりとする。

  1. λ0\lambda_0を含む開区間VV、x0x_0の開近傍B⊆RnB\subseteq\R^n、C1C^1級写像x ⁣:V→Bx\colon V\to Bが存在して、x(λ0)=x0x(\lambda_0)=x_0であり、任意のλ∈V\lambda\in VについてF(x(λ),λ)=0F(x(\lambda),\lambda)=0かつDxF(x(λ),λ)D_xF(x(\lambda),\lambda)は正則であり、(w,λ)∈U(w,\lambda)\in U、w∈Bw\in B、λ∈V\lambda\in V、F(w,λ)=0F(w,\lambda)=0ならばw=x(λ)w=x(\lambda)である。さらにx′(λ)x'(\lambda)は一次方程式DxF(x(λ),λ)x′(λ)=−DλF(x(λ),λ)D_xF(x(\lambda),\lambda)x'(\lambda)=-D_\lambda F(x(\lambda),\lambda)のただ一つの解であり、特にx′(λ0)=x˙0x'(\lambda_0)=\dot x_0である。
  2. Δλ→0\Delta\lambda\to0のとき ∥x0+Δλ x˙0−x(λ0+Δλ)∥2∣Δλ∣→0,∥x0−x(λ0+Δλ)∥2∣Δλ∣→∥x˙0∥2\frac{\lVert x_0+\Delta\lambda\,\dot x_0-x(\lambda_0+\Delta\lambda)\rVert_2}{\lvert\Delta\lambda\rvert}\to0,\qquad\frac{\lVert x_0-x(\lambda_0+\Delta\lambda)\rVert_2}{\lvert\Delta\lambda\rvert}\to\lVert\dot x_0\rVert_2 である。
  3. r0>0r_0>0、δ0>0\delta_0>0、γ≥0\gamma\ge0が、∣λ−λ0∣≤δ0\lvert\lambda-\lambda_0\rvert\le\delta_0を満たす任意のλ\lambdaについてB‾(x0,2r0)×{λ}⊆U\overline B(x_0,2r_0)\times\{\lambda\}\subseteq Uと∥DxF(v,λ)−DxF(w,λ)∥2≤γ∥v−w∥2\lVert D_xF(v,\lambda)-D_xF(w,\lambda)\rVert_2\le\gamma\lVert v-w\rVert_2(v,w∈B‾(x0,2r0)v,w\in\overline B(x_0,2r_0))を満たすとし、β0:=∥DxF(x0,λ0)−1∥2\beta_0:=\lVert D_xF(x_0,\lambda_0)^{-1}\rVert_2と置く。このときδ1>0\delta_1>0が存在して、∣Δλ∣≤δ1\lvert\Delta\lambda\rvert\le\delta_1を満たす任意のΔλ\Delta\lambdaについて、刻みΔλ\Delta\lambdaの接線予測と零次予測のいずれを初期値としても、写像x↦F(x,λ0+Δλ)x\mapsto F(x,\lambda_0+\Delta\lambda)に対する Newton 法の反復列(wj)j∈N≥0(w_j)_{j\in\N}が定まり、x∗:=x(λ0+Δλ)x_*:=x(\lambda_0+\Delta\lambda)について ∥wj+1−x∗∥2≤2β0γ∥wj−x∗∥22,∥wj+1−x∗∥2≤12∥wj−x∗∥2\lVert w_{j+1}-x_*\rVert_2\le2\beta_0\gamma\lVert w_j-x_*\rVert_2^2,\qquad\lVert w_{j+1}-x_*\rVert_2\le\frac12\lVert w_j-x_*\rVert_2 がすべてのj∈N≥0j\in\Nで成り立ち、wj→x∗w_j\to x_*である。

証明.(1)を示す。§E20.22 命題 5.1をk=nk=n、q=1q=1、Q=UQ=U、G=FG=F、(u0,p0)=(x0,λ0)(u_0,p_0)=(x_0,\lambda_0)に適用すると、λ0\lambda_0の開近傍V0V_0、x0x_0の開近傍BB、C1C^1級写像x ⁣:V0→Bx\colon V_0\to Bが得られ、§E20.22 命題 5.1 (1)の性質と、§E20.22 命題 5.1 (2)をp˙=1\dot p=1に適用した一次方程式が成り立つ。VVをλ0\lambda_0を含みV0V_0に含まれる開区間とし、xxをVVへ制限する。λ=λ0\lambda=\lambda_0における一次方程式はx˙0\dot x_0を定める方程式であり、その解はただ一つであるからx′(λ0)=x˙0x'(\lambda_0)=\dot x_0である。

(2)を示す。xxはλ0\lambda_0で微分可能でx′(λ0)=x˙0x'(\lambda_0)=\dot x_0であるから、(x(λ0+Δλ)−x0−Δλ x˙0)/Δλ→0\bigl(x(\lambda_0+\Delta\lambda)-x_0-\Delta\lambda\,\dot x_0\bigr)/\Delta\lambda\to0である。これは第一の極限であり、(x0−x(λ0+Δλ))/Δλ→−x˙0\bigl(x_0-x(\lambda_0+\Delta\lambda)\bigr)/\Delta\lambda\to-\dot x_0とノルムの連続性から第二の極限を得る。

(3)を示す。u^1(λ):=x0+(λ−λ0)x˙0\hat u_1(\lambda):=x_0+(\lambda-\lambda_0)\dot x_0とu^2(λ):=x0\hat u_2(\lambda):=x_0は連続であり、u^1(λ0)=u^2(λ0)=x0\hat u_1(\lambda_0)=\hat u_2(\lambda_0)=x_0である。i=1,2i=1,2について、補題 1.2をk=nk=n、Q=UQ=U、G=FG=F、(u0,p0)=(x0,λ0)(u_0,p_0)=(x_0,\lambda_0)、(1)のVVとxx、u^=u^i\hat u=\hat u_iに適用して得られるδ1\delta_1をδ1(i)\delta_1^{(i)}とする。DuG=DxFD_uG=D_xFであり、δ1:=min⁡{δ1(1),δ1(2)}\delta_1:=\min\{\delta_1^{(1)},\delta_1^{(2)}\}について補題 1.2 (2)が主張の結論である。▨

2 折返し

例 2.1.F ⁣:R×R→RF\colon\R\times\R\to\RをF(x,λ):=x2−λF(x,\lambda):=x^2-\lambdaで定める。DxF(x,λ)=2xD_xF(x,\lambda)=2x、DλF(x,λ)=−1D_\lambda F(x,\lambda)=-1であり、F−1(0)={(x,x2)∣x∈R}F^{-1}(0)=\{(x,x^2)\mid x\in\R\}である。

  1. (x0,λ0)∈F−1(0)(x_0,\lambda_0)\in F^{-1}(0)でx0≠0x_0\ne0ならばDxF(x0,λ0)=2x0≠0D_xF(x_0,\lambda_0)=2x_0\ne0であり、定義 1.1のx˙0\dot x_0はx˙0=1/(2x0)\dot x_0=1/(2x_0)である。x0→0x_0\to0のとき∣x˙0∣→∞\lvert\dot x_0\rvert\to\inftyである。
  2. (0,0)(0,0)ではDxF(0,0)=0D_xF(0,0)=0である。λ<0\lambda<0ならば任意のxxについてF(x,λ)=x2−λ>0F(x,\lambda)=x^2-\lambda>0であるから、00を含む開区間VV上の写像xxで、任意のλ∈V\lambda\in VについてF(x(λ),λ)=0F(x(\lambda),\lambda)=0を満たすものは存在しない。
  3. 任意のε>0\varepsilon>0と0<λ<ε20<\lambda<\varepsilon^2について、λ\sqrt\lambdaと−λ-\sqrt\lambdaは(−ε,ε)(-\varepsilon,\varepsilon)に属するF(⋅,λ)F(\cdot,\lambda)の相異なる零点である。したがって(0,0)(0,0)のどの近傍でも、零点はλ\lambdaから一意に定まらない。[0,∞)[0,\infty)上の写像λ↦λ\lambda\mapsto\sqrt\lambdaはF(λ,λ)=0F(\sqrt\lambda,\lambda)=0を満たすが、λ→+0\lambda\to+0のとき(λ−0)/λ=λ−1/2→∞(\sqrt\lambda-0)/\lambda=\lambda^{-1/2}\to\inftyであり、00で右微分可能でない。

3 拡大 Jacobi 行列と解曲線

定義 3.1.n∈N≥1n\in\NN、U⊆Rn+1U\subseteq\R^{n+1}を開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とし、全微分DF(z)DF(z)をn×(n+1)n\times(n+1)行列と同一視して、FFのzzにおける 拡大 Jacobi 行列 (augmented Jacobian matrix) という。Rn×R\R^n\times\RをRn+1\R^{n+1}と同一視してz=(x,λ)z=(x,\lambda)と書くときは、DF(z)=(DxF(z)DλF(z))DF(z)=\begin{pmatrix}D_xF(z)&D_\lambda F(z)\end{pmatrix}である。

  1. rank⁡DF(z)=n\operatorname{rank}DF(z)=nであるz∈Uz\in UをFFの 正則点 (regular point) といい、rank⁡DF(z)<n\operatorname{rank}DF(z)<nであるz∈Uz\in UをFFの 特異点 (singular point) という。
  2. zzをFFの正則点とする。次元定理によりker⁡DF(z)\ker DF(z)は一次元であり、そのノルム11の元はちょうど二つあって、互いに他の−1-1倍である。そのそれぞれをFFのzzにおける 単位接ベクトル (unit tangent vector) という。

命題 3.2.nn、UU、FFを定義 3.1のとおりとし、z0∈F−1(0)z_0\in F^{-1}(0)をFFの正則点とする。このときz0z_0の開近傍W⊆UW\subseteq U、00を含む開区間II、単射なC1C^1級写像c ⁣:I→Wc\colon I\to Wが存在して、次が成り立つ。

  1. c(0)=z0c(0)=z_0であり、F−1(0)∩W=c(I)F^{-1}(0)\cap W=c(I)である。
  2. 任意のσ∈I\sigma\in Iについて、c(σ)c(\sigma)はFFの正則点であり、c′(σ)≠0c'(\sigma)\ne0かつker⁡DF(c(σ))=Rc′(σ)\ker DF(c(\sigma))=\R c'(\sigma)である。

証明.rank⁡DF(z0)=n\operatorname{rank}DF(z_0)=nであるから、DF(z0)DF(z_0)のn+1n+1個の列のうちnn個で一次独立なものがある。残る列の番号をjjとし、線形同型P ⁣:Rn×R→Rn+1P\colon\R^n\times\R\to\R^{n+1}を

P(w,p):=(w1,…,wj−1,p,wj,…,wn)P(w,p):=(w_1,\dots,w_{j-1},p,w_j,\dots,w_n)

で定める。Q:=P−1(U)Q:=P^{-1}(U)は開集合であり、G:=F∘P ⁣:Q→RnG:=F\circ P\colon Q\to\R^nは§E4.3 定理 1.1によりC1C^1級で、DG(w,p)(h,μ)=DF(P(w,p))P(h,μ)DG(w,p)(h,\mu)=DF(P(w,p))P(h,\mu)である。したがって、§E20.22 命題 5.1の記号でDuG(w,p)D_uG(w,p)はDF(P(w,p))DF(P(w,p))から第jj列を除いたnn次正方行列である。(w0,p0):=P−1(z0)(w_0,p_0):=P^{-1}(z_0)と置くとG(w0,p0)=0G(w_0,p_0)=0であり、DuG(w0,p0)D_uG(w_0,p_0)は正則である。§E20.22 命題 5.1をk=nk=n、q=1q=1として適用し、p0p_0の開近傍V0V_0、w0w_0の開近傍BB、C1C^1級写像u ⁣:V0→Bu\colon V_0\to Bをとる。V⊆V0V\subseteq V_0をp0p_0を含む開区間とし、

I:={σ∈R∣p0+σ∈V},W:=P((B×V)∩Q),c(σ):=P(u(p0+σ),p0+σ)I:=\{\sigma\in\R\mid p_0+\sigma\in V\},\qquad W:=P\bigl((B\times V)\cap Q\bigr),\qquad c(\sigma):=P\bigl(u(p_0+\sigma),p_0+\sigma\bigr)

と置く。IIは00を含む開区間、WWはz0z_0を含むUUの開集合であり、G(u(p),p)=0G(u(p),p)=0から(u(p),p)∈Q(u(p),p)\in Qであるのでc(I)⊆Wc(I)\subseteq Wである。ccはC1C^1級であり、c(σ)c(\sigma)の第jj成分はp0+σp_0+\sigmaであるからccは単射である。

(1)を示す。u(p0)=w0u(p_0)=w_0からc(0)=z0c(0)=z_0であり、§E20.22 命題 5.1 (1)によりF(c(σ))=G(u(p0+σ),p0+σ)=0F(c(\sigma))=G(u(p_0+\sigma),p_0+\sigma)=0である。逆にz∈F−1(0)∩Wz\in F^{-1}(0)\cap Wとし、(w,p):=P−1(z)(w,p):=P^{-1}(z)と置くと、w∈Bw\in B、p∈Vp\in V、(w,p)∈Q(w,p)\in Q、G(w,p)=0G(w,p)=0であるから、§E20.22 命題 5.1 (1)によりw=u(p)w=u(p)であり、z=c(p−p0)z=c(p-p_0)である。

(2)を示す。σ∈I\sigma\in Iとし、p:=p0+σp:=p_0+\sigmaと置く。§E20.22 命題 5.1 (2)によりDuG(u(p),p)D_uG(u(p),p)は正則であるから、DF(c(σ))DF(c(\sigma))の第jj列以外のnn列は一次独立であり、c(σ)c(\sigma)はFFの正則点である。c′(σ)=P(u′(p),1)c'(\sigma)=P(u'(p),1)の第jj成分は11であるからc′(σ)≠0c'(\sigma)\ne0である。II上でF∘c=0F\circ c=0であるから、§E4.3 定理 1.1によりDF(c(σ))c′(σ)=0DF(c(\sigma))c'(\sigma)=0である。ker⁡DF(c(σ))\ker DF(c(\sigma))は一次元であるからker⁡DF(c(σ))=Rc′(σ)\ker DF(c(\sigma))=\R c'(\sigma)である。▨

定義 3.3.n∈N≥1n\in\NN、U⊆Rn×RU\subseteq\R^n\times\Rを開集合、F ⁣:U→RnF\colon U\to\R^nをC1C^1級の写像とする。z0∈F−1(0)z_0\in F^{-1}(0)がFFの正則点であり、DxF(z0)D_xF(z_0)が正則でないとき、z0z_0をFFの 折返し点 (turning point) という。

命題 3.4.nn、UU、FFを定義 3.3のとおりとし、z0∈F−1(0)z_0\in F^{-1}(0)をFFの正則点、t=(tx,tλ)∈Rn×Rt=(t_x,t_\lambda)\in\R^n\times\Rをz0z_0における単位接ベクトルとする。

  1. z0z_0が折返し点であることとtλ=0t_\lambda=0は同値である。
  2. 命題 3.2のccの最後の成分をcλc_\lambdaと書く。z0z_0が折返し点であることとcλ′(0)=0c_\lambda'(0)=0は同値である。

証明.(1)の証明は演習とする(問題 7.1)。命題 3.2 (2)によりc′(0)=αtc'(0)=\alpha tを満たすα≠0\alpha\ne0があり、cλ′(0)=αtλc_\lambda'(0)=\alpha t_\lambdaであるから、(2)は(1)から従う。▨

注意 3.5. 折返し点の定義はcλ′(0)=0c_\lambda'(0)=0だけを課し、cλc_\lambdaが00で極値をとることを課さない。例 2.1のF(x,λ)=x2−λF(x,\lambda)=x^2-\lambdaでは、c(σ)=(σ,σ2)c(\sigma)=(\sigma,\sigma^2)についてcλc_\lambdaは00で狭義の極小をとる。F(x,λ):=x3−λF(x,\lambda):=x^3-\lambdaでは、DF(0,0)=(0−1)DF(0,0)=\begin{pmatrix}0&-1\end{pmatrix}であるから(0,0)(0,0)は折返し点であり、c(σ)=(σ,σ3)c(\sigma)=(\sigma,\sigma^3)についてcλc_\lambdaは00で極値をとらない。このFFでは、各λ\lambdaについてF(⋅,λ)F(\cdot,\lambda)の零点はλ1/3\lambda^{1/3}だけであり、λ↦λ1/3\lambda\mapsto\lambda^{1/3}は00で微分可能でない。

4 擬似弧長法

定理 4.1.nn、UU、FFを定義 3.1のとおりとし、z∈Uz\in U、w∈Rn+1w\in\R^{n+1}とする。en+1e_{n+1}をRn+1\R^{n+1}の第n+1n+1標準基底ベクトルとし、n+1n+1次正方行列

M(z,w):=(DF(z)wT)M(z,w):=\begin{pmatrix}DF(z)\\w^{\mathsf T}\end{pmatrix}

を考える。

  1. zzがFFの特異点ならば、任意のwwについてM(z,w)M(z,w)は正則でない。
  2. zzがFFの正則点であり、ttがzzにおける単位接ベクトルであるとき、M(z,w)M(z,w)が正則であることとwTt≠0w^{\mathsf T}t\ne0は同値である。特にM(z,t)M(z,t)は正則であり、∥w∥2=1\lVert w\rVert_2=1かつ∥w−t∥2<2\lVert w-t\rVert_2<\sqrt2ならばM(z,w)M(z,w)は正則である。
  3. M(z,w)M(z,w)が正則ならば、zzはFFの正則点であり、v:=M(z,w)−1en+1v:=M(z,w)^{-1}e_{n+1}はwTv=1w^{\mathsf T}v=1を満たすker⁡DF(z)\ker DF(z)の元であって、v/∥v∥2v/\lVert v\rVert_2はzzにおける単位接ベクトルである。

証明.(1)を示す。M(z,w)M(z,w)の最初のnn行が張る部分空間の次元はrank⁡DF(z)≤n−1\operatorname{rank}DF(z)\le n-1であるから、rank⁡M(z,w)≤n<n+1\operatorname{rank}M(z,w)\le n<n+1であり、M(z,w)M(z,w)は正則でない。

(2)を示す。wTt≠0w^{\mathsf T}t\ne0とし、v∈Rn+1v\in\R^{n+1}がM(z,w)v=0M(z,w)v=0を満たすとする。DF(z)v=0DF(z)v=0であり、ker⁡DF(z)=Rt\ker DF(z)=\R tであるから、あるα∈R\alpha\in\Rについてv=αtv=\alpha tである。0=wTv=α wTt0=w^{\mathsf T}v=\alpha\,w^{\mathsf T}tからα=0\alpha=0であり、v=0v=0である。正方行列M(z,w)M(z,w)の核は{0}\{0\}であるから、M(z,w)M(z,w)は正則である。逆にwTt=0w^{\mathsf T}t=0ならば、M(z,w)t=(DF(z)t, wTt)=0M(z,w)t=\bigl(DF(z)t,\,w^{\mathsf T}t\bigr)=0かつt≠0t\ne0であるから、M(z,w)M(z,w)は正則でない。tTt=1≠0t^{\mathsf T}t=1\ne0であるからM(z,t)M(z,t)は正則である。∥w∥2=1\lVert w\rVert_2=1ならば2wTt=∥w∥22+∥t∥22−∥w−t∥22=2−∥w−t∥222w^{\mathsf T}t=\lVert w\rVert_2^2+\lVert t\rVert_2^2-\lVert w-t\rVert_2^2=2-\lVert w-t\rVert_2^2であり、∥w−t∥2<2\lVert w-t\rVert_2<\sqrt2のときwTt>0w^{\mathsf T}t>0である。

(3)を示す。(1)によりzzはFFの特異点でないから、正則点である。M(z,w)v=en+1M(z,w)v=e_{n+1}はDF(z)v=0DF(z)v=0かつwTv=1w^{\mathsf T}v=1を意味する。特にv≠0v\ne0であり、v/∥v∥2v/\lVert v\rVert_2はker⁡DF(z)\ker DF(z)のノルム11の元であるから、zzにおける単位接ベクトルである。▨

定義 4.2.nn、UU、FFを定義 3.1のとおりとし、M(z,w)M(z,w)とen+1e_{n+1}を定理 4.1のとおりとする。z0∈Uz_0\in U、∥t0∥2=1\lVert t_0\rVert_2=1を満たすt0∈Rn+1t_0\in\R^{n+1}、Δs∈R\Delta s\in\Rをとり、τ≥0\tau\ge0とkmax⁡∈N≥0k_{\max}\in\Nを定める。

  1. 方程式t0T(z−z0)=Δst_0^{\mathsf T}(z-z_0)=\Delta sを、z0z_0、t0t_0、刻みΔs\Delta sの 擬似弧長条件 (pseudo-arclength condition) という。H ⁣:U→Rn+1H\colon U\to\R^{n+1}を H(z):=(F(z)t0T(z−z0)−Δs)H(z):=\begin{pmatrix}F(z)\\t_0^{\mathsf T}(z-z_0)-\Delta s\end{pmatrix} で定める。HHはC1C^1級であり、DH(z)=M(z,t0)DH(z)=M(z,t_0)である。
  2. z^:=z0+Δs t0\hat z:=z_0+\Delta s\,t_0を予測点とし、HHに対する Newton 法をz^\hat zから反復する。残差判定∥H(z)∥2≤τ\lVert H(z)\rVert_2\le\tauがkmax⁡k_{\max}回以内の反復で成り立ち、その点z1z_1でM(z1,t0)M(z_1,t_0)が正則ならば、v:=M(z1,t0)−1en+1v:=M(z_1,t_0)^{-1}e_{n+1}、t1:=v/∥v∥2t_1:=v/\lVert v\rVert_2と置いて(z1,t1)(z_1,t_1)と反復回数を出力し、そうでなければ失敗を出力する。(z0,t0)(z_0,t_0)から(z1,t1)(z_1,t_1)を得るこの手続きを、刻みΔs\Delta sの 擬似弧長法 (pseudo-arclength continuation) の一歩という。
  3. Δs>0\Delta s>0とし、Δsmax⁡≥Δs\Delta s_{\max}\ge\Delta sとklow∈N≥0k_{\mathrm{low}}\in\Nを定める。一歩が失敗を出力したときは、Δs\Delta sをΔs/2\Delta s/2に替えて同じ(z0,t0)(z_0,t_0)から一歩をやり直す。一歩が(z1,t1)(z_1,t_1)を出力したときは、その反復回数がklowk_{\mathrm{low}}以下ならば(z1,t1)(z_1,t_1)からの次の一歩の刻みをmin⁡{2Δs,Δsmax⁡}\min\{2\Delta s,\Delta s_{\max}\}とし、そうでなければΔs\Delta sとする。

注意 4.3.t0T(z^−z0)=Δs t0Tt0=Δst_0^{\mathsf T}(\hat z-z_0)=\Delta s\,t_0^{\mathsf T}t_0=\Delta sであるから、擬似弧長条件を満たすz∈Rn+1z\in\R^{n+1}の全体は、予測点z^=z0+Δs t0\hat z=z_0+\Delta s\,t_0を通りt0t_0に直交する超平面である。HHの零点はF−1(0)F^{-1}(0)とこの超平面の共通部分の点であり、修正はその点を求める反復である。HHの零点zzについて、Δs\Delta sはz−z0z-z_0のt0t_0方向への符号付きの射影の長さであり、一般にはz0z_0からzzまでの距離とも解曲線の弧長とも異なる。Cauchy–Schwarz の不等式から∣Δs∣=∣t0T(z−z0)∣≤∥z−z0∥2\lvert\Delta s\rvert=\lvert t_0^{\mathsf T}(z-z_0)\rvert\le\lVert z-z_0\rVert_2である。F(x,λ):=x2−λF(x,\lambda):=x^2-\lambda、z0:=(0,0)z_0:=(0,0)、t0:=(1,0)t_0:=(1,0)ではDF(0,0)t0=(0−1)t0=0DF(0,0)t_0=\begin{pmatrix}0&-1\end{pmatrix}t_0=0であり、H(x,λ)=(x2−λ, x−Δs)H(x,\lambda)=(x^2-\lambda,\,x-\Delta s)の零点は(Δs,Δs2)(\Delta s,\Delta s^2)だけである。Δs≠0\Delta s\ne0ならば∥(Δs,Δs2)∥2=∣Δs∣1+Δs2>∣Δs∣\lVert(\Delta s,\Delta s^2)\rVert_2=\lvert\Delta s\rvert\sqrt{1+\Delta s^2}>\lvert\Delta s\rvertであり、解曲線σ↦(σ,σ2)\sigma\mapsto(\sigma,\sigma^2)に沿う(0,0)(0,0)から(Δs,Δs2)(\Delta s,\Delta s^2)までの弧長は∫0∣Δs∣1+4σ2 dσ>∣Δs∣\int_0^{\lvert\Delta s\rvert}\sqrt{1+4\sigma^2}\,d\sigma>\lvert\Delta s\rvertである。

命題 4.4.nn、UU、FFを定義 3.1のとおりとし、M(z,w)M(z,w)とen+1e_{n+1}を定理 4.1のとおりとする。z0∈F−1(0)z_0\in F^{-1}(0)をFFの正則点、t0t_0をz0z_0における単位接ベクトルとし、Δs∈R\Delta s\in\Rについて定義 4.2 (1)のHHをHΔsH_{\Delta s}と書く。r0>0r_0>0、γ≥0\gamma\ge0がB‾(z0,2r0)⊆U\overline B(z_0,2r_0)\subseteq Uと

∥DF(v)−DF(w)∥2≤γ∥v−w∥2(v,w∈B‾(z0,2r0))\lVert DF(v)-DF(w)\rVert_2\le\gamma\lVert v-w\rVert_2\qquad(v,w\in\overline B(z_0,2r_0))

を満たすとし、β0:=∥M(z0,t0)−1∥2\beta_0:=\lVert M(z_0,t_0)^{-1}\rVert_2、ρ1:=min⁡{r0,1/(4β0γ)}\rho_1:=\min\{r_0,1/(4\beta_0\gamma)\}(γ=0\gamma=0のときはρ1:=r0\rho_1:=r_0)と置く。このとき00を含む開区間VV、C1C^1級写像ζ ⁣:V→U\zeta\colon V\to U、[−s1,s1]⊆V[-s_1,s_1]\subseteq Vを満たすs1>0s_1>0が存在して、次が成り立つ。

  1. ζ(0)=z0\zeta(0)=z_0、ζ′(0)=t0\zeta'(0)=t_0であり、任意のΔs∈V\Delta s\in VについてF(ζ(Δs))=0F(\zeta(\Delta s))=0かつt0T(ζ(Δs)−z0)=Δst_0^{\mathsf T}(\zeta(\Delta s)-z_0)=\Delta sである。特にΔs→0\Delta s\to0のとき∥z0+Δs t0−ζ(Δs)∥2/∣Δs∣→0\lVert z_0+\Delta s\,t_0-\zeta(\Delta s)\rVert_2/\lvert\Delta s\rvert\to0である。
  2. ∣Δs∣≤s1\lvert\Delta s\rvert\le s_1ならば、ζ(Δs)\zeta(\Delta s)はHΔsH_{\Delta s}の正則零点であり、HΔsH_{\Delta s}のB‾(ζ(Δs),ρ1)\overline B(\zeta(\Delta s),\rho_1)に属する零点はζ(Δs)\zeta(\Delta s)だけである。さらに、予測点w0:=z0+Δs t0w_0:=z_0+\Delta s\,t_0からHΔsH_{\Delta s}に対する Newton 法の反復列(wj)j∈N≥0(w_j)_{j\in\N}が定まり、すべてのj∈N≥0j\in\Nについて ∥wj+1−ζ(Δs)∥2≤2β0γ∥wj−ζ(Δs)∥22,∥wj+1−ζ(Δs)∥2≤12∥wj−ζ(Δs)∥2\lVert w_{j+1}-\zeta(\Delta s)\rVert_2\le2\beta_0\gamma\lVert w_j-\zeta(\Delta s)\rVert_2^2,\qquad\lVert w_{j+1}-\zeta(\Delta s)\rVert_2\le\frac12\lVert w_j-\zeta(\Delta s)\rVert_2 が成り立ち、wj→ζ(Δs)w_j\to\zeta(\Delta s)である。
  3. ∣Δs∣≤s1\lvert\Delta s\rvert\le s_1ならば、ζ(Δs)\zeta(\Delta s)はFFの正則点であり、M(ζ(Δs),t0)M(\zeta(\Delta s),t_0)は正則である。v:=M(ζ(Δs),t0)−1en+1v:=M(\zeta(\Delta s),t_0)^{-1}e_{n+1}について、t1:=v/∥v∥2t_1:=v/\lVert v\rVert_2はζ(Δs)\zeta(\Delta s)における単位接ベクトルであり、t0Tt1>0t_0^{\mathsf T}t_1>0を満たす。

証明.Q:=U×RQ:=U\times\Rと置き、G ⁣:Q→Rn+1G\colon Q\to\R^{n+1}をG(z,s):=Hs(z)=(F(z), t0T(z−z0)−s)G(z,s):=H_s(z)=\bigl(F(z),\,t_0^{\mathsf T}(z-z_0)-s\bigr)で定める。GGはC1C^1級であり、§E20.22 命題 5.1の記号でDuG(z,s)=M(z,t0)D_uG(z,s)=M(z,t_0)、DpG(z,s)=−en+1D_pG(z,s)=-e_{n+1}である。F(z0)=0F(z_0)=0からG(z0,0)=0G(z_0,0)=0であり、定理 4.1 (2)によりM(z0,t0)M(z_0,t_0)は正則である。

(1)を示す。§E20.22 命題 5.1をk=n+1k=n+1、q=1q=1、(u0,p0)=(z0,0)(u_0,p_0)=(z_0,0)に適用して得る写像を、00を含む開区間VVへ制限したものをζ\zetaとする。§E20.22 命題 5.1 (1)のζ(0)=z0\zeta(0)=z_0とG(ζ(Δs),Δs)=0G(\zeta(\Delta s),\Delta s)=0(Δs∈V\Delta s\in V)は、ζ(Δs)∈U\zeta(\Delta s)\in U、F(ζ(Δs))=0F(\zeta(\Delta s))=0、t0T(ζ(Δs)−z0)=Δst_0^{\mathsf T}(\zeta(\Delta s)-z_0)=\Delta sを意味する。§E20.22 命題 5.1 (2)をp˙=1\dot p=1に適用すると、ζ′(0)\zeta'(0)はM(z0,t0)ζ′(0)=en+1M(z_0,t_0)\zeta'(0)=e_{n+1}のただ一つの解である。M(z0,t0)t0=(DF(z0)t0, t0Tt0)=en+1M(z_0,t_0)t_0=\bigl(DF(z_0)t_0,\,t_0^{\mathsf T}t_0\bigr)=e_{n+1}であるからζ′(0)=t0\zeta'(0)=t_0である。ζ\zetaは00で微分可能であるから、(ζ(Δs)−z0−Δs t0)/Δs→0\bigl(\zeta(\Delta s)-z_0-\Delta s\,t_0\bigr)/\Delta s\to0である。

(2)を示す。v,w∈B‾(z0,2r0)v,w\in\overline B(z_0,2r_0)とs∈Rs\in\RについてDuG(v,s)−DuG(w,s)D_uG(v,s)-D_uG(w,s)は、DF(v)−DF(w)DF(v)-DF(w)の下に零の行を加えた行列である。任意のy∈Rn+1y\in\R^{n+1}についてその行列とyyの積のノルムは∥(DF(v)−DF(w))y∥2\lVert(DF(v)-DF(w))y\rVert_2に等しいから、∥DuG(v,s)−DuG(w,s)∥2=∥DF(v)−DF(w)∥2≤γ∥v−w∥2\lVert D_uG(v,s)-D_uG(w,s)\rVert_2=\lVert DF(v)-DF(w)\rVert_2\le\gamma\lVert v-w\rVert_2である。また、任意のssについてQs=U⊇B‾(z0,2r0)Q_s=U\supseteq\overline B(z_0,2r_0)である。補題 1.2をk=n+1k=n+1、(u0,p0)=(z0,0)(u_0,p_0)=(z_0,0)、u=ζu=\zeta、δ0=1\delta_0=1、u^(s):=z0+st0\hat u(s):=z_0+st_0に適用する。M0=M(z0,t0)M_0=M(z_0,t_0)であるから、補題のβ0\beta_0、ρ1\rho_1はここでのβ0\beta_0、ρ1\rho_1に一致する。補題が与えるδ1\delta_1をs1s_1とすると、GΔs=HΔsG_{\Delta s}=H_{\Delta s}であるから、補題 1.2 (1)と補題 1.2 (2)が主張の結論である。

(3)を示す。∣Δs∣≤s1\lvert\Delta s\rvert\le s_1とする。補題 1.2 (1)によりDuG(ζ(Δs),Δs)=M(ζ(Δs),t0)D_uG(\zeta(\Delta s),\Delta s)=M(\zeta(\Delta s),t_0)は正則である。定理 4.1 (3)によりζ(Δs)\zeta(\Delta s)はFFの正則点であり、vvはt0Tv=1t_0^{\mathsf T}v=1を満たすker⁡DF(ζ(Δs))\ker DF(\zeta(\Delta s))の元であって、t1t_1は単位接ベクトルである。t0Tt1=1/∥v∥2>0t_0^{\mathsf T}t_1=1/\lVert v\rVert_2>0である。▨

例 4.5.F(x,λ):=x2−λF(x,\lambda):=x^2-\lambdaとする。DF(0,0)=(0−1)DF(0,0)=\begin{pmatrix}0&-1\end{pmatrix}の階数は11であり、DxF(0,0)=0D_xF(0,0)=0であるから、z0:=(0,0)z_0:=(0,0)は折返し点である。t0:=(1,0)t_0:=(1,0)はz0z_0における単位接ベクトルであり、M(z0,t0)=(0−110)M(z_0,t_0)=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}は直交行列であるからβ0=1\beta_0=1である。任意のΔs∈R\Delta s\in\RについてHΔs(x,λ)=(x2−λ, x−Δs)H_{\Delta s}(x,\lambda)=(x^2-\lambda,\,x-\Delta s)の零点は(Δs,Δs2)(\Delta s,\Delta s^2)だけである。予測点w0=(Δs,0)w_0=(\Delta s,0)ではHΔs(w0)=(Δs2,0)H_{\Delta s}(w_0)=(\Delta s^2,0)、DHΔs(w0)=(2Δs−110)DH_{\Delta s}(w_0)=\begin{pmatrix}2\Delta s&-1\\1&0\end{pmatrix}であり、Newton 修正量ddは2Δs dx−dλ=−Δs22\Delta s\,d_x-d_\lambda=-\Delta s^2、dx=0d_x=0からd=(0,Δs2)d=(0,\Delta s^2)である。したがって一回の反復でw1=(Δs,Δs2)w_1=(\Delta s,\Delta s^2)となる。M(w1,t0)v=e2M(w_1,t_0)v=e_2の解はv=(1,2Δs)v=(1,2\Delta s)であり、t1=(1,2Δs)/1+4Δs2t_1=(1,2\Delta s)/\sqrt{1+4\Delta s^2}はw1w_1における単位接ベクトルである。(0,0)(0,0)の近くでは例 2.1のとおりλ\lambdaを独立変数とする零点の表示が無いが、擬似弧長法の一歩は任意のΔs\Delta sについて一回の反復でHΔsH_{\Delta s}の零点に達する。

5 枝の交差

定義 5.1.nn、UU、FFを定義 3.1のとおりとする。z0∈F−1(0)z_0\in F^{-1}(0)について、ε>0\varepsilon>0とC1C^1級写像γ1,γ2 ⁣:(−ε,ε)→U\gamma_1,\gamma_2\colon(-\varepsilon,\varepsilon)\to Uが存在して、i=1,2i=1,2についてF∘γi=0F\circ\gamma_i=0かつγi(0)=z0\gamma_i(0)=z_0であり、γ1′(0)\gamma_1'(0)とγ2′(0)\gamma_2'(0)が一次独立であるとき、z0z_0をFFの 枝の交差点 (branch crossing point) という。

命題 5.2.nn、UU、FFを定義 3.1のとおりとし、M(z,w)M(z,w)を定理 4.1のとおりとする。

  1. z0∈F−1(0)z_0\in F^{-1}(0)、ε>0\varepsilon>0とし、C1C^1級写像γ ⁣:(−ε,ε)→U\gamma\colon(-\varepsilon,\varepsilon)\to UがF∘γ=0F\circ\gamma=0とγ(0)=z0\gamma(0)=z_0を満たすならば、γ′(0)∈ker⁡DF(z0)\gamma'(0)\in\ker DF(z_0)である。特にz0z_0がFFの正則点でttがz0z_0における単位接ベクトルならば、γ′(0)∈Rt\gamma'(0)\in\R tである。
  2. FFの枝の交差点z0z_0はFFの特異点であり、任意のw∈Rn+1w\in\R^{n+1}についてM(z0,w)M(z_0,w)は正則でない。Rn+1=Rn×R\R^{n+1}=\R^n\times\Rと書くとき、z0z_0はFFの折返し点でない。

証明.(1)は、F∘γ=0F\circ\gamma=0に§E4.3 定理 1.1を適用したDF(γ(0))γ′(0)=0DF(\gamma(0))\gamma'(0)=0と、正則点でker⁡DF(z0)=Rt\ker DF(z_0)=\R tであることから従う。(2)を示す。定義 5.1のγ1′(0)\gamma_1'(0)、γ2′(0)\gamma_2'(0)は(1)によりker⁡DF(z0)\ker DF(z_0)に属する一次独立な二つのベクトルであるから、dim⁡ker⁡DF(z0)≥2\dim\ker DF(z_0)\ge2であり、次元定理によりrank⁡DF(z0)≤n−1\operatorname{rank}DF(z_0)\le n-1である。定理 4.1 (1)により任意のwwについてM(z0,w)M(z_0,w)は正則でない。折返し点は正則点であるから、z0z_0は折返し点でない。▨

例 5.3.

  1. F ⁣:R2→RF\colon\R^2\to\RをF(x,λ):=x(x−λ)F(x,\lambda):=x(x-\lambda)で定める。DF(x,λ)=(2x−λ−x)DF(x,\lambda)=\begin{pmatrix}2x-\lambda&-x\end{pmatrix}であり、F−1(0)={(0,λ)∣λ∈R}∪{(λ,λ)∣λ∈R}F^{-1}(0)=\{(0,\lambda)\mid\lambda\in\R\}\cup\{(\lambda,\lambda)\mid\lambda\in\R\}である。γ1(σ):=(0,σ)\gamma_1(\sigma):=(0,\sigma)、γ2(σ):=(σ,σ)\gamma_2(\sigma):=(\sigma,\sigma)はF∘γi=0F\circ\gamma_i=0を満たし、γ1′(0)=(0,1)\gamma_1'(0)=(0,1)とγ2′(0)=(1,1)\gamma_2'(0)=(1,1)は一次独立であるから、(0,0)(0,0)は枝の交差点であり、DF(0,0)=(00)DF(0,0)=\begin{pmatrix}0&0\end{pmatrix}である。
  2. (1)のFFについて、λ≠0\lambda\ne0とする。DF(0,λ)=(−λ0)DF(0,\lambda)=\begin{pmatrix}-\lambda&0\end{pmatrix}であるから(0,λ)(0,\lambda)は正則点で、DxF(0,λ)≠0D_xF(0,\lambda)\ne0であるから折返し点でなく、t:=(0,1)t:=(0,1)は単位接ベクトルである。M((0,λ),t)=(−λ001)M((0,\lambda),t)=\begin{pmatrix}-\lambda&0\\0&1\end{pmatrix}であるからβ0=max⁡{1/∣λ∣,1}\beta_0=\max\{1/\lvert\lambda\rvert,1\}である。S:=(2−1−10)S:=\begin{pmatrix}2&-1\\-1&0\end{pmatrix}と置くとDF(z)=(Sz)TDF(z)=(Sz)^{\mathsf T}である。SSは固有値1±21\pm\sqrt2の実対称行列であるから∥DF(v)−DF(w)∥2=∥S(v−w)∥2≤(1+2)∥v−w∥2\lVert DF(v)-DF(w)\rVert_2=\lVert S(v-w)\rVert_2\le(1+\sqrt2)\lVert v-w\rVert_2であり、任意のr0>0r_0>0について命題 4.4の仮定はγ=1+2\gamma=1+\sqrt2で成り立つ。0<∣λ∣≤10<\lvert\lambda\rvert\le1のとき、z0=(0,λ)z_0=(0,\lambda)に対する命題 4.4のρ1\rho_1はρ1≤∣λ∣/(4(1+2))\rho_1\le\lvert\lambda\rvert/\bigl(4(1+\sqrt2)\bigr)を満たし、λ→0\lambda\to0のとき00に収束する。
  3. F ⁣:R2→RF\colon\R^2\to\RをF(x,λ):=x3−λ3F(x,\lambda):=x^3-\lambda^3で定める。DF(0,0)=(00)DF(0,0)=\begin{pmatrix}0&0\end{pmatrix}であるから(0,0)(0,0)は特異点である。x3=λ3x^3=\lambda^3とx=λx=\lambdaは同値であるからF−1(0)={(σ,σ)∣σ∈R}F^{-1}(0)=\{(\sigma,\sigma)\mid\sigma\in\R\}であり、F∘γ=0F\circ\gamma=0、γ(0)=(0,0)\gamma(0)=(0,0)を満たすC1C^1級写像γ\gammaはγ(σ)=(a(σ),a(σ))\gamma(\sigma)=(a(\sigma),a(\sigma))の形であって、γ′(0)∈R(1,1)\gamma'(0)\in\R(1,1)である。したがって(0,0)(0,0)は枝の交差点でない。特異点であることから枝の交差点であることは従わない。

注意 5.4.補題 1.2と命題 4.4は、Newton 法を適用する方程式の零点で Jacobi 行列が正則であることを仮定する。枝の交差点z∗z_*では命題 5.2 (2)によりM(z∗,w)M(z_*,w)はどのwwについても正則でないから、z∗z_*を零点とする拡大系にこれらの主張は適用されない。交差点の近くの正則点から擬似弧長法の一歩を進めた点がどの枝に属するかは、本記事の主張からは定まらない。交差点における枝の選択(分岐理論)は本記事で扱わない。

6 数値例

例 6.1.F(x,λ):=x3−x+λF(x,\lambda):=x^3-x+\lambdaとする。F−1(0)={(x,x−x3)∣x∈R}F^{-1}(0)=\{(x,x-x^3)\mid x\in\R\}であり、DxF(x,λ)=3x2−1D_xF(x,\lambda)=3x^2-1はx=±1/3x=\pm1/\sqrt3で00になる。g(x):=x−x3g(x):=x-x^3は(−∞,−1/3](-\infty,-1/\sqrt3]と[1/3,∞)[1/\sqrt3,\infty)で狭義単調減少、[−1/3,1/3][-1/\sqrt3,1/\sqrt3]で狭義単調増加であり、g(∓1/3)=∓2/(33)g(\mp1/\sqrt3)=\mp2/(3\sqrt3)である。DF=(3x2−11)DF=\begin{pmatrix}3x^2-1&1\end{pmatrix}は零にならないから、(∓1/3,∓2/(33))(\mp1/\sqrt3,\mp2/(3\sqrt3))は二つの折返し点である。λ<−2/(33)\lambda<-2/(3\sqrt3)ならば、(−∞,1/3](-\infty,1/\sqrt3]上でg≥−2/(33)>λg\ge-2/(3\sqrt3)>\lambdaであり、[1/3,∞)[1/\sqrt3,\infty)上でggは2/(33)2/(3\sqrt3)から狭義単調に減少して−∞-\inftyへ向かい、g(1)=0>λg(1)=0>\lambdaであるから、F(⋅,λ)F(\cdot,\lambda)の実零点はただ一つで、11より大きい。

(x0,λ0)=(−1.5,1.875)(x_0,\lambda_0)=(-1.5,1.875)から、刻みΔλ=−0.25\Delta\lambda=-0.25の接線予測を初期値とする自然なパラメータによる継続を、修正の残差判定∣F∣≤10−12\lvert F\rvert\le10^{-12}で、IEEE binary64 の四則演算により実行した(値は小数第 6 位に丸めて示す)。λ=−0.375\lambda=-0.375までの 9 歩の点はx<−1/3x<-1/\sqrt3の枝にあり、9 歩目の点はx=−0.651388x=-0.651388、DxF=0.272918D_xF=0.272918であった。10 歩目のλ=−0.625<−2/(33)\lambda=-0.625<-2/(3\sqrt3)では、修正の反復列はx=1.228339x=1.228339に収束した。上の議論により、このλ\lambdaではF(⋅,λ)F(\cdot,\lambda)の零点はx>1x>1の一つだけであるから、どの修正もx<−1/3x<-1/\sqrt3の枝の点を出力することができない。

例 6.2.F(x,λ):=x2−λF(x,\lambda):=x^2-\lambda、z0=(−1,1)z_0=(-1,1)、t0=(1,−2)/5t_0=(1,-2)/\sqrt5、Δs=0.5\Delta s=0.5、τ=10−12\tau=10^{-12}、kmax⁡=10k_{\max}=10として、定義 4.2 (2)の一歩を刻みを変えずに 8 回、IEEE binary64 の四則演算と平方根で繰り返した。kjk_jはjj歩目の反復回数、∣F(zj)∣\lvert F(z_j)\rvertは出力点での残差であり、値は小数第 6 位に丸めて示す。

jj xjx_j λj\lambda_j tjt_j ∣F(zj)∣\lvert F(z_j)\rvert kjk_j
0 −1.000000-1.000000 1.0000001.000000 (0.447214,−0.894427)(0.447214,-0.894427) 00 —
1 −0.751740-0.751740 0.5651130.565113 (0.553810,−0.832643)(0.553810,-0.832643) 2.0×10−152.0\times10^{-15} 3
2 −0.425866-0.425866 0.1813620.181362 (0.761288,−0.648414)(0.761288,-0.648414) 00 4
3 0.0821980.082198 0.0067570.006757 (0.986755,0.162220)(0.986755,0.162220) 6.3×10−166.3\times10^{-16} 4
4 0.5417680.541768 0.2935130.293513 (0.678211,0.734867)(0.678211,0.734867) 00 3
5 0.8373340.837334 0.7011290.701129 (0.512685,0.858577)(0.512685,0.858577) 3.7×10−143.7\times10^{-14} 3
6 1.0698741.069874 1.1446311.144631 (0.423390,0.905948)(0.423390,0.905948) 2.2×10−162.2\times10^{-16} 3
7 1.2667081.266708 1.6045501.604550 (0.367156,0.930159)(0.367156,0.930159) 00 3
8 1.4400271.440027 2.0736792.073679 (0.328006,0.944676)(0.328006,0.944676) 00 3

折返し点(0,0)(0,0)はx2<0<x3x_2<0<x_3を満たすz2z_2とz3z_3の間にあり、tjt_jの第二成分の符号はj=2j=2とj=3j=3の間で負から正に変わった。

例 6.3.F(x,λ):=x3−x+λF(x,\lambda):=x^3-x+\lambda、z0=(−1.5,1.875)z_0=(-1.5,1.875)とする。DF(z0)=(5.751)DF(z_0)=\begin{pmatrix}5.75&1\end{pmatrix}であり、第一成分が正の単位接ベクトルt0=(1,−5.75)/34.0625t_0=(1,-5.75)/\sqrt{34.0625}をとる。計算の条件と表の記号は例 6.2と同じである。

  1. Δs=0.3\Delta s=0.3で刻みを変えずに 22 歩を進めた。22 歩すべてでkj≤4k_j\le4、∣F(zj)∣≤5.4×10−13\lvert F(z_j)\rvert\le5.4\times10^{-13}であり、tjt_jの第二成分の符号はj=8,9j=8,9の間とj=12,13j=12,13の間で変わった。その前後の行を示す。

    jj xjx_j λj\lambda_j tjt_j ∣F(zj)∣\lvert F(z_j)\rvert kjk_j
    7 −0.923702-0.923702 −0.135576-0.135576 (0.539746,−0.841828)(0.539746,-0.841828) 5.3×10−135.3\times10^{-13} 3
    8 −0.707529-0.707529 −0.353342-0.353342 (0.893786,−0.448493)(0.893786,-0.448493) 5.6×10−175.6\times10^{-17} 4
    9 −0.348073-0.348073 −0.305902-0.305902 (0.843596,0.536979)(0.843596,0.536979) 5.6×10−175.6\times10^{-17} 4
    12 0.3274000.327400 0.2923060.292306 (0.827531,0.561420)(0.827531,0.561420) 00 3
    13 0.6305310.630531 0.3798510.379851 (0.981934,−0.189225)(0.981934,-0.189225) 00 4
    14 0.8967050.896705 0.1756820.175682 (0.577887,−0.816117)(0.577887,-0.816117) 5.1×10−155.1\times10^{-15} 3
    22 1.5420311.542031 −2.124705-2.124705 (0.160912,−0.986969)(0.160912,-0.986969) 4.4×10−164.4\times10^{-16} 3

    二つの符号の変化は、それぞれ例 6.1の折返し点x=−0.577350x=-0.577350とx=0.577350x=0.577350を挟む。22 歩の点列はx0=−1.5x_0=-1.5からx22=1.542031x_{22}=1.542031までxxについて単調に進み、j=9,…,16j=9,\dots,16の点は、例 6.1の自然なパラメータによる継続の 9 歩目のx=−0.651388x=-0.651388と 10 歩目のx=1.228339x=1.228339の間にある。

  2. Δs=0.5\Delta s=0.5で刻みを変えずに進めると、7 歩目の点はz7=(0.292011,0.267111)z_7=(0.292011,0.267111)、t7=(0.802232,0.597012)t_7=(0.802232,0.597012)であり、8 歩目の一歩は失敗を出力した。その Newton 法の反復w0,…,w10w_0,\dots,w_{10}で∥H(wi)∥2\lVert H(w_i)\rVert_2は0.1190.119以上0.7750.775以下にとどまった。解曲線の点(x,x−x3)(x,x-x^3)を擬似弧長条件に代入したφ(x):=t7,x(x−x7)+t7,λ(x−x3−λ7)−0.5\varphi(x):=t_{7,x}(x-x_7)+t_{7,\lambda}(x-x^3-\lambda_7)-0.5は最高次係数が−t7,λ<0-t_{7,\lambda}<0の三次式であり、極大点x=0.883883x=0.883883での値は−0.069218<0-0.069218<0であるから、実零点はx=−1.784054x=-1.784054の一つだけである。したがってこのHHの零点は予測点z7+0.5 t7=(0.693127,0.565617)z_7+0.5\,t_7=(0.693127,0.565617)の近くに無い。定義 4.2 (3)に従ってΔs=0.25\Delta s=0.25に替えると、一歩は 3 回の反復で(0.520073,0.379406)(0.520073,0.379406)、t=(0.982681,0.185305)t=(0.982681,0.185305)を出力した。

注意 6.4. 追跡した点列がF−1(0)F^{-1}(0)の点で構成されていることから、F−1(0)F^{-1}(0)に他の点が無いことは従わない。F(x,λ):=(x2−λ)(x2−λ+1)F(x,\lambda):=(x^2-\lambda)(x^2-\lambda+1)とすると、F−1(0)F^{-1}(0)は互いに交わらない二つの曲線λ=x2\lambda=x^2とλ=x2+1\lambda=x^2+1の和集合である。λ=x2\lambda=x^2の点ではDF=(2(x2−λ)+1)(2x−1)=(2x−1)DF=\bigl(2(x^2-\lambda)+1\bigr)\begin{pmatrix}2x&-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2x&-1\end{pmatrix}である。例 6.2と同じz0z_0、t0t_0、Δs\Delta sと計算の条件でこのFFを追跡すると、8 歩の点は小数第 6 位まで同じ表の点に一致し、∣xj2−λj∣≤1.4×10−15\lvert x_j^2-\lambda_j\rvert\le1.4\times10^{-15}であった。λ=1\lambda=1の零点(0,1)(0,1)は、この点列には現れない。

7 演習

問題 7.1.命題 3.4 (1)の証明を完成させよ。

解答.

DF(z0)t=DxF(z0)tx+DλF(z0)tλ=0DF(z_0)t=D_xF(z_0)t_x+D_\lambda F(z_0)t_\lambda=0である。tλ=0t_\lambda=0ならば、∥t∥2=1\lVert t\rVert_2=1からtx≠0t_x\ne0であり、DxF(z0)tx=0D_xF(z_0)t_x=0であるからDxF(z0)D_xF(z_0)は正則でなく、z0z_0は折返し点である。逆にDxF(z0)D_xF(z_0)が正則でないとし、tλ≠0t_\lambda\ne0と仮定する。DλF(z0)=−DxF(z0)tx/tλD_\lambda F(z_0)=-D_xF(z_0)t_x/t_\lambdaはDxF(z0)D_xF(z_0)の像に属するから、DF(z0)DF(z_0)の列空間はDxF(z0)D_xF(z_0)の像に等しく、その次元はn−1n-1以下である。これはz0z_0が正則点でrank⁡DF(z0)=n\operatorname{rank}DF(z_0)=nであることと両立しない。したがってtλ=0t_\lambda=0である。▨

問題 7.2.F ⁣:R2→RF\colon\R^2\to\RをF(x,λ):=x2+λ2−1F(x,\lambda):=x^2+\lambda^2-1で定める。F−1(0)F^{-1}(0)のすべての点がFFの正則点であることと、FFの折返し点が(0,±1)(0,\pm1)であることを示せ。z0=(0,1)z_0=(0,1)、t0=(1,0)t_0=(1,0)とし、Δs∈R\Delta s\in\Rについて定義 4.2 (1)のHHの零点をすべて求め、∣Δs∣>1\lvert\Delta s\rvert>1ならば零点が無いことと、∣Δs∣<1\lvert\Delta s\rvert<1ならば(Δs,1−Δs2)(\Delta s,\sqrt{1-\Delta s^2})がHHの正則零点であることを示せ。

解答.

DF(x,λ)=(2x2λ)DF(x,\lambda)=\begin{pmatrix}2x&2\lambda\end{pmatrix}はx2+λ2=1x^2+\lambda^2=1の点で零でないから、F−1(0)F^{-1}(0)の点はすべて正則点である。DxF(x,λ)=2xD_xF(x,\lambda)=2xが00になるF−1(0)F^{-1}(0)の点は(0,±1)(0,\pm1)であり、これらが折返し点である。DF(0,1)t0=0DF(0,1)t_0=0であるからt0t_0はz0z_0における単位接ベクトルであり、H(x,λ)=(x2+λ2−1, x−Δs)H(x,\lambda)=(x^2+\lambda^2-1,\,x-\Delta s)である。H(x,λ)=0H(x,\lambda)=0はx=Δsx=\Delta sかつλ2=1−Δs2\lambda^2=1-\Delta s^2と同値であるから、零点は∣Δs∣>1\lvert\Delta s\rvert>1ならば無く、∣Δs∣=1\lvert\Delta s\rvert=1ならば(Δs,0)(\Delta s,0)だけであり、∣Δs∣<1\lvert\Delta s\rvert<1ならば(Δs,±1−Δs2)(\Delta s,\pm\sqrt{1-\Delta s^2})の二つである。∣Δs∣<1\lvert\Delta s\rvert<1のとき

DH(Δs,1−Δs2)=(2Δs21−Δs210)DH(\Delta s,\sqrt{1-\Delta s^2})=\begin{pmatrix}2\Delta s&2\sqrt{1-\Delta s^2}\\1&0\end{pmatrix}

の行列式は−21−Δs2≠0-2\sqrt{1-\Delta s^2}\ne0であるから、(Δs,1−Δs2)(\Delta s,\sqrt{1-\Delta s^2})はHHの正則零点である。▨

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