Chapter 17 · 부록

용어집 & 종합 퀴즈

열여섯 장의 알고리즘을 한곳에 모았습니다. 문제 앞에서 실제로 묻는 것은 늘 넷입니다. 어떤 방법을 쓸까, 오차는 h나 반복 수에 따라 얼마나 줄까, 비용은 얼마일까, 언제 터질까. 고르기 도우미 → 오차·비용 한눈표 → 수렴 차수 → 안정성 조건 → 용어 검색 → 종합 퀴즈 순서입니다.

알고리즘 고르기 도우미

무엇을 계산하는지 고르고, 문제의 성질(도함수가 있는가, 행렬이 대칭인가, 강성인가…)을 고르면 먼저 써 볼 방법(강조)과 대안, 다룬 절로 가는 링크가 나옵니다.

GUIDE

이 문제, 어떤 알고리즘으로?

무엇을
문제의 성질
오차·수렴—
조심할 것—
안내는 교과서 수준의 일반 원칙입니다. 어떤 방법이든 마지막 검산은 같습니다. h(또는 허용 오차)를 반으로 줄여 답이 기대한 차수만큼 변하는지 보고, 잔차와 조건수를 함께 확인합니다.

방법별 오차 차수·비용 한눈표

h는 간격, n은 미지수(점) 수, N은 표본·격자 수, κ는 조건수입니다. 비용은 대표적인 flop 수 또는 함수 계산 횟수입니다.

보간·근사·FFT
방법오차비용장
n차 다항식 보간f⁽ⁿ⁺¹⁾(ξ)/(n+1)! · ∏(x − xᵢ)무게중심: 준비 O(n²), 점당 O(n)5장
조각별 선형h²/8 · max|f″|, O(h²)O(1)/점6장
PCHIP약 O(h³), 단조 유지O(n)6장
3차 스플라인고정·not-a-knot O(h⁴), 자연 O(h²)삼중대각 O(n)6장
최소제곱(QR)상대 오차 ≈ κ(A)u2mn² − 2n³/37장
정규 방정식≈ κ(A)²u (자릿수 2배 손실)약 mn²7장
DFT 직접 / FFT유니터리, κ = 1O(N²) / (N/2)log₂N 곱셈8장
수치 미분·적분
방법오차비용·한계장
전진·후진 차분(h/2)f″, O(h)h* ≈ √ε, 약 8자리9장
중앙 차분(h²/6)f‴, O(h²)h* ≈ ∛ε, 약 10자리9장
복소 스텝O(h²), 뺄셈 없음h = 10⁻²⁰도 됨9장
자동 미분기계 정밀도전진: 입력당 1회, 후진: 출력당 1회9장
합성 사다리꼴·중점O(h²), 주기 함수는 지수적f n + 1회10장
합성 심프슨O(h⁴), 3차까지 정확f n + 1회10장
롬베르크열마다 차수 +2새 중점만 계산10장
n점 가우스–르장드르2n − 1차까지 정확f n회, 가중치 양수10장
몬테카를로σ/√N, 차원 무관한 자리에 표본 100배10장
미분방정식(ODE·PDE)
방법전역 오차걸음당 비용장
명시적 오일러O(h)f 1회11장
음적 오일러 · BDF1O(h)뉴턴(선형계)11장
RK4O(h⁴)f 4회11장
도르만드–프린스 5(4)O(h⁵), 오차 추정 포함7단, FSAL로 f 6회11장
k단계 AB / AMO(hᵏ) / O(hᵏ⁺¹)f 1회 / PECE 2회11장
BDF k (k ≤ 6)O(hᵏ)단순화 뉴턴, LU 재사용11장
스퇴르머–베를레O(h²), 에너지 오차 유계f 1회11장
열 FTCS / BTCSO(Δt + Δx²)O(n) / 토머스 O(n)16장
크랭크–니콜슨O(Δt² + Δx²)토머스 O(n)16장
풍상 / 랙스–벤드로프O(Δt + Δx) / O(Δt² + Δx²)O(n)16장
수치 선형대수·최적화
방법정확도·수렴비용장
LU(부분 피벗팅)후방 안정, 오차 ≈ κu(2/3)n³ + 우변당 2n²12장
촐레스키피벗팅 없이 안정(1/3)n³12장
토머스 / 띠 LU대각 우세면 안정약 8n / O(nw²)12장
야코비·G–S비율 ρ(G); 푸아송 O(N²)회반복당 O(nnz)13장
최적 SOR · CG푸아송 O(N)회; CG (√κ−1)/(√κ+1)반복당 O(nnz)13장
다중 격자격자와 무관한 반복 수O(n)13장
QR 알고리즘후방 안정, 고유값당 2–3단계비대칭 약 10n³, 대칭 (4/3)n³14장
경사 하강 / 모멘텀(κ−1)/(κ+1) / (√κ−1)/(√κ+1)기울기 1회15장
뉴턴 / BFGS2차 / 초선형O(n³) / O(n²)15장

수렴 차수 비교

반복법의 속도는 |en+1| ≈ C|en|p의 차수 p와 상수 C로 요약됩니다. 공평하게 비교하려면 한 단계의 비용(함수·도함수 계산, 선형계 풀이)까지 셉니다.

근 찾기·1차원 최소화
방법차수 p단계당 계산장
이분법1 (C = 1/2), 자릿수당 3.3번f 13장
고정점 반복1 (C = |g′(r)|)g 13장
가위치법 / 일리노이1 / 약 1.44f 13장
할선법1.618 (p² = p + 1)f 1, 효율 1.6183장
역2차 보간약 1.839f 13장
뉴턴(단순근)2f + f′, 효율 1.4143장
뉴턴(m중근)1 (C = (m − 1)/m)f + f′3장
황금 분할 / 포물선1 (C = 0.618) / 약 1.32f 115장
연립·행렬 반복
방법수렴단계당 계산장
다변수 뉴턴2F, J, 선형계4장
브로이든 · BFGS초선형F(∇f) 1, O(n²)4장
가우스–뉴턴영 잔차면 2, 아니면 1(잔차가 크면 느림)J, 최소제곱15장
정상 반복(야코비·G–S·SOR)1 (C = ρ(G)), G–S: ρJ²Ax 113장
최급 강하 / CG(κ−1)/(κ+1) / (√κ−1)/(√κ+1)Ax 113장
거듭제곱법1 (C = |λ₂/λ₁|)Ax 114장
이동 역반복1 (C = |λJ − σ|/|λK − σ|)LU 재사용 풀이14장
레일리 몫 반복대칭 3, 비대칭 2매번 새 풀이14장
SIMULATOR

수렴 차수 경주: 10⁻¹⁵까지 몇 번?

가로축
모델: eₙ₊₁ = C·eₙᵖ. 선형(p = 1)은 위 슬라이더의 C, 초선형은 C = 1로 둡니다. 함수 계산 수는 선형·할선 1, 뉴턴 2(f, f′)로 셉니다. 해볼 것: ① e₀를 10⁻³으로 줄이면 2차·3차는 한두 번 덜 걸리고, 선형은 줄어든 자릿수만큼 꼬박 덜 걸립니다. ② '함수 계산 수'에서 할선법이 뉴턴을 앞지르는지 보세요(효율 지수 1.618 대 1.414). ③ C = 0.95는 ρ(G)가 1에 가까운 야코비 반복이나 |λ₂/λ₁| ≈ 1인 거듭제곱법의 모습입니다.

안정성 조건 모음

"수렴 = 일관성 + 안정성"(11장, 16장 랙스 동등성). 정확도가 아니라 안정성이 걸음 폭을 정하는 순간을 알아보는 것이 핵심입니다.

ODE: 시험 방정식 y′ = λy, z = hλ (이름 뒤 숫자는 차수)
방법음의 실수축 안정 구간성격
명시적 오일러|1 + z| ≤ 1, (−2, 0)h ≤ 2/|λ|
AB2 · AB3 · AB4(−1, 0) · (−0.545, 0) · (−0.300, 0)차수 ↑, 영역 ↓
RK4 · DP5(−2.785, 0) · (−3.306, 0)명시적
AM3 · AM4(−6, 0) · (−3, 0)음적, 유한 영역
사다리꼴(AM2)왼쪽 반평면 전체A-안정, L-안정 아님
음적 오일러 · BDF2왼쪽 반평면 전체A-안정 + L-안정
BDF3 · 4 · 5 · 6A(α): 86.03°, 73.35°, 51.84°, 17.84°제2 장벽, BDF7부터 영 안정 아님
다단계 일반근 조건(영 안정)달퀴스트 동등성
PDE 차분법(r = αΔt/Δx², C = aΔt/Δx)
방법안정 조건증폭 인자 G
열 FTCSr ≤ 1/21 − 4r sin²(θ/2)
열 BTCS무조건1/(1 + 4r sin²(θ/2))
크랭크–니콜슨무조건(큰 r에서 G → −1 진동)(1 − 2r sin²(θ/2))/(1 + 2r sin²(θ/2))
이류 중앙 FTCS없음(무조건 불안정)|G|² = 1 + C²sin²θ
풍상 차분0 ≤ C ≤ 1수치 확산 (aΔx/2)(1 − C)
랙스–벤드로프|C| ≤ 12차, 진동(분산)
파동 립프로그C ≤ 1 (CFL)|G| = 1, 수치 분산
반복법이 수렴할 조건
방법조건
고정점 반복근 근처에서 |g′| < 1(축소 사상)
뉴턴(1변수·다변수)단순근·J(r) 가역, 충분히 가까운 출발점(먼 곳은 감쇠)
정상 반복ρ(G) < 1 (필요충분)
야코비 · G–S엄격한 대각 우세면 수렴, SPD면 G–S 수렴
SOR0 < ω < 2 필요, SPD면 충분
CGA가 대칭 양정치
경사 하강(고정 걸음)0 < αL < 2, 최선 α = 2/(L + μ)
BFGSyᵀs > 0(울프 조건)이면 양정치 유지
SIMULATOR

안정성이 정하는 걸음 폭

ODE 칸은 t ∈ [0, 10]을 가는 데 필요한 최소 걸음 수(명시적 방법은 h ≤ ℓ/|λ|, ℓ은 위 표의 음의 실수축 안정 구간 길이)이고, PDE 칸은 Δt의 상한입니다. 해볼 것: ① |λ|를 10⁶으로 올리면 명시적 방법의 걸음 수가 수백만이 됩니다. 느린 성분만 보고 싶은 강성 문제라면 BDF는 정확도가 허락하는 만큼 크게 걷습니다(11장). ② Δx를 반으로 줄이면 열 FTCS의 Δt는 4분의 1, 이류·파동의 Δt는 2분의 1이 됩니다. 확산이 명시적 방법에 더 가혹한 이유입니다(16장).

용어집

종합 퀴즈

열여섯 장에서 두 문제씩, 모두 32문항입니다. 몇 줄의 손계산으로 푸는 문제와 방법의 성질을 묻는 문제가 섞여 있습니다. 답을 고르면 해설이 열리고, 틀린 문제의 장이 위에 모입니다.

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