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Lehmer–Schur algorithm

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3853:. To avoid extreme scaling, or just for the sake of efficiency, one may start with testing a number of concentric disks for the number of included roots and thus reduce the region where roots occur to a number of narrow, concentric annuli. Repeating this procedure with another centre and combining the results, the said region becomes the union of intersections of such annuli. Finally, when a small disk is found that contains a single root, that root may be further approximated using other methods, e.g. 3852:
However, the smaller the disks become, the more the coefficients of the corresponding 'scaled' polynomials will differ in relative magnitude. This may cause overflow or underflow of computer computations, thus limiting the radii of the disks from below and thereby the precision of the computed roots.
3848:
The merits of the method are that it consists of repetition of a single procedure and that all roots are found simultaneously, whether they are real or complex, single, multiple or clustered. Also deflation, i.e. removal of roots already found, is not needed and every test starts with the
3804:. Next this disk can be covered with a set of overlapping smaller disks, one of them placed concentrically and the remaining ones evenly spread over the annulus yet to be covered. From this set, using the test again, disks containing no root of 2194: 2015: 610: 3824:
can be removed. With each of the remaining disks this procedure of covering and removal can be repeated and so any number of times, resulting in a set of arbitrarily small disks that together contain all roots of
346: 223: 1272: 1631: 443: 3328: 1547: 3171: 2622: 1476: 1724: 3466: 2445: 2709: 1343: 3204: 3112: 2971: 2840: 2807: 2348: 846: 3009: 2878: 2747: 2660: 1405: 934: 3569: 2220: 2041: 1092: 1020: 3534: 476: 3644: 3611: 2564: 1756: 968: 2502: 2384: 3079: 3042: 2911: 1177: 3674: 2305: 3734: 3714: 3694: 3392: 1379: 1119: 877: 751: 134: 2272: 2246: 2046: 1867: 1862: 1799: 1142: 1063: 991: 774: 684: 641: 249: 3843: 3822: 3802: 3782: 3754: 3489: 3412: 3372: 3352: 3244: 3224: 2935: 2771: 2522: 2473: 1839: 1819: 1776: 1671: 1651: 1040: 905: 802: 724: 704: 661: 104: 81: 481: 4134: 4353: 257: 139: 3930:(Repr. of the orig., publ. 1974 by John Wiley \& Sons Ltd., Paperback ed.). New York etc.: John Wiley. pp. xv + 682. 4235: 1182: 4127: 44:
to the complex plane. It uses the Schur-Cohn test to test increasingly smaller disks for the presence or absence of roots.
3875: 1552: 361: 4332: 3253: 4258: 3935: 1478:. From this and the definitions above the first two statements follow. The other two statements are a consequence of 4151: 4120: 3928:
Applied and computational complex analysis. Volume I: Power series- integration-conformal mapping-location of zeros
4322: 2447:. Application of the foregoing to each pair of consecutive members of this sequence gives the following result. 1485: 3117: 2569: 1410: 4286: 1679: 3417: 2389: 3471:
Not every scaling factor is allowed, however, for the Schur-Cohn test can be applied to the polynomial
2665: 1277: 880: 3176: 3084: 2943: 2812: 2779: 3967: 2309: 807: 4276: 4220: 2976: 2845: 2714: 2627: 1384: 913: 3539: 2199: 2020: 1071: 999: 4301: 4179: 4143: 3849:
full-precision, original polynomial. And, remarkably, this polynomial has never to be evaluated.
3494: 448: 3616: 3574: 2527: 4225: 1729: 939: 84: 33: 2478: 2353: 1479: 4317: 3784:, with the Schur-Cohn test a circular disk can be found large enough to contain all roots of 3051: 3014: 2883: 1156: 56:
allows one to find the distribution of the roots of a complex polynomial with respect to the
3649: 3394:, can be found by application of the Schur-Cohn test to the 'shifted and scaled' polynomial 2280: 2189:{\displaystyle (n_{p}^{-},\;n_{p}^{0},\;n_{p}^{+})=(n_{Tp}^{+}+d,\;n_{Tp}^{0},\;n_{Tp}^{-})} 2010:{\displaystyle (n_{p}^{-},\;n_{p}^{0},\;n_{p}^{+})=(n_{Tp}^{-},\;n_{Tp}^{0},\;n_{Tp}^{+}+d)} 4296: 4271: 4090: 3719: 3699: 3679: 3377: 1348: 1097: 855: 729: 112: 25: 3955:. Mathematical Surveys. No. 3. New York: American Mathematical Society (AMS). p. 148. 2251: 2225: 8: 4281: 4210: 4202: 605:{\displaystyle p^{*}(z)={\bar {a}}_{0}z^{n}+{\bar {a}}_{1}z^{n-1}+\cdots +{\bar {a}}_{n}} 4094: 1844: 1781: 1124: 1045: 973: 756: 666: 623: 231: 4327: 4248: 4192: 4187: 4063: 4028: 3987: 3905: 3854: 3828: 3807: 3787: 3767: 3739: 3474: 3397: 3357: 3337: 3229: 3209: 2920: 2756: 2507: 2458: 1824: 1804: 1761: 1656: 1636: 1025: 890: 787: 709: 689: 646: 89: 66: 37: 4243: 4046:
Stewart, G.W.III (1969). "On Lehmer's method for finding the zeros of a polynomial".
3991: 3931: 3909: 352: 60:
in the complex plane. It is based on two auxiliary polynomials, introduced by Schur.
4032: 4159: 4098: 4055: 4018: 3979: 3895: 3887: 884: 41: 4081:
Loewenthal, Dan (1993). "Improvement on the Lehmer-Schur root detection method".
3983: 3900: 3736:. So a suitable scaling factor can always be found, even arbitrarily close to 3354:
with respect to an arbitrary circle in the complex plane, say one with centre
4347: 4266: 4215: 4164: 4102: 3876:"Uber die Anzahl der Wurzeln einer algebraischen Gleichung in einem Kreise" 4112: 4023: 4006: 57: 29: 17: 4169: 4067: 3891: 1778:
inside, on, and outside the unit circle respectively and similarly for
617: 613: 3968:"Über Potenzreihen, die im Innern des Einheitskreises beschränkt sind" 53: 4059: 40:, extending the idea of enclosing roots like in the one-dimensional 341:{\displaystyle Tp={\overline {p(0)}}p-{\overline {p^{*}(0)}}p^{*},} 3953:
The geometry of the zeros of a polynomial in a complex variable
993:
share roots on the unit circle, including their multiplicities.
3334:
More generally, the distribution of the roots of a polynomial
218:{\displaystyle p^{*}(z)=z^{n}{\overline {p({\bar {z}}^{-1})}}} 3764:
Lehmers method is as follows. For a given complex polynomial
3696:
and the said equalities result in polynomial equations for
3226:
has no roots on the unit circle and the number of roots of
3716:, which therefore hold for only finitely many values of 1267:{\displaystyle p^{*}(z)=z^{n}{\overline {p(z/|z|^{2})}}} 1676:
For a more accessible representation of the lemma, let
1144:
have the same number of roots inside the unit circle.
1065:
have the same number of roots inside the unit circle.
3831: 3810: 3790: 3770: 3742: 3722: 3702: 3682: 3652: 3619: 3577: 3542: 3497: 3477: 3420: 3400: 3380: 3360: 3340: 3256: 3232: 3212: 3179: 3120: 3087: 3054: 3017: 2979: 2946: 2923: 2886: 2848: 2815: 2782: 2759: 2717: 2668: 2630: 2572: 2530: 2510: 2481: 2461: 2392: 2356: 2312: 2283: 2254: 2228: 2202: 2049: 2023: 1870: 1847: 1827: 1807: 1784: 1764: 1732: 1682: 1659: 1639: 1555: 1488: 1413: 1387: 1351: 1280: 1185: 1159: 1127: 1100: 1074: 1048: 1028: 1002: 976: 942: 916: 893: 858: 810: 790: 759: 732: 712: 692: 669: 649: 626: 484: 451: 364: 260: 234: 142: 115: 92: 69: 1673:
on the unit circle, with the same multiplicities. □
1626:{\displaystyle -{\overline {p^{*}(0)}}p^{*}(z)/r(z)} 663:
and, since one or more leading coefficients cancel,
438:{\displaystyle p(z)=a_{n}z^{n}+\cdots +a_{1}z+a_{0}} 4007:"A machine method for solving polynomial equations" 1653:is a polynomial that has as its roots the roots of 4011:Journal of the Association for Computing Machinery 3837: 3816: 3796: 3776: 3748: 3728: 3708: 3688: 3668: 3638: 3605: 3563: 3528: 3483: 3460: 3406: 3386: 3366: 3346: 3323:{\displaystyle \sum _{i=0}^{m}(-1)^{i}d_{k_{i}-1}} 3322: 3238: 3218: 3198: 3165: 3106: 3073: 3036: 3003: 2965: 2929: 2905: 2872: 2834: 2801: 2765: 2741: 2703: 2654: 2616: 2558: 2516: 2496: 2467: 2439: 2378: 2342: 2299: 2266: 2240: 2214: 2188: 2035: 2009: 1856: 1833: 1813: 1793: 1770: 1750: 1718: 1665: 1645: 1625: 1541: 1470: 1399: 1373: 1337: 1266: 1171: 1136: 1113: 1086: 1057: 1034: 1014: 985: 962: 928: 899: 871: 840: 796: 768: 745: 718: 698: 678: 655: 635: 604: 470: 437: 340: 243: 217: 128: 98: 75: 4345: 3491:only if none of the following equalities occur: 643:can therefore be directly expressed in those of 3972:Journal für die reine und angewandte Mathematik 4128: 1482:applied on the unit circle to the functions 887:in the unit circle of the non-zero roots of 4142: 3646:. Now, the coefficients of the polynomials 1542:{\displaystyle {\overline {p(0)}}p(z)/r(z)} 4135: 4121: 4080: 2937:lie outside the unit circle if and only if 2164: 2142: 2090: 2071: 1979: 1957: 1911: 1892: 4022: 3921: 3919: 3899: 3451: 3166:{\displaystyle k=k_{0},k_{1}\ldots k_{m}} 2773:lie inside the unit circle if and only if 2277:Now consider the sequence of polynomials 949: 4045: 3925: 2617:{\displaystyle \delta _{k}=(T^{k}p)(0)} 47: 4346: 4004: 3950: 3916: 4116: 3965: 1471:{\displaystyle |p(0)|\neq |p^{*}(0)|} 3873: 4354:Polynomial factorization algorithms 1719:{\displaystyle n_{p}^{-},n_{p}^{0}} 13: 3759: 3461:{\displaystyle q(z)=p(c+\rho \,z)} 2440:{\displaystyle T^{k+1}p=T(T^{k}p)} 14: 4365: 2704:{\displaystyle d_{k}=\deg T^{k}p} 2524:be the smallest number such that 1338:{\displaystyle |p^{*}(z)|=|p(z)|} 4333:Sidi's generalized secant method 3199:{\displaystyle \delta _{k}>0} 3107:{\displaystyle \delta _{k}<0} 2966:{\displaystyle \delta _{k}>0} 2835:{\displaystyle \delta _{k}>0} 2802:{\displaystyle \delta _{1}<0} 4323:Inverse quadratic interpolation 2343:{\displaystyle (k=0,1,\ldots )} 1821:be the difference in degree of 841:{\displaystyle \delta =(Tp)(0)} 4074: 4039: 3998: 3959: 3944: 3867: 3517: 3511: 3455: 3439: 3430: 3424: 3288: 3278: 2611: 2605: 2602: 2586: 2434: 2418: 2337: 2313: 2183: 2112: 2106: 2050: 2004: 1933: 1927: 1871: 1864:. Then the lemma implies that 1758:denote the number of roots of 1620: 1614: 1603: 1597: 1578: 1572: 1536: 1530: 1519: 1513: 1501: 1495: 1464: 1460: 1454: 1440: 1432: 1428: 1422: 1415: 1361: 1353: 1331: 1327: 1321: 1314: 1306: 1302: 1296: 1282: 1255: 1245: 1236: 1224: 1202: 1196: 835: 829: 826: 817: 590: 546: 514: 501: 495: 374: 368: 316: 310: 282: 276: 206: 191: 181: 159: 153: 1: 3860: 3004:{\displaystyle k=1,\ldots ,K} 2873:{\displaystyle k=2,\ldots ,K} 2742:{\displaystyle k=0,\ldots ,K} 2655:{\displaystyle k=1,\ldots ,K} 2475:be a complex polynomial with 1400:{\displaystyle \delta \neq 0} 929:{\displaystyle \delta \neq 0} 108:reciprocal adjoint polynomial 3564:{\displaystyle k=1,\ldots K} 2215:{\displaystyle \delta <0} 2036:{\displaystyle \delta >0} 1582: 1505: 1259: 1087:{\displaystyle \delta <0} 1015:{\displaystyle \delta >0} 804:be a complex polynomial and 320: 286: 210: 7: 3529:{\displaystyle T^{k}q(0)=0} 471:{\displaystyle a_{n}\neq 0} 10: 4370: 4152:Bracketing (no derivative) 3639:{\displaystyle d_{K}>0} 3606:{\displaystyle T^{K+1}q=0} 3246:inside the unit circle is 3173:(in increasing order) and 2559:{\displaystyle T^{K+1}p=0} 4310: 4257: 4234: 4201: 4178: 4150: 3984:10.1515/crll.1917.147.205 2222:(note the interchange of 1751:{\displaystyle n_{p}^{+}} 963:{\displaystyle p,\,p^{*}} 63:For a complex polynomial 2497:{\displaystyle Tp\neq 0} 2379:{\displaystyle T^{0}p=p} 776:are related as follows. 4302:Splitting circle method 4287:Jenkins–Traub algorithm 4144:Root-finding algorithms 3951:Marden, Morris (1949). 3926:Henrici, Peter (1988). 3074:{\displaystyle d_{K}=0} 3037:{\displaystyle d_{K}=0} 2906:{\displaystyle d_{K}=0} 1172:{\displaystyle z\neq 0} 883:, are the images under 616:, if any, removed. The 4292:Lehmer–Schur algorithm 4103:10.1006/jcph.1993.1209 3839: 3818: 3798: 3778: 3750: 3730: 3710: 3690: 3670: 3669:{\displaystyle T^{k}q} 3640: 3607: 3565: 3530: 3485: 3462: 3408: 3388: 3368: 3348: 3324: 3277: 3240: 3220: 3200: 3167: 3108: 3075: 3038: 3005: 2967: 2931: 2907: 2874: 2836: 2803: 2767: 2743: 2705: 2656: 2618: 2560: 2518: 2498: 2469: 2441: 2380: 2344: 2301: 2300:{\displaystyle T^{k}p} 2268: 2242: 2216: 2190: 2037: 2011: 1858: 1835: 1815: 1795: 1772: 1752: 1720: 1667: 1647: 1627: 1543: 1472: 1401: 1375: 1339: 1268: 1173: 1138: 1115: 1088: 1059: 1036: 1016: 987: 964: 930: 901: 873: 842: 798: 770: 747: 720: 700: 686:has lower degree than 680: 657: 637: 606: 472: 439: 342: 245: 219: 130: 100: 77: 34:root-finding algorithm 22:Lehmer–Schur algorithm 4318:Fixed-point iteration 4024:10.1145/321062.321064 4005:Lehmer, D.H. (1961). 3840: 3819: 3799: 3779: 3751: 3731: 3729:{\displaystyle \rho } 3711: 3709:{\displaystyle \rho } 3691: 3689:{\displaystyle \rho } 3671: 3641: 3608: 3566: 3531: 3486: 3463: 3409: 3389: 3387:{\displaystyle \rho } 3369: 3349: 3325: 3257: 3241: 3221: 3201: 3168: 3109: 3076: 3039: 3006: 2968: 2932: 2908: 2875: 2837: 2804: 2768: 2744: 2706: 2657: 2619: 2561: 2519: 2499: 2470: 2442: 2381: 2345: 2302: 2269: 2243: 2217: 2191: 2038: 2012: 1859: 1836: 1816: 1796: 1773: 1753: 1721: 1668: 1648: 1628: 1544: 1473: 1402: 1376: 1374:{\displaystyle |z|=1} 1340: 1269: 1174: 1139: 1116: 1114:{\displaystyle p^{*}} 1089: 1060: 1037: 1017: 988: 965: 931: 902: 874: 872:{\displaystyle p^{*}} 843: 799: 771: 748: 746:{\displaystyle p^{*}} 721: 701: 681: 658: 638: 607: 473: 440: 343: 246: 220: 131: 129:{\displaystyle p^{*}} 101: 78: 4277:Durand–Kerner method 4221:Newton–Krylov method 3829: 3808: 3788: 3768: 3740: 3720: 3700: 3680: 3650: 3617: 3575: 3540: 3495: 3475: 3418: 3398: 3378: 3358: 3338: 3254: 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Index

mathematics
Derrick Henry Lehmer
Issai Schur
root-finding algorithm
complex polynomials
bisection method
algorithm
unit circle
degree
complex conjugation
leading zero-terms
coefficients
multiplicities
inversion
Rouché's theorem
Newton's method
"Uber die Anzahl der Wurzeln einer algebraischen Gleichung in einem Kreise"
doi
10.1007/BF01215894
hdl
10338.dmlcz/102550
S2CID
123129925


ISBN
0-471-60841-6
"Über Potenzreihen, die im Innern des Einheitskreises beschränkt sind"
doi
10.1515/crll.1917.147.205

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