อ่าน 7 นาที
หมายเลขเงื่อนไข
ใน การวิเคราะห์เชิง ตัวเลข ค่าสภาพ ของ ฟังก์ชัน จะวัดว่าค่าเอาต์พุตของฟังก์ชันสามารถเปลี่ยนแปลงได้มากน้อยเพียงใดเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในตัวแปรอินพุต ค่านี้ใช้ในการวัดว่า...
หมายเลขเงื่อนไข
ในการวิเคราะห์เชิงตัวเลขค่าสภาพของฟังก์ชันจะวัดว่าค่าเอาต์พุตของฟังก์ชันสามารถเปลี่ยนแปลงได้มากน้อยเพียงใดเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในตัวแปรอินพุต ค่านี้ใช้ในการวัดว่า ฟังก์ชันมี ความไวต่อการเปลี่ยนแปลงหรือข้อผิดพลาดในอินพุตมากน้อยเพียงใด และข้อผิดพลาดในเอาต์พุตเกิดจากข้อผิดพลาดในอินพุตมากน้อยเพียงใด บ่อยครั้งที่ต้องแก้ปัญหาผกผัน กล่าวคือ เมื่อกำหนดให้ต้องแก้หาค่าxดังนั้นจึงต้องใช้ค่าสภาพของตัวผกผัน (เฉพาะที่) [ 1 ] [ 2 ]
ค่าดัชนีสภาพ (Condition number) ได้มาจากทฤษฎีการแพร่กระจายของความไม่แน่นอนและถูกนิยามอย่างเป็นทางการว่าเป็นค่าของ การเปลี่ยนแปลง สัมพัทธ์ในกรณีที่เลวร้ายที่สุดในระยะยาวของผลลัพธ์ สำหรับการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ของปัจจัยนำเข้า "ฟังก์ชัน" คือคำตอบของปัญหา และ "ตัวแปร" คือข้อมูลในปัญหา ค่าดัชนีสภาพมักถูกนำไปใช้กับคำถามในพีชคณิตเชิงเส้นซึ่งในกรณีนี้อนุพันธ์นั้นตรงไปตรงมา แต่ข้อผิดพลาดอาจอยู่ในทิศทางต่างๆ กันมากมาย ดังนั้นจึงคำนวณจากเรขาคณิตของเมทริกซ์ โดยทั่วไปแล้ว ค่าดัชนีสภาพสามารถกำหนดได้สำหรับฟังก์ชันที่ไม่เป็นเชิงเส้นในหลายตัวแปร
ปัญหาที่มีค่าสภาพต่ำเรียกว่า ปัญหาที่ มีสภาพดีในขณะที่ปัญหาที่มีค่าสภาพสูงเรียกว่าปัญหาที่มีสภาพไม่ดีในทางที่ไม่ใช่คณิตศาสตร์ ปัญหาที่มีสภาพไม่ดีคือปัญหาที่การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในตัวแปรป้อนเข้า ( ตัวแปรอิสระ ) จะทำให้ค่าคำตอบหรือตัวแปรตาม เปลี่ยนแปลงไปมาก ซึ่งหมายความว่าการหาคำตอบที่ถูกต้องของสมการจะทำได้ยาก ค่าสภาพเป็นคุณสมบัติของปัญหา และมักจะมีอัลกอริทึมหลายตัวที่สามารถใช้แก้ปัญหาหรือคำนวณหาคำตอบได้ อัลกอริทึมบางตัวมีคุณสมบัติที่เรียกว่าความเสถียรแบบย้อนกลับโดยทั่วไปแล้ว อัลกอริทึมที่มีความเสถียรแบบย้อนกลับจะสามารถแก้ปัญหาที่มีสภาพดีได้อย่างแม่นยำ ตำราการวิเคราะห์เชิงตัวเลขจะให้สูตรสำหรับค่าสภาพของปัญหาและระบุอัลกอริทึมที่มีความเสถียรแบบย้อนกลับที่รู้จักกันดี
โดยทั่วไปแล้ว หากค่าสภาพ (condition number ) มี ค่ามาก ความแม่นยำอาจสูญเสียไปได้ถึงหลักหน่วย นอกเหนือจากความแม่นยำที่สูญเสียไปจากวิธีการเชิงตัวเลขเนื่องจากการสูญเสียความแม่นยำจากวิธีการทางเลขคณิต[ 3 ]อย่างไรก็ตาม ค่าสภาพไม่ได้ให้ค่าที่แน่นอนของความไม่แม่นยำสูงสุดที่อาจเกิดขึ้นในอัลกอริทึม โดยทั่วไปแล้วจะจำกัดค่าดังกล่าวด้วยค่าประมาณ (ซึ่งค่าที่คำนวณได้ขึ้นอยู่กับการเลือกบรรทัดฐานในการวัดความไม่แม่นยำ)
เมทริกซ์
ตัวอย่างเช่น ค่าสภาพ (condition number) ที่เกี่ยวข้องกับสมการเชิงเส้นAx = bจะให้ขอบเขตว่าค่าคำตอบx จะคลาดเคลื่อนมากน้อยเพียงใดหลังจากการประมาณค่า โปรดสังเกตว่านี่คือการพิจารณาก่อนที่ จะคำนึงถึงผลกระทบของข้อผิดพลาดจากการปัดเศษ สภาพเป็นคุณสมบัติของ เมทริกซ์ไม่ใช่ คุณสมบัติของ อัลกอริทึมหรือ ความแม่นยำ ของเลขทศนิยมของคอมพิวเตอร์ที่ใช้ในการแก้ระบบสมการนั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ควรคิดว่าค่าสภาพเป็น (อย่างคร่าวๆ) อัตราการเปลี่ยนแปลงของ ค่าคำตอบ x เมื่อเทียบกับการเปลี่ยนแปลงของ bดังนั้น หากค่าสภาพมีค่ามาก แม้แต่ข้อผิดพลาดเล็กน้อยในbก็อาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดมากในxในทางกลับกัน หากค่าสภาพมีค่าน้อย ข้อผิดพลาดในxก็จะไม่มากไปกว่าข้อผิดพลาดในb มาก นัก
ค่าสภาพ (condition number ) ถูกกำหนดอย่างแม่นยำยิ่งขึ้นว่าเป็นอัตราส่วนสูงสุดของความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์ในxต่อความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์ในb
ให้eเป็นข้อผิดพลาดในbสมมติว่าAเป็น เมทริกซ์ ไม่เอกฐานข้อผิดพลาดในคำตอบA −1 bคือA −1 eอัตราส่วนของข้อผิดพลาดสัมพัทธ์ในคำตอบต่อข้อผิดพลาดสัมพัทธ์ในbคือ
ค่าสูงสุด (สำหรับค่าbและe ที่ไม่ใช่ศูนย์ ) จะเห็นได้ว่าเป็นผลคูณของค่ามาตรฐานของตัวดำเนินการ ทั้งสอง ดังนี้:
นิยามเดียวกันนี้ใช้กับบรรทัดฐานที่สอดคล้องกันทุกประการ กล่าวคือ บรรทัดฐานที่ตรงตามเงื่อนไข
เมื่อค่าสภาพ (condition number) เท่ากับหนึ่งพอดี (ซึ่งจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อAเป็นผลคูณเชิงสเกลาร์ของไอโซเมตรีเชิงเส้น ) แล้วอัลกอริทึมการแก้ปัญหาจะสามารถหาค่าประมาณของคำตอบได้ (ในทางทฤษฎี หมายความว่าหากอัลกอริทึมไม่ก่อให้เกิดข้อผิดพลาดใดๆ) ซึ่งมีความแม่นยำไม่แย่ไปกว่าข้อมูล
อย่างไรก็ตาม นั่นไม่ได้หมายความว่าอัลกอริทึมจะลู่เข้าสู่คำตอบนี้อย่างรวดเร็ว เพียงแต่ว่าจะไม่ลู่เข้าอย่างไม่มีเหตุผลเนื่องจากความไม่แม่นยำของข้อมูลต้นทาง (ข้อผิดพลาดแบบย้อนกลับ) โดยมีเงื่อนไขว่าข้อผิดพลาดแบบไปข้างหน้าที่เกิดจากอัลกอริทึมจะไม่ลู่เข้าเช่นกันเนื่องจากข้อผิดพลาดในการปัดเศษระหว่างทางที่สะสมเพิ่มขึ้น
ค่าสภาพอาจเป็นอนันต์ได้เช่นกัน แต่นั่นหมายความว่าปัญหาดังกล่าวเป็นปัญหาที่ไม่เหมาะสม (ไม่มีคำตอบที่เฉพาะเจาะจงและชัดเจนสำหรับแต่ละตัวเลือกของข้อมูล กล่าวคือ เมทริกซ์ไม่สามารถผกผันได้ ) และไม่สามารถคาดหวังได้ว่าอัลกอริทึมใดจะสามารถหาคำตอบได้อย่างน่าเชื่อถือ
นิยามของค่าสภาพ (condition number) ขึ้นอยู่กับการเลือกค่ามาตรฐาน (norm ) ดังที่สามารถแสดงให้เห็นได้จากสองตัวอย่าง
ถ้าคือ ค่ามาตรฐาน ของเมทริกซ์ที่เกิดจากค่ามาตรฐานแบบยุคลิด (เวกเตอร์) (บางครั้งเรียกว่า ค่ามาตรฐาน L2และโดยทั่วไปจะใช้สัญลักษณ์) แล้ว
โดยที่และ คือ ค่าเอกลักษณ์สูงสุดและต่ำสุดของตามลำดับ ดังนั้น:
- ถ้าเป็นแบบปกติแล้ว โดยที่และ คือ ค่าไอเกนสูงสุดและต่ำสุด (ตามค่าสัมบูรณ์) ของตามลำดับ
- ถ้าเป็นยูนิแทรีแล้ว
ค่าสภาพ (condition number) ที่เกี่ยวข้องกับL 2ปรากฏขึ้นบ่อยครั้งในพีชคณิตเชิงเส้นเชิงตัวเลขจนได้รับการตั้งชื่อว่าค่าสภาพของเมทริกซ์ (condition number of a matrix )
ถ้าเป็นนอร์มของเมทริกซ์ที่เกิดจาก นอร์ม (เวกเตอร์)และเป็นเมทริกซ์สามเหลี่ยมล่างที่ไม่เอกฐาน (กล่าวคือสำหรับทุก) แล้ว
โปรดจำไว้ว่าค่าลักษณะเฉพาะของเมทริกซ์สามเหลี่ยมใดๆ ก็คือค่าที่อยู่บนแนวทแยงมุมนั่นเอง
โดยทั่วไปแล้ว ค่าสภาพที่คำนวณด้วยบรรทัดฐานนี้จะมีค่ามากกว่าค่าสภาพที่คำนวณโดยเทียบกับบรรทัดฐานแบบยุคลิดแต่สามารถประเมินได้ง่ายกว่า (และนี่มักจะเป็นค่าสภาพที่สามารถคำนวณได้ในทางปฏิบัติเพียงค่าเดียว เมื่อปัญหาที่ต้องแก้ไขเกี่ยวข้องกับพีชคณิตที่ไม่เป็นเชิงเส้นตัวอย่างเช่น เมื่อประมาณค่าฟังก์ชันหรือจำนวนอตรรกยะและ จำนวน อดิศัยด้วยวิธีการเชิงตัวเลข)
ถ้าค่าสภาพ (condition number) ไม่มากกว่าหนึ่งอย่างมีนัยสำคัญ เมทริกซ์นั้นจะ อยู่ในสภาพดี (well-conditioned ) ซึ่งหมายความว่าสามารถคำนวณเมทริกซ์ผกผันได้ด้วยความแม่นยำสูง แต่ถ้าค่าสภาพมีค่ามาก เมทริกซ์นั้นจะอยู่ในสภาพไม่ดี (ill-conditioned ) ในทางปฏิบัติ เมทริกซ์ดังกล่าวแทบจะเป็นเมทริกซ์เอกฐาน (singular matrix) และการคำนวณเมทริกซ์ผกผันหรือการแก้ระบบสมการเชิงเส้นมักจะเกิดข้อผิดพลาดเชิงตัวเลขสูง
เมทริกซ์ที่ไม่สามารถหาเมทริกซ์ผกผันได้ มักกล่าวกันว่ามีค่าสภาพ (condition number) เท่ากับอนันต์ หรืออาจนิยามได้ว่า โดยที่คือเมทริกซ์ผกผันเทียมของมัวร์-เพนโรส (Moore-Penrose pseudoinverse ) สำหรับเมทริกซ์จัตุรัส การนิยามเช่นนี้ทำให้ค่าสภาพไม่ต่อเนื่อง แต่เป็นนิยามที่มีประโยชน์สำหรับเมทริกซ์สี่เหลี่ยมผืนผ้า ซึ่งไม่สามารถหาเมทริกซ์ผกผันได้เลย แต่ยังคงใช้ในการกำหนดระบบสมการอยู่
ไม่เชิงเส้น
ค่าสภาพ (condition number) สามารถกำหนดได้สำหรับฟังก์ชันที่ไม่เป็นเชิงเส้น และสามารถคำนวณได้โดยใช้แคลคูลัสค่าสภาพจะแตกต่างกันไปตามจุด ในบางกรณี เราสามารถใช้ค่าสภาพสูงสุด (หรือค่าสูงสุด ) ในโดเมนของฟังก์ชันหรือโดเมนของคำถามเป็นค่าสภาพโดยรวมได้ ในขณะที่ในบางกรณี ค่าสภาพ ณ จุดใดจุดหนึ่งมีความสำคัญมากกว่า
ตัวแปรหนึ่งตัว
ค่า สภาพ สัมบูรณ์ของฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ ในตัวแปรเดียว คือค่าสัมบูรณ์ของอนุพันธ์ของฟังก์ชันนั้น:
ค่า สภาพ สัมพัทธ์ของฟังก์ชัน คือเมื่อประเมินค่าที่จุด จะได้ ว่า
โปรดทราบว่านี่คือค่าสัมบูรณ์ของความยืดหยุ่นของฟังก์ชันในทางเศรษฐศาสตร์
โดยสรุปอย่างสง่างามที่สุด สามารถเข้าใจได้ว่านี่คือ (ค่าสัมบูรณ์ของ) อัตราส่วนของอนุพันธ์ลอการิทึมของซึ่งก็คือและอนุพันธ์ลอการิทึมของซึ่งก็คือทำให้ได้อัตราส่วนเท่ากับเนื่องจากอนุพันธ์ลอการิทึมคือ อัตราการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ ที่เล็กน้อยมากในฟังก์ชัน กล่าวคือเป็นอนุพันธ์ที่ปรับขนาดด้วยค่าของโปรดสังเกตว่าหากฟังก์ชันมีค่าเป็นศูนย์ที่จุดใดจุดหนึ่ง ค่าสภาพของฟังก์ชันที่จุดนั้นจะเป็นอนันต์ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยมากในอินพุตสามารถเปลี่ยนเอาต์พุตจากศูนย์เป็นบวกหรือลบได้ ทำให้ได้อัตราส่วนที่มีศูนย์ในตัวส่วน ดังนั้นจึงเป็นการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ที่อนันต์
กล่าวโดยตรงกว่านั้น เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ในคือในขณะที่การเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ในคือเมื่อนำอัตราส่วนมาคำนวณจะได้
พจน์สุดท้ายคือผลหารส่วนต่าง (ความชันของเส้นตัด ) และการหาลิมิตจะได้อนุพันธ์
ค่าสภาพของฟังก์ชันพื้นฐาน ทั่วไป มีความสำคัญอย่างยิ่งในการคำนวณจำนวนหลักสำคัญและสามารถคำนวณได้โดยตรงจากอนุพันธ์ ตัวอย่างที่สำคัญบางส่วนมีดังต่อไปนี้:
| ชื่อ | เครื่องหมาย | หมายเลขสภาพสัมพัทธ์ |
|---|---|---|
| การบวก / การลบ | ||
| การคูณสเกลาร์ | ||
| แผนก | ||
| พหุนาม | ||
| ฟังก์ชันเลขชี้กำลัง | ||
| ฟังก์ชันลอการิทึมธรรมชาติ | ||
| ฟังก์ชันไซน์ | ||
| ฟังก์ชันโคไซน์ | ||
| ฟังก์ชันแทนเจนต์ | ||
| ฟังก์ชันไซน์ผกผัน | ||
| ฟังก์ชันโคไซน์ผกผัน | ||
| ฟังก์ชันแทนเจนต์ผกผัน |
ตัวแปรหลายตัว
สามารถกำหนดค่าสภาพ (condition number) สำหรับฟังก์ชันใดๆที่แมปข้อมูลจากโดเมน หนึ่ง (เช่นทูเปิลของจำนวนจริง n ตัว ) ไปยังโคโดเมน หนึ่ง (เช่นทูเปิลของจำนวนจริง n ตัว ) โดยที่ทั้งโดเมนและโคโดเมนเป็นปริภูมิบานาค (Banach space ) ค่าสภาพเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าฟังก์ชันนั้นมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย (หรือข้อผิดพลาดเล็กน้อย) ในอาร์กิวเมนต์มากน้อยเพียงใด ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการประเมินความไวและปัญหาความแม่นยำที่อาจเกิดขึ้นในปัญหาการคำนวณต่างๆ มากมาย ตัวอย่างเช่นการหาค่ารากของพหุนามหรือการคำนวณ ค่าลักษณะเฉพาะ (eigenvalues )
หมายเลขเงื่อนไขของณ จุดหนึ่ง(โดยเฉพาะหมายเลขเงื่อนไขสัมพัทธ์[ 4 ] ) จะถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนสูงสุดของการเปลี่ยนแปลงเศษส่วนในต่อการเปลี่ยนแปลงเศษส่วนใดๆ ในในขีดจำกัดที่การเปลี่ยนแปลงใน กลายเป็นเล็กจนแทบไม่มีนัยสำคัญ: [ 4 ]
โดยที่บรรทัดฐานบนโดเมน/โคโดเมนของ
ถ้าสามารถหาอนุพันธ์ได้ จะเทียบเท่ากับ: [ 4 ]
โดยที่ แทนเมทริกซ์จาโคเบียนของอนุพันธ์ย่อยของที่และคือค่าบรรทัดฐานที่เหนี่ยวนำบนเมทริกซ์
ดูเพิ่มเติม
- วิธีการเชิงตัวเลขสำหรับกำลังสองน้อยที่สุดเชิงเส้น
- เสถียรภาพเชิงตัวเลข
- เครื่องปรับสภาพเบื้องต้น
- เมทริกซ์ฮิลเบิร์ต
- ปัญหาที่ตั้งไว้ไม่ถูกต้อง
- ค่าเอกลักษณ์
- เมทริกซ์วิลสัน
อ่านเพิ่มเติม
- เดมเมล, เจมส์ (1990). "เมทริกซ์บกพร่องที่ใกล้ที่สุดและเรขาคณิตของภาวะไม่เสถียร" ใน ค็อกซ์, เอ็มจี; แฮมมาร์ลิง, เอส. (บรรณาธิการ). การคำนวณเชิงตัวเลขที่เชื่อถือได้ . อ็อกซ์ฟอร์ด: สำนักพิมพ์แคลเรนดอน. หน้า 35–55 . ISBN 0-19-853564-3.
- Ludwig, Oswaldo (2025). "หมายเลขเงื่อนไขในฐานะตัวแทนที่ไม่ขึ้นกับมาตราส่วนสำหรับการเข้ารหัสข้อมูลในหน่วยประสาท" arXiv : 2506.16289 [ stat.ML ]
ลิงก์ภายนอก
- ค่าสภาพของเมทริกซ์ที่สถาบันวิธีการเชิงตัวเลขแบบองค์รวม
- ฟังก์ชันจากไลบรารี MATLAB สำหรับคำนวณค่าสภาพ (condition number)
- หมายเลขเงื่อนไข – สารานุกรมคณิตศาสตร์
- ใครเป็นผู้คิดค้นหมายเลขเงื่อนไขเมทริกซ์? โดย นิค ไฮแฮม
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ หมายเลขเงื่อนไข
ใน การวิเคราะห์เชิง ตัวเลข ค่าสภาพ ของ ฟังก์ชัน จะวัดว่าค่าเอาต์พุตของฟังก์ชันสามารถเปลี่ยนแปลงได้มากน้อยเพียงใดเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในตัวแปรอินพุต ค่านี้ใช้ในการวัดว่า...
เมทริกซ์
ตัวอย่างเช่น ค่าสภาพ (condition number) ที่เกี่ยวข้องกับ สมการเชิงเส้น Ax = b จะให้ขอบเขตว่าค่าคำตอบ x จะคลาดเคลื่อนมากน้อยเพียงใดหลังจากการประมาณค่า โปรดสังเกตว่านี่คือการพิจารณาก่อนที่ จะคำนึงถึงผลกระทบของ ข้อผิดพลาดจากการปัดเศษ สภาพเป็นคุณสมบัติของ...
ไม่เชิงเส้น
ค่าสภาพ (condition number) สามารถกำหนดได้สำหรับฟังก์ชันที่ไม่เป็นเชิงเส้น และสามารถคำนวณได้โดยใช้ แคลคูลัส ค่าสภาพจะแตกต่างกันไปตามจุด ในบางกรณี เราสามารถใช้ค่าสภาพสูงสุด (หรือ ค่าสูงสุด ) ใน โดเมน ของฟังก์ชันหรือโดเมนของคำถามเป็นค่าสภาพโดยรวมได้...
ตัวแปรหนึ่งตัว
ค่า สภาพ สัมบูรณ์ ของ ฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ ในตัวแปรเดียว คือ ค่าสัมบูรณ์ ของ อนุพันธ์ ของฟังก์ชันนั้น: เอฟ {\displaystyle f}