Grundlagen der Computer-Arithmetik

152 Pages·1977·4.365 MB·German

by  Prof. Dr. R. Albrecht (auth.), Prof. Dr. Rudolf Albrecht, Prof. Dr. Ulrich Kulisch (eds.)

Computing Supplementum 1
Grundlagen
der Computer-Arithmetik
He ra usgegeben
von R. Albrecht und U. Kulisch
Springer-Verlag
Wi en New York
Prof. Dr. Rudolf Albrecht
Institut fiir Informatik und Numerische Mathematik
Universitat Innsbruck
I1sterreich
Prof. Dr. Ulrich Kulisch
Institut fiir Angewandte Mathematik
Universitlit Karlsruhe
Bundesrepublik Deutschland
Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt.
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nahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder lihnlichem
Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser
Verwertung, vorbehaIten.
© 1977 by Springer-VerlagjWien
Mit 13 Abbildungen
Library of Congress Cataloging in Publication Data. Main entry under title: Grundlagen der Computer-Arithmetik. (Computing:
Supplementum; 1.) Diese Artikel stellen eine Auswahl von Vortragen dar, die auf einer vom 4. bis 8. August 1975 1m .. Mathematischen
Forschungsinstitut Oberwolfach" stattgefundenen Taguos gchalten wurden. 1. Algebra, Abstract - Addresses, essays, lectures.
2. Floating-point arithmetic - Addresses, essays, lectures. 3. Mathematics - Data processing - Addresses, essays, lectures.
I. Albrecht, Rudolf, 1925- . II. Kulisch, Ulrich. III. Mathematische. Forschungsin.titut Oberwolfach. IV. Series: Computing
(Wien): Supp1ementum; 1. QAI62.G78. 512'.02. 76-57943.
ISBN-13: 978-3-211-81410-9 e-ISBN-13: 978-3-7091-8471-4
001: 10.1007/978-3-7091-8471-4
Herrn Professor Dr. Josef Heinhold
zum 65. Geburtstag gewidmet
Vorwort
Obwohl man annehmen kann, daB das gerundete Rechnen so alt ist wie das
Rechnen mit Zahlen iiberhaupt, hat es eine ausgedehnte und systematische
Anwendung erst durch die neuzeitlichen Digitalrechenanlagen gefunden. Die
zwangslliufige Begrenzung sowohl des Gesamtspeichers wie der Bitanzahl der
einzelnen Speicherzellen und Register bedingt bei jeder Zahldarstellung eine
Einschrlinkung eines theoretischen, idealisierten, unendlichen Zahlenbereiches
auf eine endliche Teilmenge, in der die realen arithmetischen Operationen
konstruktiv erfolgen. Infolgedessen stimmen die Regeln fiir dieses "gerundete"
Rechnen im realen Bereich mit denen des Rechnens im idealen Bereich nicht
iiberein und verschiedene der klassischen Eigenschaften arithmetischer Ver
kniipfungen, beispielsweise im Korper der rationalen Zahlen die Assoziativitlit
und Distributivitlit, gehen bei Rundung verloren. Der gerundete Bereich sowie
die konstruktiv auszufiihrenden arithmetischen Operationen sind natiirlich nicht
Selbstzweck, sondem sie sollen in zu definierendem Sinne eine Approximation
zunI idealen Bereich und zu den idealen arithmetischen Operationen darstellen.
Seit einigen lahren bestehen nun Versuche und Teilergebnisse zu einer axio
matischen Begriindung und einer Theorie des gerundeten Rechnens. Diese bezie
hen sich einerseits auf die Konstruktionsvorschrift und deren Realisierung, nach
der den idealen Zahlen bzw. einer konstruktiv darstellbaren Untermenge hier
von gerundete Zahlen zuzuordnen sind, urn gewisse Kriterien zu erfiiIlen, z. B.
Minimisierung der Abweichung des Nliherungsergebnisses yom exakten Ergeb
nis bei Auswertung eines arithmetischen Ausdruckes mit verschiedenen Daten
im statistischen Mittel, Ausgabe eines moglichst "kleinen" Zahlenbereiches, in
dem das Ergebnis einer idealen Rechnung mit Sicherheit (Intervall-Arithmetik)
oder mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit liegt. Andererseits beziehen sich die
einschlligigen Arbeiten auf die Untersuchung der GesetzmliBigkeiten und die
konstruktive Durchfiihrung der gerundeten arithmetischen Verkniipfungen und
die auftretenden Strukturen.
Die Arbeiten zeigen, daB fiir diese "Computer-Arithmetik", verstanden als
Sammelbegriff fiir aile Formen des gerundeten arithmetischen Rechnens, die
Grundstrukturen der klassischen Algebra, die durch ihren hohen Abstraktions
grad und die dadurch bedingte Simplifikation die Schwierigkeiten des realen
Rechnens eliminiert hat, nicht adliquat sind. Die Computer-Arithmetik beno
tigt vielmehr von Anfang an BegrifIe, Strukturen und Ergebnisse aus der
Algebra und der Verbandstheorie, Topologie und bei statistischer Interpretation
der MaBtheorie.
VIII Vorwort
In dem vorliegenden Band sind nun eine Reihe einschlagiger Artikel zusam
mengestellt, die sich sowohl mit theoretischen Grundlagen der Computer
Arithmetik als auch mit verschiedenen Anwendungen, so mit Genauigkeits
fragen und Fehlerabschatzungen bei Gleitkommarechnungen und mit einigen
Problemen der Intervall-Arithrnetik und Intervall-Analysis, befassen. Diese
Artikel stellen eine Auswahl von Vortragen dar, die auf einer vom 4. bis 8. August
1975 im "Mathematischen Forschungsinstitut Oberwolfach" stattgefundenen
Tagung gehalten wurden. Fur die Ermoglichung der Tagung in Oberwolfach
mochten wir Herrn M. Barner sehr danken.
Die Arbeiten zeigen, daB sich der Theorie noch ein sehr weites Tatigkeitsfeld
eroffnet, das in der Untersuchung der Analoga der hoheren algebraischen
Strukturen und deren Eigenschaften und in der Entwicklung einer "Analysis"
in Raumen mit Rundung besteht. Die Anwendungen lassen u. a. wesentliche
Fortschritte bezuglich der Genauigkeit und der Fehlerabschatzung von
Rechenergebnissen, bezuglich der Kontrollierbarkeit und Programmierbarkeit
der Topologie einer Rechenanlage und bezuglich der Erweiterung der zur
approximativen Losung einer Aufgabe mit vorgegebener Genauigkeit bekann
ten Menge von Algorithmen erwarten.
Innsbruck und Karlsruhe, im November 1976 R. Albrecht und U. Kulisch
Inhaltsverzeichnis
Albrecht, R.: Grundlagen einer Theorie gerundeter algebraischer Ver-
knupfungen in topologischen Vereinen ........................... .
Alefeld, G.: Uber die DurchfUhrbarkeit des GauBschen Algorithmus bei
Gleichungen mit Intervallen als Koeffizienten ..................... 15
Bohlender, G.: Genaue Summation von Gleitkommazahlen ............ 21
Bohlender, G.: Produkte und Wurze1n von Gleitkommazahlen. . . . . . . . .. 33
Gruner, K.: Fehlerschranken fUr lineare Gleichungssysteme ............ 47
Herzberger, J.: Zur Approximation des Wertebereiches reeller Funktionen
durch Intervallausdrucke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57
Kaucher, E. : Algebraische Erweiterungen der Intervallrechnung unter Erhal-
tung der Ordnungs- und Verbandsstrukturen ...................... 65
Kaucher, E.: Uber Eigenschaften und Anwendungsmoglichkeiten der erwei
terten Intervallrechnung und des hyperbolischen Fastkorpers uber IR 81
Kulisch, U. : Ein Konzept fUr eine allgemeine Theorie der Rechnerarithmetik 95
Kulisch, U.: Uber die beim numerischen Rechnen mit Rechenanlagen
auftretenden Riiume ............................................ 107
Ratschek, H.: Fehlererfassung mit partiellen Mengen . . . . . . . . . . . . . . . . .. 121
Ullrich, Chr.: Zum BegrifT des Rasters und der minimalen Rundung .... 129
Ullrich, Chr.: Zur Konstruktion komplexer Kreisarithmetiken . . . . . . . . .. 135
Computing, Suppl. 1, 1-14 (1977)
© by Springer-Verlag 1977
Grundlagen einer Theorie gerundeter algebraischer Verkniipfungen
in topologischen Vereinen
R. Albrecht, Innsbruck
Zusammenfassung
Eine algebraische Verkniipfung auf einer Menge m: wird auf einen Teil U ihrer Potenzmenge iiber
tragen mittels einer Relationsfamilie R auf U2• 1st !ll eine geordnete Menge (ein Verein), so wird
eine gerundete algebraische Verkniipfung auf !ll dadurch hergestellt, daB jedem Element aus !ll
mittels einer Abbildung CT ein Element aus U zugewiesen wird, zwei solche Elemente iiber eine
Relation R verkniipft werden und das Ergebnis mit einer Abbildung p wieder in !ll abgebildet
wird. Die Abbildung p CT von !ll in sich entspricht nichtklassischen Topologien auf einem Paar !ll
iiberdeckender Teilmengen von !ll. Fiir die auftretenden Abbildungen werden einige Homomorphie
satze angegeben. Der algebraische Invertierungssatz fUr eine assoziative und kommutative Ver
kniipfung wird strukturvertraglich auf den topologischen Verein !ll erweitert. SchlieBlich werden
gerundete Verkniipfungen betrachtet, bei denen den Elementen von !ll Wahrscheinlichkeitsraume
zugeordnet sind.
1. Obertragung einer a1gebraischen Verkniipfung auf einer Menge auf einen Tell
ihrer Potenzmenge
Bei verschiedenen Formen des gerundeten Rechnens tritt anstelle einer ele
menteweisen algebraischen Verkntipfung auf dem zugrundegelegten Zahlen
bereich eine Verkntipfung von Teilmengen dieses Zahlenbereiches. Der folgende
Absatz ist Voraussetzungen, Defmitionen und Beispielen derartiger Teil
mengenverkntipfungen gewidmet.
Voraussetzung 1.1: Sei 21 eine nichtleere Menge, * eine innere Verkntipfung,
* : 212 -+ 21, sodaB 1\ (A, B) 1-+ A * B E 21, und sei U s;;; ~ (21), U =f I).
A,BE'll
Dann sei Reine Abbildung R : U2 -+ ~ (212), sodaB
1\ R (U, V) s;;; U x V 1\ {A * B 1 (A,B) E R (U, V)} E U.
U,VeU
Diese Voraussetzung ermoglicht
Dermition 1.1: Ais durch * und R bestimmte innere Verkntipfung ! : U2 -+ U
wird definiert:
1\ (U, V) 1-+ U! V =def {A * B 1( A, B) E R (U, V)}.
U,VEU
Beispiele:
(1) Das bekannteste Beispiel ist die Komplexverkntipfung:
U = ~ (21), 1\ R (U, V) = U x V.
U,VeU
2 R. Albrecht:
(2) Ein Beispiel, das auf die Anwendung in der Intervallrechnung zielt, die
sich der hier entwickelten Theorie des gerundeten Rechnens vollig unter
ordnet, ist folgendes: U = ~ (m), fUr R gelte
1\
(a) R (U, U) = diag U x U.
('eU
(b) In (m, *) existiere ein neutrales Element N. Ferner sei fUr jedes inver
m
tierbare Element A E ein eindeutiges inverses Element A -1 vorhanden
m,
und 6 ~ U sei die Menge der Teile von die nur invertierbare
Elemente enthalten. Ferner bezeichne 1\ S-l = der [A - 1 I A E S}.
Se ~
1\
Dann sei R(S,S-1)=def{(A,A-1)IAES}.
Se6
(c) Ftir alle tibrigen Falle sei R beliebig.
Dann gilt 1\ U! U = {A * A I A E U} ("abhangige" Multiplikation)
UeU
1\
und S!S-1=S-1 !S={N}.
Se6
(3) Klassisches gerundetes Rechnen mit Rundung auf Intervallmitte, z. B.
Rundung von r E ~ auf die r nachstgelegene ganze Zahl z:
m= ~, * Multiplikation oder Addition,
U = Menge der Intervalle [z - 0.5, z + 0.5), Z E Z,
1\ R ([z' - 0.5, z' + 0.5), [z" - 0.5, z" + 0.5)) = {(z', Z")}.
z'.z"eZ
Bemerkung 1.1: Voraussetzung 1.1 und Definition 1.1 lassen sich nattirlich
auf den Fall einer n-stelligen inneren Verkntipfung verallgemeinern: n E N,
n > 2, * : mn-+ m, R : un-+ ~ (mn), ferner auf den Fall einer auBeren Verkntipfung
*: ~ x m-+m bzw. *: m x ~-+m und mit fi s;; ~(~) R: fi x u -+~(m x m)
bzw. R: U x fi-+~(m x ~).
In vielen Anwendungen ist folgende Vertraglichkeits- bzw. Monotonieeigenschaft
wesentlich:
Defmition 1.2: Mit Voraussetzung 1.1 gelte:
1\
Xs;;U 1\ y~ V=>R(X,y)s;;R(U,V).
X.Y,U,VeU
Dann heiBt "R mit ~ vertraglich" oder hat R die "Teilmengeneigenschaft".
!)
Uber die Fortsetzbarkeit algebraischer Eigenschaften von (m, *) auf (U, gel
ten folgende Satze:
Satz 1.1: 1st 1\ R (U, V) = R( V, U) 1 und ist * auf m kommutativ, dann ist
U,VeU
: auf U kommutativ. Speziell ist die Komplexverknupfung kommutativ, falls *
kommutativ.
-1
1 R (U, V) bedeutet die zur Relation R (U, V) reziproke Relation (Spiegelung des Graphs an der
Diagonalen).
Grundlagen einer Theorie gerundeter algebraischer Verkniipfungen 3
Satz 1.2: Es sei /\
U,V,WeU
{(A,B,C) I A E U, BE V, C E W, (B,C) ER (V, W), (A, (B * C))ER (U, V! W)} =
{(A,B,C) I A E U, BE V, C E W, (A, B) E R (U, V), (A * B, C) E R (U! V, W)}.
* !.
Dann folgt aus der Assoziativitiit von die Assoziativitiit von Speziell ist die
Komplexverknupfung assoziativ, falls * assoziativ.
Satz 1.3: Seien N E 21, N neutral bezuglich *, {N} E U und /\ R ({N}, U) =
UeU
!).
{N} x U /\ R (U, {N}) = U x {N}. Dann ist {N} neutral in (U, Speziell ist
{N} neutral in ~ (21) bei Komplexverknupfung.
Die Beweise zu diesen Sat zen sind trivial.
2. Algebraische Verkniipfungen auf einem topologischen Verein
In allen praktischen Beispielen von gerundetem Rechnen liegt neben einer
algebraischen Struktur eine topologische vor. Deshalb werden im folgenden all
gemein algebraische Verkniipfungen auf topologischen Vereinen betrachtet.
Zur verwendeten Terminologie siehe z. B. [1].
Voraussetzung 2.1: Es sei III eine nichtleere Menge und :::; eine Ordnungs
relation auf Ill, d. h. (Ill, :::;) ist ein Verein, 0 bzw. E bezeichne das Null
bzw. Einselement, falls es in III existiert.
Voraussetzung 2.2: Fiir 21 9= ~ seien *, U, R, ! nach Voraussetzung 1.1 bzw.
Definition 1.1 erklart.
Voraussetzung 2.3: a sei eine injektive Abbildung a: III --+ U, sodaB (a) oder
(b) gilt mit
(a) /\ (U:::; V<o>a (U) <;: a (V)) /\ 0 E 'l.S=a(O) = ~ /\ E E lll=a(E) = 21,
U,VeID = =
(b) /\ (U:::; V <0> a (U) 2 a (V)) /\ 0 E III a (0) = 21 /\ E E III a (E) =~.
V.VeID
DarausfolgtimFall(a) U < V<o>a(U) c a (V), im Fall (b) U < V<o>a(U) ~ a(V).
Beispiel: III sei ein eindeutig (a) atomarer bzw. (b) antiatomarer Vollverband,
21 sei die Menge der (a) Atome bzw. (b) Antiatome von lB, femer sei U = ~ (21).
Dann ist ein a nach Voraussetzung 2.3 gegeben durch /\ a (V) = def Menge
der (a) Atome bzw. (b) Antiatome von V. Ve II
Definition 2.1: f) = def {a (V) I V E Ill} u {H'! H" I H=', H" E f)}, d. h. f) sei die
!-Hiille von= a (Ill). Daraus folgen f) <;: U und ~ E f) (a) 0 E III bzw. (b) E E III
und 21 E f) (a) E E III bzw. (b) OE Ill.
Voraussetzung 2.4: p sei eine Abbildung p : f) --+ Ill, sodaB gelten
(1) ~ bzw. 21 E f) = p (~) =0 bzw. p (21) = E,
(2) /\ H <;: a p (H) v a p (H) <;: H,
JJ t: »
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