探索混沌与秩序的边界。
只要方向大致正确,每一步都在修正错误,最终就一定能逼近真理。对吗?当然不对了。在数值分析领域有一种收敛速度极快的算法,它以最戏剧化的方式揭示了这个直觉的漏洞,这就是牛顿迭代法,也被称为切线法。
它的核心思想极其优雅,想要求解方程f(x)等于0的根,先猜一个初始值x0,然后过曲线上这个点作切线,切线与x轴的交点就是更接近真实根的x1,如此循环往复。牛顿法在局部拥有二次收敛的恐怖速度,每迭代一次,正确的小数位数就翻一倍。
但这里藏着一个致命的陷阱,牛顿法对初始值的选取极为敏感,初始值一旦落入某个错误引力范围,迭代序列不仅不会逼近真根,反而会陷入无穷循环,炸飞到无穷远,或者死死锁定在一个你根本不想要的假根上。
关于牛顿迭代法最令人不安的视觉证据来自复平面上的牛顿分形,考虑一个最简单的三次方程:z的立方减1等于0,它的三个根均匀分布在复平面的单位圆上,分别位于1、负二分之一加二分之根号3i、负二分之一减二分之根号3i。
直觉上,从一个根附近的点出发,牛顿法应该会把你带到最近的根。但当你用计算机给复平面上每一个点都涂上颜色,标记它最终收敛于哪个根时,生成的图案会让任何数学家倒吸一口凉气。
三个根的引力盆地之间并非整齐的扇形分界线,而是以一种无穷递归的自相似结构犬牙交错在一起。在任意两个根之间的分界线上,无论你放大多少倍,都会看到三个颜色的触须纠缠在一起。这意味着在某些区域,极端敏感依赖性,你把初始值移动一根头发丝的十亿分之一,最终收敛到的根就会完全不同。数学上的确定性算法却产生了物理上的不可预测性。
我的意思是,你以为只要方向大致正确,每次犯错都及时修正,总能一步步靠近她。可牛顿分形告诉你,有些地方差一根头发丝的初始位置就会掉进完全不同的根,向左一步是靠近,向右一步是永别。你站在分形边界上根本看不清自己到底属于哪一侧,你们之间有层看不见的边界比任何算法都更不可预测。
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