Advances in Applied Mathematics
Vol.06 No.01(2017), Article ID:19641,14
pages
10.12677/AAM.2017.61011
Convergence Analysis of the Two-Step Combined Method for Solving Nonlinear Operator Equations
Weidi Wu, Weiping Shen, Lihua Xu
Department of Mathematics, Zhejiang Normal University, Jinhua Zhejiang
Received: Jan. 3rd, 2017; accepted: Jan. 21st, 2017; published: Jan. 24th, 2017
Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
ABSTRACT
In this paper, we consider the convergence of the two-step combined method for solving nonlinear operator equations. A semi-local convergence of the method is presented under some continuity conditions. Moreover, we establish the uniqueness result of the solutions. Finally, a numerical example is provided to demonstrate our theoretical results.
Keywords:Semi-Local Convergence, Two-Step Combined Method, Divided Differences
求解非线性算子方程的两步组合方法的收敛性分析
吴伟笛,沈卫平,徐丽华
浙江师范大学数学系,浙江 金华
收稿日期:2017年1月3日;录用日期:2017年1月21日;发布日期:2017年1月24日
摘 要
本文考虑求解非线性方程问题的两步组合方法的收敛性。在某些连续性条件下,我们给出了该方法的半局部收敛性。另外对算子方程的解的唯一性也做出了说明。最后通过数值例子来说明收敛性分析的有效性。
关键词 :半局部收敛性,两步组合方法,差商
1. 引言
设与
为Banach空间,且
为
中的一开凸子集。考虑非线性算子方程
(1)
其中,为定义在
上的一个非线性算子。
众所周知,牛顿法是求解方程(1)的最著名的方法之一。其中,文献 [1] 及 [2] 研究了在算子的一阶导数满足
条件下牛顿法的平方收敛性结果。
在文章 [3] 中,M. Bartish首次提出了两步修正牛顿法:
对任意的
(2)
并且在康托洛维奇型条件下给出了该算法的半局部收敛性。这里,,
为给定的初始值。此外,文章 [4] [5] [6] [7] [8] 对该算法及其收敛性也做了一定的研究。
同样,通过引入了差商的定义,M. Bartish在文章 [3] 中给出了不同于(2)的如下两步算法来求解方程(1):
对任意的
(3)
这里,,
为给定的初始值,
为由
到
的有界线性算子。很多学者对算法(3)的收敛性也作出了一定的研究。例如,文 [9] 在相对弱的康托洛维奇条件下对算法(3)的半局部收敛性进行了研究。再如,类似 [10] [11] [12] 中古典割线法的收敛条件,S. M. Shakhno研究了仅在
条件下算法(3)的收敛性问题。又如,文章 [13] 与 [14] 给出了二阶均差满足
条件下该方法的收敛性定理。另外,文章 [15] 及 [16] 也对算法(3)的收敛性进行了研究。特别地,当算子
满足下列条件时:
(4)
文章 [16] 给出了算法(3)的半局部收敛性以及方程(1)的解的唯一性。这里,,
。
下面,我们考虑非线性算子方程
(5)
这里,均为定义在
上的非线性算子。
为Fréchet可微算子,
为连续算子。最近,S. M. Shakhno等通过结合算法(2)与(3)在文章 [17] 中首次提出了下列两步组合方法用于求解方程(5):
对任意的
(6)
其中,为给定的初始值。文章 [18] 通过假设
满足带有积分形式的
条件,给出该算法的局部收敛性结果,并且证明了它的收敛阶为
。
在这篇文章中,我们讨论用于求解方程(5)的两步组合方法的半局部收敛性问题。当算子的一阶F-导数满足
条件,二阶导数满足
条件以及算子
的差商满足
条件下,我们给出了该方法的收敛性定理, 并证明了解的唯一性。另外,在最后一节中,我们还给出了一个数值例子来说明我们理论结果。
2. 定义与引理
本节中,我们给出一些基本的定义及引理。
定义1 [16] 假设表示由
到
的一个线性算子。设
,若
满足条件:
(7)
则称为在点
的差商。
引理2 (Banach引理 [19] ) 设的有界线性算子,
且为单位算子,若
则
为可逆的且有
引理3 [8] 已知,
。设
表示所有连续可微的且二阶导数
连续的全体算子。
假设(1)。
(2)可逆且存在非负数
使得
(3),
则有
3. 半局部收敛性定理
下面,我们建立两步组合方法的半局部收敛性定理。在下面的讨论中,我们令表示以
为中心以
为半径的闭球。假设算子
的一阶F-导数
和二阶
-导数
,以及算子
的差商
均存在。设
为
中的两点。令
其中
定理1假设(1)算子可逆;
(2)存在非负常数及
,使得对
,下列条件成立:
(8)
(9)
(10)
(3)且存在非负数
使得
(11)
其中
(4) 闭球。假设实序列
由如下定义:
(12)
(13)
(14)
则我们有如下结论:
(i)为非负,递减序列且收敛于
满足
(ii)算法(6)是适定的。所得序列收敛于解
,且满足不等式
对任意
(15)
并且解是唯一的。特别的,当时,我们有
(16)
证明:(i) 我们用数学归纳法证明下列不等式是成立的:
(17)
以及
(18)
其中,由定义,有
。那么由序列递减且有下界,就可得序列
是收敛的。因此,由
及
即可得从而
也收敛。
首先,当时,由式子(12),(13),(14),我们可以得到
又由于
因此
即可得
所以
并且
即当时,(17)与(18)成立。假设
时,不等式(17)与(18)是成立的,即
且
则当时,
(19)
(20)
由定义及假设,可得
。由条件(13),(14)及假设,我们可得:
以及
又由条件(13)及(19),
所以
因此,由上式及定义可得
综上可得
即可得(17)与(18)对是成立的。从而,我们证得(i)成立。
下面给出(ii)的证明。我们将用数学归纳法证明迭代过程(6)是适定的且有
(21)
因此
当时,显然,由算法(6),
定义及(12),很容易可以证明(21)是成立的。现假设
为非负整数,并且对所有
,不等式(21)是成立的。若令
,则有
(22)
由假设及条件(11)
(23)
则由引理2,为可逆的,并且
(24)
下证当时,迭代过程是可以定义的。
(25)
由引理3,有
因此,我们可以得到
另外由均差定义,有
所以
(26)
所以,由上可得
然后,由(21),(13),(14),我们可得
(27)
因此,即可证得迭代方法对任意是可以定义的。又由
(28)
以及前面已证的及
也收敛,就证得了
,
为柯西序列且是收敛的。不妨设
,因此,在(28)中,当
时,我们便可以得到(15)是成立的,即
(29)
又因为当时,有
所以我们即可得即为方程
的根。
接下来我们证明(16)是成立的。由等式
由条件(28),(29),(8),(9),(10)知
所以由引理2,线性算子为可逆的,且有
另外,(26)可得
所以
下面我们证解的唯一性。由(11)式,我们可以得到
(30)
设为方程
在
上的另一解,其中
是满足(12)式。则由迭代算法(5),(8),(9)及(1)我们可以得
因此,由式子(24),(8),(10)及引理3,我们即可得
下面我们用数学归纳法证明是小于1的。首先,由式(14),我们可得
(31)
当时由式(30),(31)及
所以有假设当
时,有
则当
时,由假设及式(30),(31),我们有
取表示
的上界,则有
。
当时,
所以
所以唯一性得证。
4. 数值例子
本文将引用文献 [16] 中的例子验证定理1中的条件是非空的。考虑下面的二阶非线性边界值问题:
(32)
将[0,1]分成个子区间,
表示细分的点,且有
。令
我们给出一个二阶导数的标准近似:
取,则将
代入问题(32),我们即可得
(33)
因此我们可得方程组(33)的系数矩阵
另外,对于,相应的有范数
。定义
令其中
,显然
接下来我们对做一些相关计算。由文献 [10] , [11] , [12] ,
可以由矩阵的元素来表示:
这里
由均差定义,我们可以把转化为积分的形式(参见文献 [16] ):
注意到,对所有。
由此
(34)
所以
最后,易知
即对条件(8),(9),(10)中的系数均取为
。
我们选定下组数据作为初始值:
下面我们通过计算来验证定理1的结论。为此,取,通过定理1及上面说明,我们可得:
取,则通过计算(13),(14),(15)可得:
由上面计算,我们可以看出定理1中的条件是非空的,即存在这样的一组数据满足定理1的条件。
基金项目
浙江省自然科学基金资助项目(LY17A010006)。
文章引用
吴伟笛,沈卫平,徐丽华. 求解非线性算子方程的两步组合方法的收敛性分析
Convergence Analysis of the Two-Step Combined Method for Solving Nonlinear Operator Equations[J]. 应用数学进展, 2017, 06(01): 90-103. http://dx.doi.org/10.12677/AAM.2017.61011
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