$\gdef\spaces#1{~ #1 ~}$ $\gdef\quads#1{\quad #1 \quad}$ $\gdef\eqq{\quads=}$ $\gdef\str#1{{\footnotesize #1}}$

$\gdef\R{\mathbf{R}}$ $\gdef\C{\mathbf{C}}$

我们首先观察朴素的数值微分的计算过程. 待微分函数为 $(x+3)^2$, 此处不妨取 $x=-2$, $h=10^{-5}$, 这一位置的导数 $A$ 近似为

$$ A \quads\approx \frac{f(x+h)-f(x)}h \eqq \frac{(1 + 10^{-5})^2 - 1^2}{10^{-5}} \eqq 2.00001 $$

并且如果试图得到与预期的 $A=2$ 更接近的结果, 则须将无穷小近似 $h$ 选取为更靠近 $0$ 的数值, 这对于浮点精度有限的计算机来说极为不利.

而朴素的符号微分视表达式为树结构, 通过遍历树并对符合模式的节点应用求导规则. 即

$$ \begin{aligned} (x+3)^2 & \spaces\to (x+3)'(x+3) + (x+3)(x+3)' \\ & \spaces\to 1 \cdot (x+3) + (x+3) \cdot 1 \\ & \spaces\to 2x+6 \end{aligned} $$

此时再应用 $x=-2$ 得到 $A=2$. 这个做法在结果上可行, 但处理复杂的表达式时, 中间过程本身会产生大量新的结点, 使递归遍历的实际时间达到指数级 $\mathcal{O}(2^N)$.

有没有方法可以既避免递归又减少中间结点呢? 我们先看一个涉及复数域的观察.

选取同样的 $h=10^{-5}$, 以下计算表明 Cleve 方法相比前文基于有限差分的数值微分方法能够很好的避免精度损失.

$$ \frac{\Im(1 + 10^{-5}i)^{2}}{10^{-5}} \eqq \frac{\Im(\square + 2 \times 10^{- 5}i)}{10^{- 5}} \eqq 2 $$

实际上此处 $h$ 的选取, 只要其非零, 从而带有 $i$ 的项不消失, 就不会影响到最终的结果. 换言之, 这个方法从根本上来说, 是无关于 $h \in \R\smallsetminus\{0\}$ 和 $i$ 的, 只是在数值计算时借由复数算术和复函数值可以免去一些幂零结构的讨论. 一旦意识到这一点, 我们便可以将

$$ \frac{\partial f}{\partial x} \quads\approx \frac{\Im f(x+ih)}{h} $$

当中的近似 “$\approx$” 修正为严格等于 “$=$”, 这只需要将 $\{z \in \C : z^2 = -1\}$ 替换为 $D = \{x \in R : x^2 = 0\}$, 问题就来到了如何构造这样的 $R$ 使得 $D$ 中有非零的元素, 这样的结构实际上会动摇经典逻辑中对于排中律的看法.

Definition. 对偶数 [dual-number]

• May 14, 2024
• kokic

$\gdef\R{\mathbf{R}}$ $\gdef\C{\mathbf{C}}$

一种通俗的讲法是, 认为对偶数 $R[x]/(x^2)$ 可以作为复数 $\R[x]/(x^2+1)$ 的类比. 如果有读者能轻率地暂时忽略 $R[x]/(x^2)$ 这种结构的存在性, 或者说接受了下面的 $d$ 的定义

$$ \exists ~ d \in R\smallsetminus\{0\}, ~ d^2 = 0 $$

不能接受也很正常, 因为这轻易就会导致某个经典逻辑中的 矛盾. 为此我们需要下面的准备工作.

Axiom. Kock–Lawvere [kock-lawvere]

• May 13, 2024
• kokic

$\gdef\spaces#1{~ #1 ~}$ $\gdef\R{\mathbf{R}}$

首先需要强调的是, 这个公理所涉及到的结构的有效性全都依赖于 意象理论, 而相关基础的严格性保证基本上在 1970 年之前就已经由 William Lawvere 完工. 记 $\mathcal{E}$ 是光滑空间之间的光滑映射构成的范畴, 同时假定 $\mathcal{E}$ 还是笛卡尔闭范畴, 也就是 $\mathcal{E}$ 中的箭头对笛卡尔积封闭.

我们可以从 $\mathcal{E}$ 中选出一条几何直线 $R$, 通过指定 $R$ 上两点 $0$ 和 $1$ 之间的距离作为单位长度来确定其他线段的长度. 发挥一些古希腊精神, 线段的移动可以给出 $R$ 上的加法, 尺规作图所构造的 相似三角形 能给出 $R$ 上的乘法 $\gamma = \alpha\beta$.

因此 $R$ 带有交换环结构, 并且允许经典数学中的对象实数环 $\R$ 成为 $R$ 的模型, 注意这里我们只能考虑 $\R$ 作为环的部分, 因为 $R$ 中存在着幂零元.

Kock–Lawvere 公理说的是, 对任意映射 $f: D \to R$, 存在唯一的 $a,b \in R$, 使得

$$ f(\epsilon) \spaces= a + b \epsilon, \quad \forall \epsilon \in D $$

将这里的 $a$ 换成 $f(0)$, 并完全使用量词叙述, 则是

$$ \forall ~ f \in R^D, ~ \exists! ~ b ~ \text{s.t.} ~ \forall ~ d \in D \quad (f(d) = f(0) + b d) $$

如果说这个公理的形式还不足以暗示它的目的, 那么下面这个推论就完全能做到了.

Corollary. 所有函数都光滑 [kock-lawvere-000A]

• May 13, 2024
• kokic

$\gdef\quads#1{\quad #1 \quad}$ $\gdef\spaces#1{~ #1 ~}$

对任意函数 $f:R \rightarrow R$, 存在唯一的函数 $f':R \rightarrow R$ 满足

$$ f(x + \varepsilon) \spaces= f(x) + f'(x)\varepsilon,\quad \forall ~ x \in R, ~ \forall ~ \varepsilon \in D $$

这个通常作为 Kock–Lawvere 公理 的推论出现, 不过从 $\mathcal{E}$ 的定义来看, 这才是整套框架真正的目的之一. 即, 为全体函数恢复牛顿时期 “幂零无穷小量” 计算上的直观, 而不导致矛盾.

Axiom is incompatible with the law of excluded middle. Either the one or the other has to leave the scene. In Part I of this book, the law of excluded middle has to leave, being incompatible with the natural synthetic reasoning on smooth geometry to be presented here. In the terms which the logicians use, this means that the logic employed is ‘constructive’ or ‘intuitionistic’. We prefer to think of it just as ‘that reasoning which can be carried out in all sufficiently good cartesian closed categories’.

— Anders Kock, Synthetic Differential Geometry

无论是单纯接受这个 公理 还是认可该公理存在的舞台 $\mathcal{E}$, 其实都会导致完全相同的结果, 那就是 $\mathcal{E}$ 当中一般函数的性质发生了变化, 让所有的函数都变得光滑. 与之相对的, 这样的好性质所要求的代价是, $\mathcal{E}$ 当中不能使用经典逻辑中的选择公理、排中律、反证法等命题.

这样一来, 我们所说的 “将近似修正为严格等于” 就可以精确表示为

$$ \frac{\partial f}{\partial x} \quads= f(x+\epsilon) ~ \str{中} ~ \epsilon ~ \str{项的系数} $$