Zuverlässige numerische Berechnungen mit dem Spigot-Ansatz

Der Spigot-Ansatz ist eine elegante Vorgehensweise, spezielle numerische Werte zuverlässig, effizient und mit beliebiger Genauigkeit zu berechnen. Die Stärke des Ansatzes ist seine Effizienz, seine totale Korrektheit und seine mathematisch exakt begründete Sicherstellung einer gewünschten absoluten Genauigkeit. Seine Schwäche ist möglicherweise die eingeschränkte Anwendbarkeit. Es gibt in der Literatur Spigot-Berechnung für e und pi. Wurzelberechnung und Logarithmenberechnung gehören zu den Hauptergebnissen der Dissertation. In Kombination mit den Methoden der Reihentransformation von Zeilberger und Wilf bzw. von Gosper ist der Einsatz zur Berechnung von hypergeometrischen Reihen sehr Erfolg versprechend. Eine interessante offene Frage ist die Berechnung der Feigenbaumkonstanten mit dem Ansatz. 'Spigot' bedeutet 'sukzessive Extraktion von Wertanteilen': die Wertanteile werden extrahiert, als ob sie durch einen Hahn (englisch: spigot) gepumpt werden. Es ist dabei besonders interessant, dass in bestimmten Fällen ein Wert-Anteil mit einer Ziffer der Kodierung des Ergebnisses versehen werden kann. Der Spigot-Ansatz steht damit im Gegensatz zu den konventionellen Iterationsverfahren: in einem Schritt des Spigot-Ansatzes wird jeweils ein Wert-Anteil 'extrahiert' und das gesamte Ergebnis ist die Summe der Wert-Anteile; während ein Schritt in einem Iterationsverfahren die Berechnung eines besseren gesamten Ergebnisses aus dem des vorigen Schritt beinhaltet. Das Grundschema der Berechnung mit dem Spigot-Ansatz sieht folgendermaßen aus: zuerst wird für den zu berechnenden numerischen Wert eine gut konvergierende Reihe mit rationalen Gliedern durch symbolisch-algebraische Methoden hergeleitet; dann wird für eine gewünschte Genauigkeit eine Teilsumme ausgewählt; anschließend werden aus der Teilsumme Wert-Anteile iterativ extrahiert. Die Extraktion von Wert-Anteilen aus der Teilsumme geschieht mit dem Spigot-Algorithmus, der auf Sale zurück geht, nur Integer-Arithmetik benötigt und sich als eine verallgemeinerte Form der Basis-Konvertierung dadurch auffassen lässt, dass die Teilsumme als die Kodierung des Wertes in einer inhomogenen Basis interpretiert wird. Die Spigot-Idee findet auch in der Überführung einer Reihe in eine besser konvergierende Reihe auf der Art und Weise Anwendung, dass Wert-Anteile aus der Reihe extrahiert werden, um die originale Reihe werttreu zur Reihe der Wert-Anteile zu transformieren. Dies geschieht mit den Methoden der Reihentransformation von Gosper bzw. Wilf. Die Dissertation umfasst im Wesentlichen die Formalisierung des Spigot-Algorithmus und der Gosperschen Reihentransformation, eine systematische Darstellung der Ansätze, Methoden und Techniken der Reihenentwiclung und Reihentransformation (die Herleitung von Reihen mit Hilfe charakteristischer Funktionalgleichungen; Methoden der Reihentransformation von Euler, Kummer, Markoff, Gosper, Zeilberger und Wilf) sowie die Methoden zur Berechnung von Wurzeln und Logarithmen mit dem Spigot-Ansatz. Es ist interessant zu sehen, wie sich die Grundideen des Spigot-Algorithmus, der Wurzelberechnung und der Logarithmenberechnung jeweils im Wesentlichen durch eine Gleichung ausdrücken lassen. Es ist auch interessant zu sehen, wie sich verschiedene Methoden der Reihentransformation auf einige einfache Grundideen zurückführen lassen. Beispiele für den Beweis von totalen Korrektheit (bei iterativer Berechnung von Wurzeln) könnte auch von starkem Interesse sein. Um die Zuverlässigkeit anderer Methoden zur Berechnung von natürlichen Logarithmen zu überprüfen, scheint der Vergleich der Ergebnisse mit den des Spigot-Ansatzes die beste Methode zu sein. Anders als bei Wurzelberechnung kann hierbei zur Überprüfung die inverse Berechnung nicht angewandt werden.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Technische Universität Dresden

Year

2005

Author dc:creator

• Do, Dang-Khoa

Contributors dc:contributor

• Stoschek, Erwin P.
• Kerner, Immo O.
• Hantzschmann, Karl

• Spigot
• totale Korrektheit
• Reihentransformation
• Wurzelberechnung
• Logarithmenberechnung
• total correctness
• acceleration of series
• computation of roots
• computation of logarithms