8.1. Метод комплексного шага#

Метод комплексного шага (complex step method) [KW19, MSA03] относится к численным методам дифференцирования (наряду с методом конечных разностей). Однако, арифметика, стоящая за методом, роднит его с методом автоматического дифференцирования вперёд.

Заключается метод в следующем. Вычислим функцию \(f\) один раз в точке \(x + i h\) (\(i h\) и есть комплексный шаг). Разложение Тейлора для \(f(x + ih)\) имеет вид

\[f(x + i h) = f(x) + i h f'(x) - h^2 \frac{f''(x)}{2!} - i h^3 \frac{f'''(x)}{3!} + \dots\]

Мнимая часть разложения

\[\operatorname{Im}(f(x + i h)) = h f'(x) - h^3 \frac{f'''(x)}{3!} + \dots = h f'(x) + O(h^3)\]

позволяет вычислить производную \(f'(x)\) с точностью \(O(h^2)\)

(8.1)#\[f'(x) = \frac{\operatorname{Im}(f(x + i h))}{h} + O(h^2).\]

В свою очередь, действительная часть разложения

\[\operatorname{Re}(f(x + i h)) = f(x) - h^2 \frac{f''(x)}{2!} + \dots = f(x) + O(h^2)\]

содержит значение \(f(x)\) с той же точностью, \(O(h^2)\)

\[f(x) = \operatorname{Re}(f(x + i h)) + O(h^2).\]

Метод комплексного шага прост в реализации.

Функция 8.1 (diff_complexstep)

Метод комплексного шага

"""
    diff_complexstep(f, x; h=1e-16)

Производная скалярной функции `f` в точке `x` методом комплексного шага,
размер шага `h`.
"""
diff_complexstep(f, x; h=1e-16) = imag(f(x + im * h)) / h

Как видно из реализации, метод можно применять к любой функции, вычислимой от комплекcного аргумента. При этом от программиста требуется определить только дифференцируемую функцию (скажем, уравнение состояния), а её производные можно вычислить, выполнив вычисление от комплексного числа.

В демонстрации ниже показан пример вычисления производной функции методом комплексного шага, а также сравнивается точность этого метода с парой методов конечных разностей.

Демонстрация 8.2

Рассмотрим три численных метода дифференцирования: методы конечных разностей (прямой и центральный вариант) и метод комплексного шага.

diff_complexstep(f, x, h=1e-16) = imag(f(x + im * h)) / h
diff_forward(f, x, h=1e-8) = (f(x + h) - f(x)) / h
diff_central(f, x, h=1e-6) = (f(x + h/2) - f(x - h/2)) / h

Сравним точности методов на примере вычисления производной синуса в точке \(x = 1/3\).

f(x) = sin(x)
df(x) = cos(x)

x = 1/3
h = [2.0^i for i in -52:0]

err_complex = @. abs(1 - diff_complexstep(f, x, h)/df(x))
err_forward = @. abs(1 - diff_forward(f, x, h)/df(x))
err_central = @. abs(1 - diff_central(f, x, h)/df(x))

График зависимости невязки от размера шага \(h\) выглядит следующим образом (\(\log-\log\) шкала).

using Plots

plot(;
    xaxis=:log10,
    yaxis=:log10,
    xlabel="Размер шага h",
    ylabel="Норма относительной невязки",
    leg_title="Метод", leg=:top
)

plot!(h[err_complex .> 0], err_complex[err_complex .> 0]; label="комплексный шаг")
plot!(h, err_forward; label="разность вперёд")
plot!(h, err_central; label="центральная разность")

xticks!([10.0^i for i in -14:2:0])

При этом значения невязки для метода комплексного шага при шагах менее \(1.5 \times 10^{-8}\) получились нулевыми (поэтому они не насенены на график в логарифмической шкале).

[h err_complex][err_complex .== 0, :]
27×2 Matrix{Float64}:
 2.22045e-16  0.0
 4.44089e-16  0.0
 8.88178e-16  0.0
 1.77636e-15  0.0
 3.55271e-15  0.0
 7.10543e-15  0.0
 1.42109e-14  0.0
 2.84217e-14  0.0
 5.68434e-14  0.0
 1.13687e-13  0.0
 2.27374e-13  0.0
 4.54747e-13  0.0
 9.09495e-13  0.0
 ⋮            
 7.27596e-12  0.0
 1.45519e-11  0.0
 2.91038e-11  0.0
 5.82077e-11  0.0
 1.16415e-10  0.0
 2.32831e-10  0.0
 4.65661e-10  0.0
 9.31323e-10  0.0
 1.86265e-9   0.0
 3.72529e-9   0.0
 7.45058e-9   0.0
 1.49012e-8   0.0

Так, метод комплексного шага более устойчив, чем методы конечных разностей, к ошибкам округления, возникающих в арифметике с конечной точностью. Устойчивость кроется в избегании эффекта subtractive cancellation за счёт вычисления функции один раз (вместо двух).

Метод комплескного шага гораздо лучше устойчив к численным эффектам, чем методы конечных разностей. Тем не менее, его точность аналитически ограничена (8.1). Далее мы увидим, что можно получить точное значение производной, если вычислить функцию не от комплексного, а от дуального числа.