<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "journalpub-oasis3.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:oasis="http://docs.oasis-open.org/ns/oasis-exchange/table" xml:lang="en" dtd-version="3.0">
  <front>
    <journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher">NPG</journal-id><journal-title-group>
    <journal-title>Nonlinear Processes in Geophysics</journal-title>
    <abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">NPG</abbrev-journal-title><abbrev-journal-title abbrev-type="nlm-ta">Nonlin. Processes Geophys.</abbrev-journal-title>
  </journal-title-group><issn pub-type="epub">1607-7946</issn><publisher>
    <publisher-name>Copernicus Publications</publisher-name>
    <publisher-loc>Göttingen, Germany</publisher-loc>
  </publisher></journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.5194/npg-28-93-2021</article-id><title-group><article-title>Behavior of the iterative ensemble-based variational<?xmltex \hack{\break}?> method in nonlinear problems</article-title><alt-title>Ensemble variational method</alt-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{Ensemble variational method}?><?xmltex \runningauthor{S. Nakano}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1 aff2">
          <name><surname>Nakano</surname><given-names>Shin'ya</given-names></name>
          <email>shiny@ism.ac.jp</email>
        <ext-link>https://orcid.org/0000-0003-0772-4610</ext-link></contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>Department of Statistical Modeling, The Institute of Statistical Mathematics, Tachikawa, Japan</institution>
        </aff>
        <aff id="aff2"><label>2</label><institution>Center for Data Assimilation Research and Applications,
Joint Support Center for Data Science Research, Tachikawa, Japan</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Shin'ya Nakano (shiny@ism.ac.jp)</corresp></author-notes><pub-date><day>8</day><month>February</month><year>2021</year></pub-date>
      
      <volume>28</volume>
      <issue>1</issue>
      <fpage>93</fpage><lpage>109</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>5</day><month>April</month><year>2020</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>17</day><month>April</month><year>2020</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>29</day><month>December</month><year>2020</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>5</day><month>January</month><year>2021</year></date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>Copyright: © 2021 </copyright-statement>
        <copyright-year>2021</copyright-year>
      <license license-type="open-access"><license-p>This work is licensed under the Creative Commons Attribution 4.0 International License. To view a copy of this licence, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link></license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/.html">This article is available from https://npg.copernicus.org/articles/.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://npg.copernicus.org/articles/.pdf</self-uri>
      <abstract><title>Abstract</title>
    <p id="d1e88">The behavior of the iterative ensemble-based data assimilation algorithm is discussed. The ensemble-based method for variational data  assimilation problems, referred to as the 4D ensemble variational method (4DEnVar), is a useful tool for data assimilation problems. Although the 4DEnVar is derived based on a linear approximation, highly uncertain problems, in which system nonlinearity is significant, are solved by applying this method iteratively. However, the ensemble-based methods basically seek the solution within a lower-dimensional subspace spanned by the ensemble members. It is not necessarily trivial how high-dimensional problems can be solved with the ensemble-based algorithm which employs the lower-dimensional approximation based on the ensemble. In the present study, an ensemble-based iterative algorithm is reformulated to allow us to analyze its behavior in high-dimensional nonlinear problems. The conditions for monotonic convergence to a local maximum of the objective function are discussed in a high-dimensional context. It is shown that the ensemble-based algorithm can solve high-dimensional problems by distributing the ensemble in different subspace at each iteration. The findings as the results of the present study were also experimentally supported.</p>
  </abstract>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

      <?xmltex \hack{\allowdisplaybreaks}?>
<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <label>1</label><title>Introduction</title>
      <p id="d1e102">The 4D ensemble variational method (4DEnVar; <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25 bib1.bibx22" id="altparen.1"/>)
is a useful tool for practical data assimilation. The 4DEnVar obtains the derivative of the objective function from the approximate Jacobian of a dynamical system model, which is estimated by using the ensemble of simulation results. In contrast with the adjoint method, the 4DEnVar does not require an adjoint code which is usually time-consuming to develop. This ensemble method thus allows us to treat the simulation code as a black box, and it can easily be implemented.</p>
      <p id="d1e108">The 4DEnVar algorithm is derived based on a low-dimensional linear approximation of the high-dimensional nonlinear system model. If the uncertainties in state variables are small, then the solution could be found within the range where a linear approximation is valid. However, geophysical
systems are often highly uncertain. If the scale of uncertainty is much larger than the range of linearity, a linear approximation would not be justified. In atmospheric applications, uncertainty can usually be reduced
by taking sufficient spin-up time. On the other hand, in some geophysical applications, it is difficult to obtain a sufficiently long sequence of observations to allow spin-up. For example, in data assimilation for the interior of the Earth, such as lithospheric plates (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="altparen.2"/>) and the outer core (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32 bib1.bibx27" id="altparen.3"/>), the timescale of the system dynamics is so long that a sufficient length of an observation sequence is not feasible.
It is also difficult to use a long sequence of observations in the Earth's magnetosphere where the amount of observations is limited (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29 bib1.bibx15" id="altparen.4"/>). It is therefore an important issue to consider large uncertainties which could deteriorate the validity of the linear approximation.</p>
      <p id="d1e120">Several studies have suggested that estimations in nonlinear problems can be improved by iterative algorithms in which the ensemble is repeatedly updated in each iteration (e.g.,  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx16 bib1.bibx17 bib1.bibx9 bib1.bibx4 bib1.bibx5 bib1.bibx31" id="altparen.5"/>).
These iterative algorithms can be regarded as a<?pagebreak page94?> variant of the 4DEnVar method, based on an approximation of the Gauss–Newton method or the Levenberg–Marquardt method. The Gauss–Newton and the Levenberg–Marquardt methods are variants of the Newton–Raphson method for solving nonlinear least squares problems by using the Jacobian of a nonlinear function.
Thus, when the Gauss–Newton or the Levenberg–Marquardt framework is strictly applied to data assimilation problems, the tangent linear of the system model is required. Indeed, if the tangent linear of the system model is obtained, 4D variational data assimilation problems can be solved with the incremental formulation (<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="altparen.6"/>), which can be regarded as an instance of the Gauss–Newton framework <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="paren.7"/>. The ensemble-based methods avoid computing the Jacobian of a nonlinear system model by a linear approximation using the ensemble. This ensemble-based approximation is justified if linearity can be assumed over the range where the ensemble members are distributed. However, the ensemble-based methods basically seek the solution within a lower-dimensional subspace spanned by the ensemble members. In many applications in atmospheric sciences, it has been demonstrated that the localization of the covariance matrix is useful for coping with high-dimensional problems (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7 bib1.bibx23 bib1.bibx8 bib1.bibx34" id="altparen.8"/>). However, it has not necessarily been clarified how general high-dimensional problems, in which the localization of the covariance matrix might not be appropriate, can be solved with the ensemble-based algorithm which employs the lower-dimensional approximation based on the ensemble.</p>
      <p id="d1e135">The present study aims to reformulate an ensemble-based iterative algorithm in order to analyze its behavior in high-dimensional nonlinear problems.
We then explore the conditions for achieving monotonic convergence to a local maximum of the objective function in a high-dimensional nonlinear context. The monotonic convergence means that the discrepancies between estimates and observations are reduced in each iteration. It is ensured that the algorithm would attain a satisfactory result in high-dimensional problems if the  ensemble is distributed in a different subspace at each iteration. This study is originally motivated by data assimilation into a geodynamo model to which the author contributed <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27" id="paren.9"/>. However, the present paper focuses on the iterative variational data assimilation algorithm for general uncertain problems in order to avoid the discussion on specific physical processes of geodynamo. In Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/>, the formulation of the variational data assimilation problem is described. In Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3"/>,
the basic idea of the ensemble variational method is explained. The iterative version is introduced as an algorithm for maximizing the log-likelihood function in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/>, and the behavior of the iterative algorithm is evaluated in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/>. In Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6"/>, a Bayesian extension is introduced. Section <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S7"/> experimentally verifies our findings. Finally, a discussion and conclusions are presented in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S8"/>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <label>2</label><title>The 4D variational data assimilation (4DEnVar)</title>
      <p id="d1e164">In the following, the system state at time <inline-formula><mml:math id="M1" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is denoted as <inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the observation at <inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is denoted as <inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We consider a strong-constraint data assimilation problem where the evolution of state <inline-formula><mml:math id="M5" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by the following:
          <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><label>1</label><mml:math id="M6" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        and the relation between <inline-formula><mml:math id="M7" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M8" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is written
in the following form:
          <disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><label>2</label><mml:math id="M9" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> indicates the observation noise. Assuming that <inline-formula><mml:math id="M11" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> obeys a Gaussian distribution with mean <inline-formula><mml:math id="M12" display="inline"><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and covariance matrix <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then, in the following:
          <disp-formula id="Ch1.E3" content-type="numbered"><label>3</label><mml:math id="M14" display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        The likelihood of <inline-formula><mml:math id="M15" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given <inline-formula><mml:math id="M16" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E4" content-type="numbered"><label>4</label><mml:math id="M17" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.3}{9.3}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mi>p</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Since we assume a deterministic system as stated in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>), <inline-formula><mml:math id="M18" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be written as a function of an initial value <inline-formula><mml:math id="M19" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E5" content-type="numbered"><label>5</label><mml:math id="M20" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M21" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the following composite function:
          <disp-formula id="Ch1.E6" content-type="numbered"><label>6</label><mml:math id="M22" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∘</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∘</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∘</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        The likelihood in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>) is then written as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E7" content-type="numbered"><label>7</label><mml:math id="M23" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.3}{9.3}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mi>p</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        When the prior distribution of <inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is assumed to be Gaussian with a mean <inline-formula><mml:math id="M25" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and covariance matrix <inline-formula><mml:math id="M26" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> defined by the following:
          <disp-formula id="Ch1.E8" content-type="numbered"><label>8</label><mml:math id="M27" display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        the Bayesian posterior distribution of <inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, given the whole
sequence of observations from <inline-formula><mml:math id="M29" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M30" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M31" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
can be obtained as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E9" content-type="numbered"><label>9</label><mml:math id="M32" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close="" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        The maximum of the posterior can be found by maximizing the following objective function:
          <disp-formula id="Ch1.E10" content-type="numbered"><label>10</label><mml:math id="M33" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<?pagebreak page95?><sec id="Ch1.S3">
  <label>3</label><title>Ensemble-based method</title>
      <p id="d1e1330">The maximization of the objective function <inline-formula><mml:math id="M34" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> is conventionally performed by the adjoint method, which differentiates <inline-formula><mml:math id="M35" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> based on the adjoint matrix of the Jacobian of the function <inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>). For a practical high-dimensional simulation model, however, it is an extremely laborious task to develop the adjoint code which represents the adjoint matrix of the Jacobian of the forward simulation model. The 4DEnVar is
an alternative method for obtaining an approximate maximum of <inline-formula><mml:math id="M37" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> without using the adjoint code. The 4DEnVar employs an ensemble of <inline-formula><mml:math id="M38" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> simulation results <inline-formula><mml:math id="M39" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
where <inline-formula><mml:math id="M40" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> indicates the whole sequence of the states from <inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; that is, <inline-formula><mml:math id="M43" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The initial state of each ensemble member <inline-formula><mml:math id="M44" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is assumed to be sampled from the Gaussian distribution <inline-formula><mml:math id="M45" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The objective function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) is approximated by using this ensemble.</p>
      <p id="d1e1564">For convenience, we define the following matrix <inline-formula><mml:math id="M46" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the
initial states of ensemble members:
          <disp-formula id="Ch1.E11" content-type="numbered"><label>11</label><mml:math id="M47" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Assuming that the optimal <inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be written as a linear combination of the ensemble members, we can write <inline-formula><mml:math id="M49" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the following form:
          <disp-formula id="Ch1.E12" content-type="numbered"><label>12</label><mml:math id="M50" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        This assumption means that <inline-formula><mml:math id="M51" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is within the subspace spanned by the ensemble members. The quality of an estimate with the 4DEnVar can thus be poor if there are insufficient ensemble members. In practical applications of the 4DEnVar, a localization technique is usually used to avoid this problem
(e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7 bib1.bibx23 bib1.bibx8 bib1.bibx34" id="altparen.10"/>). However, the present paper does not consider localization because the focus here is on the basic behavior of the 4DEnVar. If we assume that the rank of <inline-formula><mml:math id="M52" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">dim</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and approximate the inverse of <inline-formula><mml:math id="M54" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by the Moore–Penrose inverse matrix of <inline-formula><mml:math id="M55" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the first term of the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) can be approximated as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E13" content-type="numbered"><label>13</label><mml:math id="M56" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        This corresponds to a low-rank approximation within the subspace spanned by the ensemble members. The prior mean <inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is usually given by the ensemble mean of <inline-formula><mml:math id="M58" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In such a case, it is necessary to ignore the subspace along the vector <inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to reach the approximation of  Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>). The function <inline-formula><mml:math id="M60" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is approximated based on the first-order Taylor expansion as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E14" content-type="numbered"><label>14</label><mml:math id="M61" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Jacobian of <inline-formula><mml:math id="M63" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M64" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The matrix <inline-formula><mml:math id="M65" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>) is approximated as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E15" content-type="numbered"><label>15</label><mml:math id="M66" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.4}{9.4}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        Defining the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) as <inline-formula><mml:math id="M67" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, that is, in the following:
          <disp-formula id="Ch1.E16" content-type="numbered"><label>16</label><mml:math id="M68" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        we obtain a further approximation of the function <inline-formula><mml:math id="M69" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>) as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E17" content-type="numbered"><label>17</label><mml:math id="M70" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35 bib1.bibx1" id="altparen.11"/>). Using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>), the objective function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) can be approximated as a function of <inline-formula><mml:math id="M71" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi></mml:math></inline-formula> as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E18" content-type="numbered"><label>18</label><mml:math id="M72" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        where we defined <inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <?pagebreak page96?><p id="d1e2867">The approximate objective function <inline-formula><mml:math id="M74" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a quadratic function of <inline-formula><mml:math id="M75" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and it no longer contains the Jacobian of the function
<inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The maximization of <inline-formula><mml:math id="M77" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is thus much easier than that of the original objective function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>). The derivative of <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with respect to <inline-formula><mml:math id="M79" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi></mml:math></inline-formula> becomes the following:
          <disp-formula id="Ch1.E19" content-type="numbered"><label>19</label><mml:math id="M80" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        (<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx22" id="altparen.12"/>). The Hessian matrix of <inline-formula><mml:math id="M81" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is then
obtained as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E20" content-type="numbered"><label>20</label><mml:math id="M82" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:munder><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        We can thus immediately find the value of <inline-formula><mml:math id="M83" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi></mml:math></inline-formula> when maximizing <inline-formula><mml:math id="M84" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E21" content-type="numbered"><label>21</label><mml:math id="M85" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:munder><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        Inserting <inline-formula><mml:math id="M86" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>), we obtain an estimate of <inline-formula><mml:math id="M87" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E22" content-type="numbered"><label>22</label><mml:math id="M88" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        This solution in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>) is similar to the ensemble Kalman smoother (<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33 bib1.bibx14" id="altparen.13"/>), although the whole sequence of observations is referred to in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>). Even if a large amount of data are used, it would not seriously affect the computational cost because
the computation of the inverse matrix can be conducted in <inline-formula><mml:math id="M89" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dimensional space. This is also an advantage of the ensemble-based method.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S4">
  <label>4</label><title>Iterative algorithm</title>
      <p id="d1e3341">Since Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>) do not require the Jacobian
of the function <inline-formula><mml:math id="M90" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it can be applied as a post-process – provided that an ensemble of the simulation runs is prepared in advance. However, this solution, which maximizes the objective function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>), relies on Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) which approximates the matrix <inline-formula><mml:math id="M91" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by using the ensemble. This approximation is based on the first-order approximation shown in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>). Where <inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> exhibits high uncertainty and <inline-formula><mml:math id="M93" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be large, this approximation appears to be invalid. Therefore, it is not guaranteed that the estimate with
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>) provides the optimal <inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which maximizes the original log-posterior density function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>), even if we accept that the solution is limited within the ensemble subspace.</p>
      <p id="d1e3444">Where the initially prepared ensemble is used, it is unlikely that a better solution than Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>) could be achieved. We then consider an iterative algorithm which generates a new ensemble based on the previous estimate in each iteration. The algorithm introduced in the following is basically the same as the method referred to as the iterative ensemble Kalman filter <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4 bib1.bibx5" id="paren.14"/>, but we employ a formulation that allows evaluation of the behavior and a slight extension. To derive an algorithm analogous to that in the previous section, we at first consider the following log-likelihood function:
          <disp-formula id="Ch1.E23" content-type="numbered"><label>23</label><mml:math id="M95" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        instead of the log-posterior density function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>). Maximization of the Bayesian-type objective function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) will be discussed in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6"/>.</p>
      <p id="d1e3554">In the following, we combine the vectors of the whole time sequence from <inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into one single vector; that is, <inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The covariance matrices <inline-formula><mml:math id="M100" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are also combined into one block diagonal matrix <inline-formula><mml:math id="M101" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which satisfies the following:
          <disp-formula id="Ch1.E24" content-type="numbered"><label>24</label><mml:math id="M102" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Accordingly, the log-likelihood function of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>) is rewritten as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E25" content-type="numbered"><label>25</label><mml:math id="M103" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        In our iterative algorithm, the <inline-formula><mml:math id="M104" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>th step starts with an ensemble of initial values <inline-formula><mml:math id="M105" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
obtained in the neighbor of the <inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>th estimate <inline-formula><mml:math id="M107" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Typically, the ensemble is generated so that the ensemble mean is equal to <inline-formula><mml:math id="M108" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; that is, in the following:
          <disp-formula id="Ch1.E26" content-type="numbered"><label>26</label><mml:math id="M109" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        although it is not necessary to satisfy this equation. A simulation run initialized at <inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields <inline-formula><mml:math id="M111" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and we obtain the ensemble of the simulation results <inline-formula><mml:math id="M112" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Defining the matrices as follows:

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M113" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E27"><mml:mtd><mml:mtext>27</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E28"><mml:mtd><mml:mtext>28</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable columnspacing="1em" class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.4}{8.4}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          we consider the following <inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>th objective function:
          <disp-formula id="Ch1.E29" content-type="numbered"><label>29</label><mml:math id="M115" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">ˇ</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M116" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an appropriately chosen parameter. This objective function <inline-formula><mml:math id="M117" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">ˇ</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is maximized when, in the following:
          <disp-formula id="Ch1.E30" content-type="numbered"><label>30</label><mml:math id="M118" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        and <inline-formula><mml:math id="M119" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> provides the <inline-formula><mml:math id="M120" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>th estimate of <inline-formula><mml:math id="M121" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E31" content-type="numbered"><label>31</label><mml:math id="M122" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Unless converged, members of the next ensemble are generated in the neighbor of <inline-formula><mml:math id="M123" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that <inline-formula><mml:math id="M124" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is small for each <inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and we proceed to the next iteration. By iterating the above procedures until convergence, the optimal <inline-formula><mml:math id="M126" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which maximizes <inline-formula><mml:math id="M127" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is attained.</p>
      <p id="d1e4955">The form of <inline-formula><mml:math id="M128" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">ˇ</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>) looks similar to that of <inline-formula><mml:math id="M129" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>). However, the meaning of the first term of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>) is different from that of the first term of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>). The first term of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) corresponded to the
Bayesian prior. On the other hand, the first term of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>) is a penalty term to ensure monotonic convergence, as explained later. After iterations until convergence, the contribution of this penalty term would decay, and the log-likelihood function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>) is maximized in the end.</p>
      <?pagebreak page97?><p id="d1e5007">We can consider various ways to obtain an ensemble satisfying Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>). <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="text.15"/> proposed obtaining a matrix <inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as a scalar multiple of <inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E32" content-type="numbered"><label>32</label><mml:math id="M132" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M133" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a matrix defined in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>).
A new ensemble for next iteration is generated to satisfy the following:
          <disp-formula id="Ch1.E33" content-type="numbered"><label>33</label><mml:math id="M134" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        As discussed later, <inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should be taken to be so small that a linear approximation is valid over the range of the ensemble dispersion. The value of <inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be fixed at a small value. Otherwise, <inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> may be reduced gradually in each iteration so that the spread of the ensemble eventually becomes small. We can also shrink the ensemble by using a similar scheme to the ensemble transform Kalman filter <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx2 bib1.bibx24" id="paren.16"/>,
which obtains <inline-formula><mml:math id="M138" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as outlined by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="text.17"/>; that is, in the following:
          <disp-formula id="Ch1.E34" content-type="numbered"><label>34</label><mml:math id="M139" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M140" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the ensemble transform matrix given as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E35" content-type="numbered"><label>35</label><mml:math id="M141" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        In Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E35"/>), <inline-formula><mml:math id="M142" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the identity matrix and
<inline-formula><mml:math id="M143" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the eigenvalue decomposition of the matrix <inline-formula><mml:math id="M144" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an orthogonal matrix consisting of the eigenvectors, and the matrix <inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a diagonal matrix of the eigenvalues.</p>
      <p id="d1e5438">If the ensemble is updated according to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) or (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E34"/>), the estimate of <inline-formula><mml:math id="M147" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is constrained within the subspace spanned by the initial ensemble members <inline-formula><mml:math id="M148" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We can avoid confining the ensemble within a subspace by randomly generating ensemble members from a Gaussian distribution with a mean <inline-formula><mml:math id="M149" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and variance <inline-formula><mml:math id="M150" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E36" content-type="numbered"><label>36</label><mml:math id="M151" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Although this method has a limitation when applying it to Bayesian estimation, as explained later, it would be effective if applicable.</p>
      <p id="d1e5608">The iterative algorithm is summarized in Algorithm 1. The procedures in this iterative algorithm are similar to those in the ensemble-based multiple data assimilation method <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11 bib1.bibx12" id="paren.18"/>, which aims to obtain
the maximum of the Bayesian posterior function, especially if the ensemble is updated with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E34"/>). The multiple data assimilation method does not perform iterations until convergence, but it performs iterations only a few times to estimate the maximum of the posterior, although it can provide
a biased solution in nonlinear problems <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13" id="paren.19"/>. In order to achieve the convergence to the maximum of the Bayesian posterior in our framework, the objective function in each iteration should be modified as discussed
in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6"/>.<?xmltex \hack{\vspace{0.3cm}}?></p>
      <p id="d1e5622"><?xmltex \igopts{width=224.776772pt}?><inline-graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/28/93/2021/npg-28-93-2021-g01.png"/></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5">
  <label>5</label><title>Rationale of the algorithm</title>
      <p id="d1e5636">Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E30"/>) can be regarded as an approximation of the Levenberg–Marquardt method (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx30" id="altparen.20"/>) for maximizing the log-likelihood function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>) within the subspace spanned by
<inline-formula><mml:math id="M152" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In particular, if <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is zero, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E30"/>) can be regarded as an approximation of the Gauss–Newton method. Indeed, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4 bib1.bibx5" id="text.21"/> derived a similar algorithm as an approximation of the Levenberg–Marquardt method or the Gauss–Newton method. However, the Levenberg–Marquardt method basically requires the Jacobian of the function <inline-formula><mml:math id="M154" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M155" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Since the above iterative algorithm does not directly use <inline-formula><mml:math id="M156" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it would not be trivial to determine how the convergence of this algorithm is achieved. This issue is explored in this section.</p>
      <?pagebreak page98?><p id="d1e5756">We hereinafter assume that <inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is at least twice differentiable. The Taylor expansion up to the second-order term of <inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> becomes the following:
          <disp-formula id="Ch1.E37" content-type="numbered"><label>37</label><mml:math id="M159" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Jacobian at <inline-formula><mml:math id="M161" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and
<inline-formula><mml:math id="M162" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a third-order tensor which consists of the Hessian matrix of each element of the vector-valued function <inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. As in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>), we assume the following:
          <disp-formula id="Ch1.E38" content-type="numbered"><label>38</label><mml:math id="M164" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>) given the ensemble <inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
We then have the following:
          <disp-formula id="Ch1.E39" content-type="numbered"><label>39</label><mml:math id="M167" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e6857">In practical cases, the Jacobian matrix <inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is typically unavailable. Ensemble variational methods thus employ the first-order approximation in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/> for <inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; that is, in the following:
          <disp-formula id="Ch1.E40" content-type="numbered"><label>40</label><mml:math id="M170" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where, in the following:
          <disp-formula id="Ch1.E41" content-type="numbered"><label>41</label><mml:math id="M171" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.4}{8.4}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        To evaluate this approximation when <inline-formula><mml:math id="M172" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has a large uncertainty, we consider the following expansion of <inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for each ensemble member <inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
          <disp-formula id="Ch1.E42" content-type="numbered"><label>42</label><mml:math id="M175" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.8}{9.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.8}{9.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        If we consider a vector <inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it becomes the following:
          <disp-formula id="Ch1.E43" content-type="numbered"><label>43</label><mml:math id="M177" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.8}{9.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.8}{9.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.8}{9.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.8}{9.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.8}{9.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close="" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.8}{9.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        If <inline-formula><mml:math id="M178" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is contained in the first-order term in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E39"/>), is approximated by <inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then this means that the second- and higher-order terms of the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E43"/>) are neglected. Indeed, this can be justified if the spread of the ensemble is
taken to be small. In our iterative scheme, the ensemble spread can be tuned freely. Even if the scale of <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is very small, any <inline-formula><mml:math id="M181" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which may have a large uncertainty, can be
represented by taking the scale of <inline-formula><mml:math id="M182" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be large according to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E38"/>). The nonlinear terms of the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E43"/>) are of the order of <inline-formula><mml:math id="M183" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, while they are of the order of <inline-formula><mml:math id="M184" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or higher order. Thus, if the spread of the ensemble is taken to be small, the nonlinear terms of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E43"/>) would be suppressed, and we obtain the following:
          <disp-formula id="Ch1.E44" content-type="numbered"><label>44</label><mml:math id="M185" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Consequently, we can apply the approximation in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E40"/>)
to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E39"/>). Defining a function <inline-formula><mml:math id="M186" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E45" content-type="numbered"><label>45</label><mml:math id="M187" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.9}{8.9}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.9}{8.9}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.9}{8.9}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.9}{8.9}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.9}{8.9}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        <inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives an approximation of
<inline-formula><mml:math id="M189" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E39"/>) as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E46" content-type="numbered"><label>46</label><mml:math id="M190" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e8603">The fourth term on the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E45"/>) would not necessarily be suppressed, even if the ensemble variance were taken to be small, because it is of the order of <inline-formula><mml:math id="M191" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and of the order of <inline-formula><mml:math id="M192" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. To control the effect of this term, we introduce the idea of the minorize–maximize algorithm <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20 bib1.bibx19" id="paren.22"><named-content content-type="pre">MM algorithm;</named-content></xref>. The MM algorithm is a class of iterative algorithms which considers a surrogate function which minorizes
the objective function <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and maximizes the surrogate function. Although the Levenberg–Marquardt method can also be regarded as an instance of the MM algorithm, the generic idea of the MM algorithm gives striking insight into the behavior of the algorithm.</p>
      <p id="d1e8690">At the <inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>th step of the MM algorithm, the surrogate function, given the <inline-formula><mml:math id="M195" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>th estimate <inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is chosen to satisfy the following conditions:

              <disp-formula id="Ch1.E47" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M198" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E47.48"><mml:mtd><mml:mtext>47a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E47.49"><mml:mtd><mml:mtext>47b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The <inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>th estimate, <inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is obtained by maximizing the <inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>th surrogate function, <inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Since <inline-formula><mml:math id="M203" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> obviously satisfies the following:

              <disp-formula id="Ch1.E50" content-type="numbered"><label>48</label><mml:math id="M204" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        it is guaranteed that the <inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>th estimate is as good as or better than the <inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>th estimate. After iterations, <inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> converges to a stationary point <inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the objective function <inline-formula><mml:math id="M209" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx19" id="paren.23"/>.
If the Hessian matrix of <inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is negative definite in a neighborhood of <inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the stationary point <inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> becomes a local maximum (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx30" id="altparen.24"/>). Therefore, the estimate would monotonically converge to a local maximum of <inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by repeating iterations if the following conditions are met:
<list list-type="bullet"><list-item>
      <p id="d1e9123">the surrogate function <inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is     twice differentiable and satisfies Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E47.48"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E47.49"/>),</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e9152">and the Hessian of <inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a negative definite in a neighborhood of the stationary point <inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item></list></p>
      <p id="d1e9180">Here we consider the following surrogate function <inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
          <disp-formula id="Ch1.E51" content-type="numbered"><label>49</label><mml:math id="M218" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        which is a similar treatment to <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6" id="text.25"/>. For a given <inline-formula><mml:math id="M219" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we can take <inline-formula><mml:math id="M220" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that the following inequality holds over <inline-formula><mml:math id="M221" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
          <disp-formula id="Ch1.E52" content-type="numbered"><label>50</label><mml:math id="M222" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        where the equality holds if <inline-formula><mml:math id="M223" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If <inline-formula><mml:math id="M224" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is chosen so that the inequality (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E52"/>) is satisfied, <inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies the following:

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M226" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E53"><mml:mtd><mml:mtext>51</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E54"><mml:mtd><mml:mtext>52</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          This means that <inline-formula><mml:math id="M227" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be used as a surrogate function for maximizing <inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> according to the MM algorithm. Since Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E51"/>) is the same as Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>),
the maximum of <inline-formula><mml:math id="M229" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is achieved when <inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math id="M231" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E30"/>). Obviously, <inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies the following inequality:
          <disp-formula id="Ch1.E55" content-type="numbered"><label>53</label><mml:math id="M233" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        and therefore, if the approximation in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E40"/>) is valid, then we obtain the following result:
          <disp-formula id="Ch1.E56" content-type="numbered"><label>54</label><mml:math id="M234" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>).</p>
      <p id="d1e10495">The above discussion is valid regardless of the choice of the ensemble
<inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in each iteration as far as the approximation in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E40"/>) is applicable. This suggests that we can use various ways to update the ensemble, including Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) which does not confine the ensemble within a particular subspace. It should be noted that the equality of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E55"/>) holds at a stationary point in the subspace spanned by the ensemble members. If the update of the ensemble in each iteration is carried out with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) or (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E34"/>), then the ensemble is confined within a particular subspace spanned by the initial ensemble, and <inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> would converge to a stationary point in this subspace. According to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E37"/>), if the nonlinearity of <inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:math></inline-formula> is not severe when <inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not dominant, the Hessian of <inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is negative definite in a region where <inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is small enough. This suggests that the iterative algorithm in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/> would attain at least a local maximum of <inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the subspace for weakly nonlinear problems if Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) is applicable. If the ensemble is updated according to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>), a stationary point is sought in a different subspace in each iteration. If <inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is full rank, <inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> would increase until a point which can be regarded as a stationary point in any <inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dimensional subspace, and <inline-formula><mml:math id="M246" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> would thus converge to a local maximum in the full vector space after infinite iterations.</p>
      <p id="d1e10723">Based on the foregoing, convergence to a local maximum of the objective function <inline-formula><mml:math id="M247" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be achieved for weakly nonlinear systems if the ensemble variance is taken to be small enough. If the ensemble with large spread is used, the estimate can be biased due to the nonlinear terms in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E43"/>). Hence, an ensemble with small spread would provide a satisfactory result for weakly nonlinear systems where we can assume the Hessian of <inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a negative definite over the region of interest. However, this iterative algorithm does not necessarily guarantee convergence to the global maximum. If there are multiple peaks in <inline-formula><mml:math id="M249" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it might be effectual to start with an ensemble with a large spread to approach the global maximum. An ensemble with a large spread would grasp a large-scale structure of the objective function because the ensemble approximation of the Jacobian gives the gradient averaged over the region where the ensemble members are distributed under a certain assumption <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31" id="paren.26"/>.
Even if the spread is taken to be large at first, convergence would eventually be achieved by reducing the ensemble spread in each iteration, as
described in the previous section.</p>
      <?pagebreak page100?><p id="d1e10764">Our formulation refers to the result of a simulation run initialized at the <inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>th estimate <inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for obtaining the <inline-formula><mml:math id="M252" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>th estimate in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>). On the other hand, in many studies, the ensemble mean of simulation runs  <inline-formula><mml:math id="M253" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used as a substitute for <inline-formula><mml:math id="M254" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If the ensemble mean <inline-formula><mml:math id="M255" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is used, the ensemble in each iteration must be generated so as to satisfy Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>), which
is not required in our formulation; that is, the ensemble mean must be equal to the <inline-formula><mml:math id="M256" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>th estimate <inline-formula><mml:math id="M257" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It should also be kept in mind that some bias due to the nonlinear terms in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E42"/>)
could be introduced when the ensemble mean is used instead of
<inline-formula><mml:math id="M258" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. However, this bias could be suppressed by taking the ensemble spread to be small. Since the use of the ensemble mean would save the computational cost of one simulation run for each iteration, it might be a useful treatment for practical applications.</p>
      <p id="d1e10989">It is also important to appropriately choose the parameter <inline-formula><mml:math id="M259" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
A sufficiently large <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> guarantees that the <inline-formula><mml:math id="M261" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>th estimate <inline-formula><mml:math id="M262" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is better than the previous estimate <inline-formula><mml:math id="M263" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and hence, convergence is stable. However, convergence speed will be degraded with large <inline-formula><mml:math id="M264" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> because <inline-formula><mml:math id="M265" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is strongly constrained by the penalty weighted with <inline-formula><mml:math id="M266" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Although there is no definitive way to determine this parameter, <inline-formula><mml:math id="M267" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should have a similar scale to the right-hand side
of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E52"/>); that is, if the third- and higher-order terms are assumed to be negligible then, in the following:
          <disp-formula id="Ch1.E57" content-type="numbered"><label>55</label><mml:math id="M268" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Since the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E57"/>) contains <inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which comes from a nonlinear term of the function <inline-formula><mml:math id="M270" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M271" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should be taken larger as system nonlinearity is more severe. This equation also suggests that <inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should depend on the discrepancy between observation <inline-formula><mml:math id="M273" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the <inline-formula><mml:math id="M274" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>th prediction <inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Although <inline-formula><mml:math id="M276" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is unknown in general, <inline-formula><mml:math id="M277" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> could be used as a guide for determining <inline-formula><mml:math id="M278" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The parameter <inline-formula><mml:math id="M279" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should also be
dependent on the variance of the ensemble. If an ensemble with a large spread is used, <inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should be set as large accordingly.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S6">
  <label>6</label><title>Bayesian form</title>
      <p id="d1e11426">The algorithm in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/> maximizes the log-likelihood function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>). However, sometimes it would be required that prior information is incorporated into the estimate in a Bayesian manner. We thus consider the following log-posterior density function as the objective function:
          <disp-formula id="Ch1.E58" content-type="numbered"><label>56</label><mml:math id="M281" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        which is the same as Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>), although the vectors of the whole time sequence are combined into a single vector for each <inline-formula><mml:math id="M282" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M283" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>). Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E58"/>) is proportional to the log-posterior distribution when <inline-formula><mml:math id="M284" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M285" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are assumed to be Gaussian. The Taylor expansion of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E58"/>) is as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E59" content-type="numbered"><label>57</label><mml:math id="M286" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        Applying Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E38"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E44"/>), we obtain
the following approximate objective function:
          <disp-formula id="Ch1.E60" content-type="numbered"><label>58</label><mml:math id="M287" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        As per Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E52"/>), we can take <inline-formula><mml:math id="M288" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that the fifth and sixth terms on the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E60"/>) can be minorized by a quadratic function <inline-formula><mml:math id="M289" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and we obtain the following surrogate function which minorizes the function <inline-formula><mml:math id="M290" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows:</p>
      <?pagebreak page101?><p id="d1e12757"><?xmltex \hack{\newpage}?>
          <disp-formula id="Ch1.E61" content-type="numbered"><label>59</label><mml:math id="M291" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        which satisfies the following conditions:

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M292" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E62"><mml:mtd><mml:mtext>60</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E63"><mml:mtd><mml:mtext>61</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          This function is maximized when, in the following:
          <disp-formula id="Ch1.E64" content-type="numbered"><label>62</label><mml:math id="M293" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced close="" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        The <inline-formula><mml:math id="M294" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>th estimate for <inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E65" content-type="numbered"><label>63</label><mml:math id="M296" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Similar to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E56"/>), we obtain the following:
          <disp-formula id="Ch1.E66" content-type="numbered"><label>64</label><mml:math id="M297" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        Thus, <inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a better estimate than <inline-formula><mml:math id="M299" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> if the approximation in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E44"/>) is valid. Generating the <inline-formula><mml:math id="M300" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>th ensemble around  <inline-formula><mml:math id="M301" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can obtain the <inline-formula><mml:math id="M302" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>th surrogate function according to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E61"/>) and proceed to the next iteration.</p>
      <p id="d1e14382">There are various methods for updating the ensemble including the methods mentioned in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/>. Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) or (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E34"/>) is convenient for practical problems because we can avoid computing the inverse of <inline-formula><mml:math id="M303" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E64"/>). When Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) is used for updating the ensemble, we can easily avoid computing the inverse of <inline-formula><mml:math id="M304" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by drawing initial ensemble members from the prior distribution <inline-formula><mml:math id="M305" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
If initial ensemble members <inline-formula><mml:math id="M306" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> obey the prior distribution, we can use the same approximation as Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>); that is, in the following:
          <disp-formula id="Ch1.E67" content-type="numbered"><label>65</label><mml:math id="M307" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Applying Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E65"/>) recursively, <inline-formula><mml:math id="M308" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be reduced to the following:
          <disp-formula id="Ch1.E68" content-type="numbered"><label>66</label><mml:math id="M309" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        Inserting Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E68"/>) into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E64"/>) and applying Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E67"/>), we obtain the following:
          <disp-formula id="Ch1.E69" content-type="numbered"><label>67</label><mml:math id="M310" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.9}{8.9}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.9}{8.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        Thus, we can avoid computing the inverse of <inline-formula><mml:math id="M311" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Likewise, when Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E34"/>) is used for updating the ensemble, we can apply Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E67"/>) to avoid computing the inverse of <inline-formula><mml:math id="M312" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (See the Appendix).</p>
      <p id="d1e15106">As described in the previous section, the use of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) of (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E34"/>) confines the estimate <inline-formula><mml:math id="M313" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> within the subspace spanned by the initial ensemble. On the other hand, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) enables us to seek the optimal value of <inline-formula><mml:math id="M314" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in
a different subspace in each iteration. We can then obtain the local maximum in the full vector space if <inline-formula><mml:math id="M315" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is taken to be full rank. It appears that a similar approximation to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E69"/>) is applicable if <inline-formula><mml:math id="M316" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is taken to be a scalar matrix of <inline-formula><mml:math id="M317" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. However, since this approximation considers a different approximate objective function in each iteration, monotonic convergence is not guaranteed. In order to ensure monotonic convergence, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) requires the inverse of <inline-formula><mml:math id="M318" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in general. Nonetheless, if <inline-formula><mml:math id="M319" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
can be obtained, the method with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) would be helpful for improving the estimate.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S7">
  <label>7</label><title>Experiments</title>
      <?pagebreak page102?><p id="d1e15240">Preceding studies have already demonstrated the usefulness of the ensemble-based iterative algorithms for various data assimilation problems. Estimation with the ensemble update in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) has been verified in detail (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx5" id="altparen.27"/>). The iterative algorithm ensemble update in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E34"/>) has also been demonstrated (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27" id="altparen.28"/>). Although it might not be necessary to show the ability of the ensemble-based iterative algorithm further, we here verify some properties suggested in the above discussion through twin experiments with a simple model rather than a practical model.</p>
      <p id="d1e15253">In this section, we employ the Lorenz 96 model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="paren.29"/>, which is written by the following equations:
          <disp-formula id="Ch1.E70" content-type="numbered"><label>68</label><mml:math id="M320" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        for <inline-formula><mml:math id="M321" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M322" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M323" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M324" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The state dimension <inline-formula><mml:math id="M325" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> was taken to be <inline-formula><mml:math id="M326" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and  the forcing term <inline-formula><mml:math id="M327" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> was taken to be <inline-formula><mml:math id="M328" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The true scenario was generated by running the model with a certain initial state. We here consider a weakly nonlinear problem. The assimilation window was accordingly taken as a short time interval <inline-formula><mml:math id="M329" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It was assumed that all the state variables could be observed with a fixed time interval (<inline-formula><mml:math id="M330" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and hence, <inline-formula><mml:math id="M331" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">80</mml:mn></mml:math></inline-formula> data were generated for each state variable. The observation noise for each variable was assumed to independently follow a Gaussian distribution with mean <inline-formula><mml:math id="M332" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and standard deviation <inline-formula><mml:math id="M333" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In each data assimilation experiment, the prior distribution
was assumed to be a Gaussian distribution with mean <inline-formula><mml:math id="M334" display="inline"><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and variance <inline-formula><mml:math id="M335" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M336" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M337" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e15553">We compare two ensemble updating methods of Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>). In applying Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>), the initial ensemble <inline-formula><mml:math id="M338" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was drawn from a Gaussian distribution <inline-formula><mml:math id="M339" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M340" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M341" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was obtained as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E71" content-type="numbered"><label>69</label><mml:math id="M342" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        The matrix <inline-formula><mml:math id="M343" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for each iteration was fixed at <inline-formula><mml:math id="M344" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which corresponds to the setting in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) with <inline-formula><mml:math id="M345" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The discussion in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/> suggests that
the penalty parameter <inline-formula><mml:math id="M346" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should be determined according to
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E57"/>). Although <inline-formula><mml:math id="M347" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is unknown, we can say that <inline-formula><mml:math id="M348" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should be related with the variance of the ensemble
and the discrepancy between <inline-formula><mml:math id="M349" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M350" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We thus gave <inline-formula><mml:math id="M351" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E72" content-type="numbered"><label>70</label><mml:math id="M352" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.9}{8.9}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msqrt><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.0}{9.0}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">tr</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        where we tried two cases with <inline-formula><mml:math id="M353" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M354" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Here the part of the square root of a quadratic form of <inline-formula><mml:math id="M355" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was multiplied in order that <inline-formula><mml:math id="M356" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was roughly proportional to <inline-formula><mml:math id="M357" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M358" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">tr</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was for representing the variance of the ensemble.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F1"><?xmltex \currentcnt{1}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 1</label><caption><p id="d1e16230">The value of the objective function <inline-formula><mml:math id="M359" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> for each iteration for <inline-formula><mml:math id="M360" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials of the estimation. The ensemble was updated using  Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) with <inline-formula><mml:math id="M361" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=241.848425pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/28/93/2021/npg-28-93-2021-f01.png"/>

      </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F2"><?xmltex \currentcnt{2}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 2</label><caption><p id="d1e16279">The value of the objective function <inline-formula><mml:math id="M362" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> for each iteration for <inline-formula><mml:math id="M363" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials of the estimation. The ensemble was updated using  Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) with <inline-formula><mml:math id="M364" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=241.848425pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/28/93/2021/npg-28-93-2021-f02.png"/>

      </fig>

      <?pagebreak page103?><p id="d1e16326">Figures <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/> and <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/> show results with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>), where <inline-formula><mml:math id="M365" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M366" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. We took the ensemble size <inline-formula><mml:math id="M367" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> to be <inline-formula><mml:math id="M368" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which is less than the state dimension, and performed the estimation <inline-formula><mml:math id="M369" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> times with different seeds of a pseudo random number generator. The value of the objective function <inline-formula><mml:math id="M370" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E58"/>) for each iteration is plotted for each of <inline-formula><mml:math id="M371" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials in these figures. When <inline-formula><mml:math id="M372" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the value of <inline-formula><mml:math id="M373" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> tended to increase more sharply than when <inline-formula><mml:math id="M374" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. However, <inline-formula><mml:math id="M375" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> did not monotonically increase when <inline-formula><mml:math id="M376" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, while it monotonically increased when <inline-formula><mml:math id="M377" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. According to the discussion in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/>, monotonic convergence is achieved when <inline-formula><mml:math id="M378" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is taken to be large enough. However, convergence speed becomes slow when <inline-formula><mml:math id="M379" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is large. The results in Figs. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/> and <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/> thus confirmed our discussion on the convergence. However, the results shown in Figs. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>
and <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/> did not converge to the same value, which means the results depended on the seeds of pseudo random numbers. This would indicate that a local maximum within a subspace spanned by the ensemble does not match
the maximum in the full state vector space, and that the value of the local maximum depends on the subspace.</p>
      <p id="d1e16558">Figures <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/> and <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/> show results with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>), where <inline-formula><mml:math id="M380" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M381" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. Again, the ensemble size <inline-formula><mml:math id="M382" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> was taken to be <inline-formula><mml:math id="M383" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:math></inline-formula>,
and the results of <inline-formula><mml:math id="M384" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials with different seeds of pseudo random numbers are overplotted. Again, when <inline-formula><mml:math id="M385" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the increase in <inline-formula><mml:math id="M386" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> tended to be sharp, while it was not monotonic. On the other hand, when
<inline-formula><mml:math id="M387" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the increase in <inline-formula><mml:math id="M388" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> was gradual but monotonic. In contrast with the results in Figs. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/> and <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>, the values of <inline-formula><mml:math id="M389" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> in different trials converged to the same value after about <inline-formula><mml:math id="M390" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">15</mml:mn></mml:math></inline-formula> iterations, as in the case with <inline-formula><mml:math id="M391" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>. In the case with <inline-formula><mml:math id="M392" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the convergence was much slower, but the values of <inline-formula><mml:math id="M393" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> converged to the same value as the case with <inline-formula><mml:math id="M394" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> after about <inline-formula><mml:math id="M395" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">80</mml:mn></mml:math></inline-formula> iterations in all of the <inline-formula><mml:math id="M396" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials (not shown). These results show that the maximum of the objective function in the full vector space can be reached by changing an ensemble in each iteration even if the ensemble does not span the full
vector space.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F3"><?xmltex \currentcnt{3}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 3</label><caption><p id="d1e16802">The value of the objective function <inline-formula><mml:math id="M397" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> for each iteration
for <inline-formula><mml:math id="M398" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials of the estimation. The ensemble was updated
using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) with <inline-formula><mml:math id="M399" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=241.848425pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/28/93/2021/npg-28-93-2021-f03.png"/>

      </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F4"><?xmltex \currentcnt{4}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 4</label><caption><p id="d1e16852">The value of the objective function <inline-formula><mml:math id="M400" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> for each iteration
for <inline-formula><mml:math id="M401" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials of the estimation. The ensemble was updated
using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) with <inline-formula><mml:math id="M402" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=241.848425pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/28/93/2021/npg-28-93-2021-f04.png"/>

      </fig>

      <p id="d1e16899">Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F5"/> shows the convergence of the estimated time series
to the true time series for one of the <inline-formula><mml:math id="M403" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:math></inline-formula> state variables, <inline-formula><mml:math id="M404" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, in
one of the <inline-formula><mml:math id="M405" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>. The red line indicates
the initial guess obtained by running the Lorenz 96 model started at <inline-formula><mml:math id="M406" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The yellow, green, and blue lines show the estimates after the second, 10th, and 30th iterations, respectively. The truth is indicated with the gray line, and the time series of the synthetic observations used in this experiment are overplotted with gray dots. Although the initial trajectory (red line) showed was obviously dissimilar to the true trajectory (gray line), the estimate was improved by repeating the iterations as also shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>. After 30 iterations, the estimate was very close to the truth, and the temporal evolution was well reproduced.
Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F6"/> shows the root mean square errors of the estimates, which means the root mean squares of the differences between the estimates
and the true values over all the <inline-formula><mml:math id="M407" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:math></inline-formula> variables at each time step in the same
trial as in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F5"/>. Again, the red line indicates the initial guess, and the yellow, green, and blue lines show the estimates after the second, 10th, and 30th iterations, respectively. The errors were certainly reduced over the period of the assimilation by the iterations.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F5"><?xmltex \currentcnt{5}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 5</label><caption><p id="d1e16966">The temporal evolution started at the initial guess (red line), and the estimated evolutions after the second (yellow line), 10th (green line), and 30th iterations (blue line) in one of the <inline-formula><mml:math id="M408" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>. The truth is indicated with the gray line, and the time series of the synthetic observations used in this experiment are overplotted with gray dots.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=227.622047pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/28/93/2021/npg-28-93-2021-f05.png"/>

      </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F6"><?xmltex \currentcnt{6}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 6</label><caption><p id="d1e16986">The root mean square errors over all the <inline-formula><mml:math id="M409" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:math></inline-formula> variables
at each time step for the initial guess (red line), the second iteration (yellow line), the 10th iteration (green line), and the 30th iteration (blue line) in the same trial as Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F5"/>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=227.622047pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/28/93/2021/npg-28-93-2021-f06.png"/>

      </fig>

      <?pagebreak page104?><p id="d1e17004">In order to closely investigate the effect of <inline-formula><mml:math id="M410" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we conducted additional experiments for a case in which nonlinearity is a little stronger.
While Figs. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/> and <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/> show the results when the assimilation window was taken as <inline-formula><mml:math id="M411" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Figs. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F7"/> and <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F8"/> show the results with a little longer assimilation window, <inline-formula><mml:math id="M412" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Although the other settings were the same as Figs. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/> and <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>, the effect of the nonlinearity on the objective function <inline-formula><mml:math id="M413" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> was a little more severe due to the longer assimilation window. When <inline-formula><mml:math id="M414" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the <inline-formula><mml:math id="M415" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> value converged to about <inline-formula><mml:math id="M416" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2000</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in many of the <inline-formula><mml:math id="M417" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials. In some trials, however, <inline-formula><mml:math id="M418" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> did not converge but oscillated below <inline-formula><mml:math id="M419" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6000</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In contrast, when <inline-formula><mml:math id="M420" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> was as large as <inline-formula><mml:math id="M421" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the <inline-formula><mml:math id="M422" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> value converged to the same value after about <inline-formula><mml:math id="M423" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:math></inline-formula> iterations in all of the <inline-formula><mml:math id="M424" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials. As discussed in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/>, a sufficiently large <inline-formula><mml:math id="M425" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> guarantees that the estimate is improved in each iteration. Although the convergence speed becomes worse, a stable estimation can be attained.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F7"><?xmltex \currentcnt{7}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 7</label><caption><p id="d1e17201">The value of the objective function <inline-formula><mml:math id="M426" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> for each iteration
for <inline-formula><mml:math id="M427" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials of the estimation. The ensemble was updated using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) with <inline-formula><mml:math id="M428" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the ensemble window was taken as <inline-formula><mml:math id="M429" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=241.848425pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/28/93/2021/npg-28-93-2021-f07.png"/>

      </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F8"><?xmltex \currentcnt{8}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 8</label><caption><p id="d1e17266">The value of the objective function <inline-formula><mml:math id="M430" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> for each iteration for <inline-formula><mml:math id="M431" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials of the estimation. The ensemble was updated using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) with <inline-formula><mml:math id="M432" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the ensemble window was taken as <inline-formula><mml:math id="M433" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=241.848425pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/28/93/2021/npg-28-93-2021-f08.png"/>

      </fig>

      <p id="d1e17329">We also conducted experiments with a higher-dimensional system. The method with a randomly generated ensemble was applied to the Lorenz 96 model with 400 variables (<inline-formula><mml:math id="M434" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), of which the dimension is 10 times higher. Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F9"/> shows the result with 400 variables. The assimilation was taken as <inline-formula><mml:math id="M435" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M436" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> was set at <inline-formula><mml:math id="M437" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
which is the same as the result in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>. The ensemble size <inline-formula><mml:math id="M438" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> was taken to be <inline-formula><mml:math id="M439" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">200</mml:mn></mml:math></inline-formula>. For the assimilation into the Lorenz 96 model with 400 variables, the convergence was attained in about 20 iterations with 200 ensemble members. In this high-dimensional case, monotonic convergence was achieved even if <inline-formula><mml:math id="M440" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> was taken to be as small as in  Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>. As far as we conducted experiments with the Lorenz 96 model with various dimensions, the convergence becomes stabler as the state dimension <inline-formula><mml:math id="M441" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> becomes higher. This might imply that the nonlinear term (the fifth term of the right-hand side of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E60"/>) is depressed in
the high-dimensional Lorenz 96 models. However, we have not resolved the reason for the stable convergence for the high-dimensional Lorenz 96 systems at present.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F9"><?xmltex \currentcnt{9}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 9</label><caption><p id="d1e17425">The value of the objective function <inline-formula><mml:math id="M442" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> for each iteration for <inline-formula><mml:math id="M443" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials of the estimation for the <inline-formula><mml:math id="M444" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:math></inline-formula> dimensional system. The ensemble was updated using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) with <inline-formula><mml:math id="M445" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=241.848425pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/28/93/2021/npg-28-93-2021-f09.png"/>

      </fig>

      <?pagebreak page105?><p id="d1e17479">In Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F10"/>, we confirmed the convergence of the estimated
time series to the true trajectory for one of the <inline-formula><mml:math id="M446" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:math></inline-formula> state variables,
<inline-formula><mml:math id="M447" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, in one of the <inline-formula><mml:math id="M448" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F9"/>. The red line indicates the initial guess started at <inline-formula><mml:math id="M449" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the yellow, green, and blue lines shows the estimates after the second, 10th, and 30th iterations, respectively. The gray line shows the truth, and the gray dots show the synthetic observations used in this experiment. Similar to Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F5"/>, the estimate approached to the truth by repeating the iterations even in this high-dimensional case, and the true evolution was well reproduced after 30 iterations. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F11"/>, the root mean square errors over all the <inline-formula><mml:math id="M450" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:math></inline-formula> variables at each time step are in the same trial as Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F10"/>. Each color corresponds to the respective iteration shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F10"/>. It is confirmed that the errors decreased over the period of the assimilation after repeating the iterations.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F10"><?xmltex \currentcnt{10}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 10</label><caption><p id="d1e17549">The temporal evolution started at the initial guess (red line),
and the estimated evolutions at the second (yellow line), 10th (green line),
and 30th iterations (blue line) in one of the <inline-formula><mml:math id="M451" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:math></inline-formula> trials in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F9"/>. The truth is indicated with the gray line, and the time series of the synthetic observations used in this experiment are overplotted with gray dots.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=227.622047pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/28/93/2021/npg-28-93-2021-f10.png"/>

      </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F11"><?xmltex \currentcnt{11}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 11</label><caption><p id="d1e17569">The root mean square errors over all the <inline-formula><mml:math id="M452" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:math></inline-formula> variables at
each time step for the initial guess (red line), the second iteration (yellow line), the 10th iteration (green line), and the 30th iteration (blue line) in the same trial as Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F10"/>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=227.622047pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/28/93/2021/npg-28-93-2021-f11.png"/>

      </fig>

<?xmltex \hack{\newpage}?>
</sec>
<sec id="Ch1.S8" sec-type="conclusions">
  <label>8</label><title>Discussion and conclusions</title>
      <p id="d1e17597">The ensemble variational method is derived under the assumption that a linear approximation of a dynamical system model is valid over a range of uncertainty. This linear approximation is not valid in such problems where
the scale of uncertainty is much larger than the range of linearity. However, a local maximum of the log-likelihood or log-posterior function can be attained by updating the ensemble iteratively – even in cases with a large uncertainty. The present paper assessed the influence of system nonlinearity
on this iterative algorithm after considering the nonlinear terms of the system function <inline-formula><mml:math id="M453" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The discussion suggests two points to guarantee the monotonic convergence to a local maximum in the subspace spanned by the ensemble. One is that the ensemble spread must be set to be small, and the other is that the penalty parameter <inline-formula><mml:math id="M454" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> must be set to be large enough. A sufficiently large <inline-formula><mml:math id="M455" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> would ensure monotonic convergence, although convergence speed would become poorer with too large a <inline-formula><mml:math id="M456" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The effect of this penalty term has also been experimentally confirmed in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S7"/>. These properties would be reasonable if this iterative
algorithm is regarded as an approximation of the Levenberg–Marquardt method.</p>
      <p id="d1e17648">In applying the iterative algorithm discussed in this paper, the choice of the parameter <inline-formula><mml:math id="M457" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> would be an important issue. Although it was determined according to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E72"/>) in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S7"/>, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E72"/>) still requires tuning of the parameter <inline-formula><mml:math id="M458" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. However, it is not necessary to finely tune <inline-formula><mml:math id="M459" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> because <inline-formula><mml:math id="M460" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> would not have a crucial effect on the performance of the algorithm. It would thus be enough to roughly determine <inline-formula><mml:math id="M461" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In addition, one could check whether the objective function <inline-formula><mml:math id="M462" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> increases or not at each iteration just by running one forward simulation initialized at <inline-formula><mml:math id="M463" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the iterative algorithm, the most computational cost is spent on running the ensemble simulation with multiple initial states. The pilot run, which is computationally much cheaper than the ensemble run, would be a feasible way of tuning <inline-formula><mml:math id="M464" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> in practical cases.</p>
      <?pagebreak page106?><p id="d1e17732">One issue peculiar to the ensemble-based method is the rank deficiency, which occurs when the ensemble size is smaller than the dimension of the initial state <inline-formula><mml:math id="M465" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If the ensemble is confined within a particular subspace,
the iterative algorithm can only attain the optimal value within the subspace spanned by the ensemble. However, our discussion indicates that, if <inline-formula><mml:math id="M466" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is sufficiently large, then it is ensured that the discrepancies between estimates and observations are reduced in each iteration – even if the ensemble is confined within a subspace. If the ensemble is updated so as to span a different subspace in each iteration, as indicated in  Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>), the optimal solution would be sought in a different subspace in each iteration, and the estimate would converge to a local maximum in the full vector space after infinite iterations. It should be noted that this paper has not assessed how well the method with a random ensemble generation with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) works in practical high-dimensional problems, although it is, in theory, applicable as far as the inverse of <inline-formula><mml:math id="M467" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is available. Further research would be required to clarify its performance in high-dimensional geophysical models in order to reinforce this study.</p>
      <p id="d1e17779">Compared with the adjoint method, which is a conventional variational method for 4D variational problems, the convergence rate of this iterative method would be poorer because it employs an ensemble approximation within a lower-dimensional subspace at each iteration. Nonetheless, we can say that the iterative ensemble-based method is potentially useful because it is much easier to implement. While the adjoint method requires an adjoint code which is usually time-consuming to develop, the ensemble-based method can solve the same problem without requiring an adjoint code. This paper mainly considers data assimilation problems. However, the framework of the iterative ensemble variational method is also applicable to general nonlinear inverse problems as far as the Gaussian assumption in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>) or Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E58"/>) is upheld. If an ensemble of the results of forward runs is available, many practical problems can readily be addressed. This method could therefore be a promising tool for data assimilation and various inverse problems.</p><?xmltex \hack{\clearpage}?>
</sec>

      
      </body>
    <back><app-group>

<?pagebreak page107?><app id="App1.Ch1.S1">
  <?xmltex \currentcnt{A}?><label>Appendix A</label><title>Algorithm for Bayesian estimation with ensemble transform</title>
      <p id="d1e17798">In the following, it is described how the iteration can be performed
without computing the inverse of <inline-formula><mml:math id="M468" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when the ensemble is updated with the ensemble transform scheme in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E34"/>). When the ensemble is updated by the ensemble transform in the manner of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E34"/>) as follows:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E73" content-type="numbered"><label>A1</label><mml:math id="M469" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        the transform matrix <inline-formula><mml:math id="M470" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should be given as follows:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E74" content-type="numbered"><label>A2</label><mml:math id="M471" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M472" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M473" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are obtained by the following
eigenvalue decomposition:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E75" content-type="numbered"><label>A3</label><mml:math id="M474" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        If <inline-formula><mml:math id="M475" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained according to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E73"/>), as follows:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E76" content-type="numbered"><label>A4</label><mml:math id="M476" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Defining the matrix <inline-formula><mml:math id="M477" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E77" content-type="numbered"><label>A5</label><mml:math id="M478" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        <inline-formula><mml:math id="M479" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be written as follows:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E78" content-type="numbered"><label>A6</label><mml:math id="M480" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        If the initial ensemble is sampled from the prior distribution
<inline-formula><mml:math id="M481" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then we can apply Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E67"/>) again. Using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E67"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E78"/>), the term <inline-formula><mml:math id="M482" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E64"/>) can be reduced to the following:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E79" content-type="numbered"><label>A7</label><mml:math id="M483" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        The <inline-formula><mml:math id="M484" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>th estimate is broken down as follows:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E80" content-type="numbered"><label>A8</label><mml:math id="M485" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <p id="d1e18600"><?xmltex \hack{\noindent}?>where <inline-formula><mml:math id="M486" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Defining a vector <inline-formula><mml:math id="M487" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is as follows:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E81" content-type="numbered"><label>A9</label><mml:math id="M488" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        then Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E80"/>) becomes the following:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E82" content-type="numbered"><label>A10</label><mml:math id="M489" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        and we obtain the following:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E83" content-type="numbered"><label>A11</label><mml:math id="M490" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        Using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E67"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E83"/>), we can rewrite Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E64"/>) into a form without the inverse of <inline-formula><mml:math id="M491" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E84" content-type="numbered"><label>A12</label><mml:math id="M492" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        The algorithm with the ensemble transform is summarized in Algorithm 2.<?xmltex \hack{\vspace{0.3cm}}?></p>
      <p id="d1e19115"><?xmltex \igopts{width=224.776772pt}?><inline-graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/28/93/2021/npg-28-93-2021-g02.png"/></p><?xmltex \hack{\clearpage}?><?xmltex \hack{\clearpage}?>
</app>
  </app-group><notes notes-type="codeavailability"><title>Code availability</title>

      <p id="d1e19128">The code for reproducing the experimental results shown in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S7"/> is archived on Zenodo (<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.4420875" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.4420875</ext-link>; <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx28" id="altparen.30"/>).</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests"><title>Competing interests</title>

      <p id="d1e19142">The author declares that there is no conflict of interest.</p>
  </notes><notes notes-type="financialsupport"><title>Financial support</title>

      <p id="d1e19148">This research has been supported by the Japan Society for the Promotion of Science (grant no. 17H01704) and by PRC JSPS CNRS, the Bilateral Joint Research Project “Forecasting the geomagnetic secular
variation based on data assimilation”.</p>
  </notes><notes notes-type="reviewstatement"><title>Review statement</title>

      <p id="d1e19154">This paper was edited by Amit Apte and reviewed by three anonymous referees.</p>
  </notes><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bibx1"><?xmltex \def\ref@label{{Bannister(2017)}}?><label>Bannister(2017)</label><?label ban2017?><mixed-citation>Bannister, R. N.: A review of operational methods of variational and
ensemble-variational data assimilation, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 143,
607–633, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/qj.2982" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.2982</ext-link>, 2017.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx2"><?xmltex \def\ref@label{{Bishop et~al.(2001)Bishop, Etherton, and Majumdar}}?><label>Bishop et al.(2001)Bishop, Etherton, and Majumdar</label><?label bis+al2001?><mixed-citation>
Bishop, C. H., Etherton, B. J., and Majumdar, S. J.: Adaptive sampling with
the ensemble transform Kalman filter. Part I: Theoretical aspects, Mon. Weather Rev., 129, 420–436, 2001.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx3"><?xmltex \def\ref@label{{Bocquet and Sakov(2012)}}?><label>Bocquet and Sakov(2012)</label><?label bocsak2012?><mixed-citation>Bocquet, M. and Sakov, P.: Combining inflation-free and iterative ensemble Kalman filters for strongly nonlinear systems, Nonlin. Processes Geophys., 19, 383–399, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/npg-19-383-2012" ext-link-type="DOI">10.5194/npg-19-383-2012</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx4"><?xmltex \def\ref@label{{Bocquet and Sakov(2013)}}?><label>Bocquet and Sakov(2013)</label><?label bocsak2013?><mixed-citation>Bocquet, M. and Sakov, P.: Joint state and parameter estimation with an iterative ensemble Kalman smoother, Nonlin. Processes Geophys., 20, 803–818, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/npg-20-803-2013" ext-link-type="DOI">10.5194/npg-20-803-2013</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx5"><?xmltex \def\ref@label{{Bocquet and Sakov(2014)}}?><label>Bocquet and Sakov(2014)</label><?label bocsak2014?><mixed-citation>Bocquet, M. and Sakov, P.: An iterative ensemble Kalman smoother, Q. J. Roy.
Meteor. Soc., 140, 1521–1535, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/qj.2236" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.2236</ext-link>, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx6"><?xmltex \def\ref@label{{B{\"{o}}hning and Lindsay(1988)}}?><label>Böhning and Lindsay(1988)</label><?label bohlin1988?><mixed-citation>
Böhning, D. and Lindsay, B. G.: Monotonicity of quadratic-approximation
algorithms, Ann. Inst. Statist. Math., 40, 641–663, 1988.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx7"><?xmltex \def\ref@label{{Buehner(2005)}}?><label>Buehner(2005)</label><?label bue2005?><mixed-citation>
Buehner, M.: Ensemble-derived stationary and flow-dependent background-error
covariances: Evaluation in a quasi-operational NWP setting, Q. J. Roy.
Meteor. Soc., 131, 1013–1043, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx8"><?xmltex \def\ref@label{{Buehner et~al.(2010)Buehner, Houtekamer, Charette, Mitchell, and
He}}?><label>Buehner et al.(2010)Buehner, Houtekamer, Charette, Mitchell, and
He</label><?label bue+al2010?><mixed-citation>
Buehner, M., Houtekamer, P. L., Charette, C., Mitchell, H. L., and He, B.:
Intercomparison of variational data assimilation and the ensemble Kalman
filter for global deterministic NWP. Part I: Description and
single-observation experiment, Mon. Weather Rev., 138, 1550–1566, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx9"><?xmltex \def\ref@label{{Chen and Oliver(2012)}}?><label>Chen and Oliver(2012)</label><?label cheoli2012?><mixed-citation>
Chen, Y. and Oliver, D. S.: Ensemble randomized maximum likelihood method as
an iterative ensemble smoother, Math. Geosci., 44, 1–26, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx10"><?xmltex \def\ref@label{{Courtier et~al.(1994)Courtier, Th{\'{e}}paut, and
Hollingsworth}}?><label>Courtier et al.(1994)Courtier, Thépaut, and
Hollingsworth</label><?label cou+al1994?><mixed-citation>
Courtier, P., Thépaut, J.-N., and Hollingsworth, A.: A strategy for
operational implementation of 4D-Var, using an incremental approach, Q. J.
Roy. Meteor. Soc., 120, 1367–1387, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx11"><?xmltex \def\ref@label{{Emerick and Reynolds(2012)}}?><label>Emerick and Reynolds(2012)</label><?label emerey2012?><mixed-citation>Emerick, A. A. and Reynolds, A. C.: History matching time-lapse seismic data
using the ensemble Kalman filter with multiple data assimilation, Computat. Geosci., 16, 639–659, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s10596-012-9275-5" ext-link-type="DOI">10.1007/s10596-012-9275-5</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx12"><?xmltex \def\ref@label{{Emerick and Reynolds(2013)}}?><label>Emerick and Reynolds(2013)</label><?label emerey2013?><mixed-citation>Emerick, A. A. and Reynolds, A. C.: Ensemble smoother with multiple data
assimilation, Computers Geosci., 55, 3–15,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.cageo.2012.03.011" ext-link-type="DOI">10.1016/j.cageo.2012.03.011</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx13"><?xmltex \def\ref@label{{Evensen(2018)}}?><label>Evensen(2018)</label><?label eve2018?><mixed-citation>Evensen, G.: Analysis of iterative ensemble smoothers for solving inverse
problems, Computat. Geosci., 22, 885–908, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s10596-018-9731-y" ext-link-type="DOI">10.1007/s10596-018-9731-y</ext-link>, 2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx14"><?xmltex \def\ref@label{{Evensen and van Leeuwen(2000)}}?><label>Evensen and van Leeuwen(2000)</label><?label evelee2000?><mixed-citation>
Evensen, G. and van Leeuwen, P. J.: An emsemble Kalman smoother for nonlinear  dynamics, Mon. Weather Rev., 128, 1852–1867, 2000.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx15"><?xmltex \def\ref@label{{Godinez et~al.(2016)Godinez, Yu, Lawrence, Henderson, Larsen, and
Jordanova}}?><label>Godinez et al.(2016)Godinez, Yu, Lawrence, Henderson, Larsen, and
Jordanova</label><?label god+al2016?><mixed-citation>Godinez, H. C., Yu, Y., Lawrence, E., Henderson, M. G., Larsen, B., and
Jordanova, V. K.: Ring current pressure estimation with RAM-SCB using data
assimilation and Van Allen Probe flux data, Geophys. Res. Lett., 43,
11948–11956, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/2016GL071646" ext-link-type="DOI">10.1002/2016GL071646</ext-link>, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx16"><?xmltex \def\ref@label{{Gu and Oliver(2007)}}?><label>Gu and Oliver(2007)</label><?label guoli2007?><mixed-citation>
Gu, Y. and Oliver, D. S.: An iterative ensemble Kalman filter for multiphase
fluid flow data assimilation, SPE J., 12, 438–446, 2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx17"><?xmltex \def\ref@label{{Kalnay and Yang(2010)}}?><label>Kalnay and Yang(2010)</label><?label kalyan2010?><mixed-citation>
Kalnay, E. and Yang, S.-C.: Accelerating the spin-up of ensemble Kalman
filtering, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 136, 1644–1651, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx18"><?xmltex \def\ref@label{{Kano et~al.(2015)Kano, Miyazaki, Ishikawa, Hiyoshi, Ito, and
Hirahara}}?><label>Kano et al.(2015)Kano, Miyazaki, Ishikawa, Hiyoshi, Ito, and
Hirahara</label><?label kan+al2015?><mixed-citation>Kano, M., Miyazaki, S., Ishikawa, Y., Hiyoshi, Y., Ito, K., and Hirahara, K.:
Real data assimilation for optimization of frictional parameters and
prediction of afterslip in the 2003 Tokachi-oki earthquake inferred from slip velocity by an adjoint method, Geophys. J. Int., 203, 646–663,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1093/gji/ggv289" ext-link-type="DOI">10.1093/gji/ggv289</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx19"><?xmltex \def\ref@label{{Lange(2016)}}?><label>Lange(2016)</label><?label lan2016?><mixed-citation>
Lange, K.: MM optimization algorithms, Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, USA, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx20"><?xmltex \def\ref@label{{Lange et~al.(2000)Lange, Hunter, and Yang}}?><label>Lange et al.(2000)Lange, Hunter, and Yang</label><?label lan+al2000?><mixed-citation>
Lange, K., Hunter, D. R., and Yang, I.: Optimization transfer using surrogate objective functions, J. Comput. Graph. Statist., 9, 1–20, 2000.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx21"><?xmltex \def\ref@label{{Lawless et~al.(2005)Lawless, Gratton, and Nichols}}?><label>Lawless et al.(2005)Lawless, Gratton, and Nichols</label><?label law+al2005?><mixed-citation>
Lawless, A. S., Gratton, S., and Nichols, N. K.: An investigation of
incremental 4D-Var using non-tangent linear model, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 131, 459–476, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx22"><?xmltex \def\ref@label{{Liu et~al.(2008)Liu, Xiao, and Wang}}?><label>Liu et al.(2008)Liu, Xiao, and Wang</label><?label liu+al2008?><mixed-citation>
Liu, C., Xiao, Q., and Wang, B.: An ensemble-based four-dimensional
variational data assimilation scheme. Part I: Technical formulation and
preliminary test, Mon. Weather Rev., 136, 3363–3373, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx23"><?xmltex \def\ref@label{{Liu et~al.(2009)Liu, Xiao, and Wang}}?><label>Liu et al.(2009)Liu, Xiao, and Wang</label><?label liu+al2009?><mixed-citation>
Liu, C., Xiao, Q., and Wang, B.: An ensemble-based four-dimensional
variational data assimilation scheme. Part II: Observing system simulation
experiments with advanced research WRF (ARW), Mon. Weather Rev., 137,
1687–1704, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx24"><?xmltex \def\ref@label{{Livings et~al.(2008)Livings, Dance, and Nichols}}?><label>Livings et al.(2008)Livings, Dance, and Nichols</label><?label liv+al2008?><mixed-citation>
Livings, D. M., Dance, S. L., and Nichols, N. K.: Unbiased ensemble square
root filters, Physica D, 237, 1021–1028, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx25"><?xmltex \def\ref@label{{Lorenc(2003)}}?><label>Lorenc(2003)</label><?label lor2003?><mixed-citation>
Lorenc, A. C.: The potential of the ensemble Kalman filter for NWP–a
comparison with 4D-Var, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 129, 3183–3203, 2003.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx26"><?xmltex \def\ref@label{{Lorenz and Emanuel(1998)}}?><label>Lorenz and Emanuel(1998)</label><?label lorema1998?><mixed-citation>
Lorenz, E. N. and Emanuel, K. A.: Optimal sites for supplementary weather
observations: Simulations with a small model, J. Atmos. Sci., 55,
399–414, 1998.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx27"><?xmltex \def\ref@label{{Minami et~al.(2020)Minami, Nakano, Lesur, Takahashi, Matsushima,
Shimizu, Nakashima, Taniguchi, and Toh}}?><label>Minami et al.(2020)Minami, Nakano, Lesur, Takahashi, Matsushima,
Shimizu, Nakashima, Taniguchi, and Toh</label><?label min+al2020?><mixed-citation>Minami, T., Nakano, S., Lesur, V., Takahashi, F., Matsushima, M., Shimizu, H.,  Nakashima, R., Taniguchi, H., and Toh, H.: A candidate secular variation
model for IGRF-13 based on MHD dynamo simulation and 4DEnVar data
assimilation, Earth Planet. Space, 72, 136,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1186/s40623-020-01253-8" ext-link-type="DOI">10.1186/s40623-020-01253-8</ext-link>, 2020.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx28"><?xmltex \def\ref@label{{Nakano(2020)}}?><label>Nakano(2020)</label><?label nakano2020?><mixed-citation>Nakano, S.: Experimental demonstration of the iterative ensemble-based variational method, Zenodo, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.4420875" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.4420875</ext-link>, 2020.</mixed-citation></ref>
      <?pagebreak page109?><ref id="bib1.bibx29"><?xmltex \def\ref@label{{Nakano et~al.(2008)Nakano, Ueno, Ebihara, Fok, Ohtani, Brandt,
Mitchell, Keika, and Higuchi}}?><label>Nakano et al.(2008)Nakano, Ueno, Ebihara, Fok, Ohtani, Brandt,
Mitchell, Keika, and Higuchi</label><?label nak+al2008?><mixed-citation>Nakano, S., Ueno, G., Ebihara, Y., Fok, M.-C., Ohtani, S., Brandt, P. C.,
Mitchell, D. G., Keika, K., and Higuchi, T.: A method for estimating the
ring current structure and the electric potential distribution using ENA data assimilation, J. Geophys. Res., 113, A05208, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2006JA011853" ext-link-type="DOI">10.1029/2006JA011853</ext-link>,  2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx30"><?xmltex \def\ref@label{{Nocedal and Wright(2006)}}?><label>Nocedal and Wright(2006)</label><?label nocwri2006?><mixed-citation>
Nocedal, J. and Wright, S. J.: Numerical optimization, 2nd ed., Springer,
New York, USA, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx31"><?xmltex \def\ref@label{{Raanes et~al.(2019)Raanes, Stordal, and Evensen}}?><label>Raanes et al.(2019)Raanes, Stordal, and Evensen</label><?label raa+al2019?><mixed-citation>Raanes, P. N., Stordal, A. S., and Evensen, G.: Revising the stochastic iterative ensemble smoother, Nonlin. Processes Geophys., 26, 325–338, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/npg-26-325-2019" ext-link-type="DOI">10.5194/npg-26-325-2019</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx32"><?xmltex \def\ref@label{{Sanchez et~al.(2019)Sanchez, Wicht, B{\"{a}}renzung, and
Holschneider}}?><label>Sanchez et al.(2019)Sanchez, Wicht, Bärenzung, and
Holschneider</label><?label san+al2019?><mixed-citation>Sanchez, S., Wicht, J., Bärenzung, J., and Holschneider, M.: Sequential
assimilation of geomagnetic observations: perspectives for the reconstruction and prediction of core dynamics, Geophys. J. Int., 217, 1434–1450, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1093/gji/ggz090" ext-link-type="DOI">10.1093/gji/ggz090</ext-link>, 2019.
</mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bibx33"><?xmltex \def\ref@label{{van Leeuwen and Evensen(1996)}}?><label>van Leeuwen and Evensen(1996)</label><?label leeeve1996?><mixed-citation>
van Leeuwen, P. J. and Evensen, G.: Data assimilation and inverse methods in
terms of a probabilistic formulation, Mon. Weather Rev., 124, 2898–2913, 1996.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx34"><?xmltex \def\ref@label{{Yokota et~al.(2016)Yokota, Kunii, Aonashi, and Origuchi}}?><label>Yokota et al.(2016)Yokota, Kunii, Aonashi, and Origuchi</label><?label yok+al2016?><mixed-citation>Yokota, S., Kunii, M., Aonashi, K., and Origuchi, S.: Comparison between
four-dimensional LETKF and emsemble-based variational data assimilation with  observation localization, SOLA, 12, 80–85, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.2151/sola.2016-019" ext-link-type="DOI">10.2151/sola.2016-019</ext-link>,  2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx35"><?xmltex \def\ref@label{{Zupanski et~al.(2008)Zupanski, Navon, and Zupanski}}?><label>Zupanski et al.(2008)Zupanski, Navon, and Zupanski</label><?label zup+al2008?><mixed-citation>
Zupanski, M., Navon, M., and Zupanski, D.: The Maximum likelihood ensemble
filter as a non-differentiable minimization algorithm, Q. J. Roy. Meteor.
Soc., 134, 1039–1050, 2008.</mixed-citation></ref>

  </ref-list></back>
    <!--<article-title-html>Behavior of the iterative ensemble-based variational method in nonlinear problems</article-title-html>
<abstract-html><p>The behavior of the iterative ensemble-based data assimilation algorithm is discussed. The ensemble-based method for variational data  assimilation problems, referred to as the 4D ensemble variational method (4DEnVar), is a useful tool for data assimilation problems. Although the 4DEnVar is derived based on a linear approximation, highly uncertain problems, in which system nonlinearity is significant, are solved by applying this method iteratively. However, the ensemble-based methods basically seek the solution within a lower-dimensional subspace spanned by the ensemble members. It is not necessarily trivial how high-dimensional problems can be solved with the ensemble-based algorithm which employs the lower-dimensional approximation based on the ensemble. In the present study, an ensemble-based iterative algorithm is reformulated to allow us to analyze its behavior in high-dimensional nonlinear problems. The conditions for monotonic convergence to a local maximum of the objective function are discussed in a high-dimensional context. It is shown that the ensemble-based algorithm can solve high-dimensional problems by distributing the ensemble in different subspace at each iteration. The findings as the results of the present study were also experimentally supported.</p></abstract-html>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>Bannister(2017)</label><mixed-citation>
Bannister, R. N.: A review of operational methods of variational and
ensemble-variational data assimilation, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 143,
607–633, <a href="https://doi.org/10.1002/qj.2982" target="_blank">https://doi.org/10.1002/qj.2982</a>, 2017.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>Bishop et al.(2001)Bishop, Etherton, and Majumdar</label><mixed-citation>
Bishop, C. H., Etherton, B. J., and Majumdar, S. J.: Adaptive sampling with
the ensemble transform Kalman filter. Part I: Theoretical aspects, Mon. Weather Rev., 129, 420–436, 2001.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>Bocquet and Sakov(2012)</label><mixed-citation>
Bocquet, M. and Sakov, P.: Combining inflation-free and iterative ensemble Kalman filters for strongly nonlinear systems, Nonlin. Processes Geophys., 19, 383–399, <a href="https://doi.org/10.5194/npg-19-383-2012" target="_blank">https://doi.org/10.5194/npg-19-383-2012</a>, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>Bocquet and Sakov(2013)</label><mixed-citation>
Bocquet, M. and Sakov, P.: Joint state and parameter estimation with an iterative ensemble Kalman smoother, Nonlin. Processes Geophys., 20, 803–818, <a href="https://doi.org/10.5194/npg-20-803-2013" target="_blank">https://doi.org/10.5194/npg-20-803-2013</a>, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>Bocquet and Sakov(2014)</label><mixed-citation>
Bocquet, M. and Sakov, P.: An iterative ensemble Kalman smoother, Q. J. Roy.
Meteor. Soc., 140, 1521–1535, <a href="https://doi.org/10.1002/qj.2236" target="_blank">https://doi.org/10.1002/qj.2236</a>, 2014.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>Böhning and Lindsay(1988)</label><mixed-citation>
Böhning, D. and Lindsay, B. G.: Monotonicity of quadratic-approximation
algorithms, Ann. Inst. Statist. Math., 40, 641–663, 1988.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>Buehner(2005)</label><mixed-citation>
Buehner, M.: Ensemble-derived stationary and flow-dependent background-error
covariances: Evaluation in a quasi-operational NWP setting, Q. J. Roy.
Meteor. Soc., 131, 1013–1043, 2005.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>Buehner et al.(2010)Buehner, Houtekamer, Charette, Mitchell, and
He</label><mixed-citation>
Buehner, M., Houtekamer, P. L., Charette, C., Mitchell, H. L., and He, B.:
Intercomparison of variational data assimilation and the ensemble Kalman
filter for global deterministic NWP. Part I: Description and
single-observation experiment, Mon. Weather Rev., 138, 1550–1566, 2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>Chen and Oliver(2012)</label><mixed-citation>
Chen, Y. and Oliver, D. S.: Ensemble randomized maximum likelihood method as
an iterative ensemble smoother, Math. Geosci., 44, 1–26, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>Courtier et al.(1994)Courtier, Thépaut, and
Hollingsworth</label><mixed-citation>
Courtier, P., Thépaut, J.-N., and Hollingsworth, A.: A strategy for
operational implementation of 4D-Var, using an incremental approach, Q. J.
Roy. Meteor. Soc., 120, 1367–1387, 1994.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>Emerick and Reynolds(2012)</label><mixed-citation>
Emerick, A. A. and Reynolds, A. C.: History matching time-lapse seismic data
using the ensemble Kalman filter with multiple data assimilation, Computat. Geosci., 16, 639–659, <a href="https://doi.org/10.1007/s10596-012-9275-5" target="_blank">https://doi.org/10.1007/s10596-012-9275-5</a>, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>Emerick and Reynolds(2013)</label><mixed-citation>
Emerick, A. A. and Reynolds, A. C.: Ensemble smoother with multiple data
assimilation, Computers Geosci., 55, 3–15,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.cageo.2012.03.011" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.cageo.2012.03.011</a>, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>Evensen(2018)</label><mixed-citation>
Evensen, G.: Analysis of iterative ensemble smoothers for solving inverse
problems, Computat. Geosci., 22, 885–908, <a href="https://doi.org/10.1007/s10596-018-9731-y" target="_blank">https://doi.org/10.1007/s10596-018-9731-y</a>, 2018.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>Evensen and van Leeuwen(2000)</label><mixed-citation>
Evensen, G. and van Leeuwen, P. J.: An emsemble Kalman smoother for nonlinear  dynamics, Mon. Weather Rev., 128, 1852–1867, 2000.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>Godinez et al.(2016)Godinez, Yu, Lawrence, Henderson, Larsen, and
Jordanova</label><mixed-citation>
Godinez, H. C., Yu, Y., Lawrence, E., Henderson, M. G., Larsen, B., and
Jordanova, V. K.: Ring current pressure estimation with RAM-SCB using data
assimilation and Van Allen Probe flux data, Geophys. Res. Lett., 43,
11948–11956, <a href="https://doi.org/10.1002/2016GL071646" target="_blank">https://doi.org/10.1002/2016GL071646</a>, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>Gu and Oliver(2007)</label><mixed-citation>
Gu, Y. and Oliver, D. S.: An iterative ensemble Kalman filter for multiphase
fluid flow data assimilation, SPE J., 12, 438–446, 2007.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>Kalnay and Yang(2010)</label><mixed-citation>
Kalnay, E. and Yang, S.-C.: Accelerating the spin-up of ensemble Kalman
filtering, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 136, 1644–1651, 2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>Kano et al.(2015)Kano, Miyazaki, Ishikawa, Hiyoshi, Ito, and
Hirahara</label><mixed-citation>
Kano, M., Miyazaki, S., Ishikawa, Y., Hiyoshi, Y., Ito, K., and Hirahara, K.:
Real data assimilation for optimization of frictional parameters and
prediction of afterslip in the 2003 Tokachi-oki earthquake inferred from slip velocity by an adjoint method, Geophys. J. Int., 203, 646–663,
<a href="https://doi.org/10.1093/gji/ggv289" target="_blank">https://doi.org/10.1093/gji/ggv289</a>, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>Lange(2016)</label><mixed-citation>
Lange, K.: MM optimization algorithms, Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, USA, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>Lange et al.(2000)Lange, Hunter, and Yang</label><mixed-citation>
Lange, K., Hunter, D. R., and Yang, I.: Optimization transfer using surrogate objective functions, J. Comput. Graph. Statist., 9, 1–20, 2000.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>Lawless et al.(2005)Lawless, Gratton, and Nichols</label><mixed-citation>
Lawless, A. S., Gratton, S., and Nichols, N. K.: An investigation of
incremental 4D-Var using non-tangent linear model, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 131, 459–476, 2005.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>Liu et al.(2008)Liu, Xiao, and Wang</label><mixed-citation>
Liu, C., Xiao, Q., and Wang, B.: An ensemble-based four-dimensional
variational data assimilation scheme. Part I: Technical formulation and
preliminary test, Mon. Weather Rev., 136, 3363–3373, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>Liu et al.(2009)Liu, Xiao, and Wang</label><mixed-citation>
Liu, C., Xiao, Q., and Wang, B.: An ensemble-based four-dimensional
variational data assimilation scheme. Part II: Observing system simulation
experiments with advanced research WRF (ARW), Mon. Weather Rev., 137,
1687–1704, 2009.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>Livings et al.(2008)Livings, Dance, and Nichols</label><mixed-citation>
Livings, D. M., Dance, S. L., and Nichols, N. K.: Unbiased ensemble square
root filters, Physica D, 237, 1021–1028, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>Lorenc(2003)</label><mixed-citation>
Lorenc, A. C.: The potential of the ensemble Kalman filter for NWP–a
comparison with 4D-Var, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 129, 3183–3203, 2003.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>Lorenz and Emanuel(1998)</label><mixed-citation>
Lorenz, E. N. and Emanuel, K. A.: Optimal sites for supplementary weather
observations: Simulations with a small model, J. Atmos. Sci., 55,
399–414, 1998.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>Minami et al.(2020)Minami, Nakano, Lesur, Takahashi, Matsushima,
Shimizu, Nakashima, Taniguchi, and Toh</label><mixed-citation>
Minami, T., Nakano, S., Lesur, V., Takahashi, F., Matsushima, M., Shimizu, H.,  Nakashima, R., Taniguchi, H., and Toh, H.: A candidate secular variation
model for IGRF-13 based on MHD dynamo simulation and 4DEnVar data
assimilation, Earth Planet. Space, 72, 136,
<a href="https://doi.org/10.1186/s40623-020-01253-8" target="_blank">https://doi.org/10.1186/s40623-020-01253-8</a>, 2020.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib28"><label>Nakano(2020)</label><mixed-citation>
Nakano, S.: Experimental demonstration of the iterative ensemble-based variational method, Zenodo, <a href="https://doi.org/10.5281/zenodo.4420875" target="_blank">https://doi.org/10.5281/zenodo.4420875</a>, 2020.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib29"><label>Nakano et al.(2008)Nakano, Ueno, Ebihara, Fok, Ohtani, Brandt,
Mitchell, Keika, and Higuchi</label><mixed-citation>
Nakano, S., Ueno, G., Ebihara, Y., Fok, M.-C., Ohtani, S., Brandt, P. C.,
Mitchell, D. G., Keika, K., and Higuchi, T.: A method for estimating the
ring current structure and the electric potential distribution using ENA data assimilation, J. Geophys. Res., 113, A05208, <a href="https://doi.org/10.1029/2006JA011853" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2006JA011853</a>,  2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib30"><label>Nocedal and Wright(2006)</label><mixed-citation>
Nocedal, J. and Wright, S. J.: Numerical optimization, 2nd ed., Springer,
New York, USA, 2006.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib31"><label>Raanes et al.(2019)Raanes, Stordal, and Evensen</label><mixed-citation>
Raanes, P. N., Stordal, A. S., and Evensen, G.: Revising the stochastic iterative ensemble smoother, Nonlin. Processes Geophys., 26, 325–338, <a href="https://doi.org/10.5194/npg-26-325-2019" target="_blank">https://doi.org/10.5194/npg-26-325-2019</a>, 2019.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib32"><label>Sanchez et al.(2019)Sanchez, Wicht, Bärenzung, and
Holschneider</label><mixed-citation>
Sanchez, S., Wicht, J., Bärenzung, J., and Holschneider, M.: Sequential
assimilation of geomagnetic observations: perspectives for the reconstruction and prediction of core dynamics, Geophys. J. Int., 217, 1434–1450, <a href="https://doi.org/10.1093/gji/ggz090" target="_blank">https://doi.org/10.1093/gji/ggz090</a>, 2019.

</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib33"><label>van Leeuwen and Evensen(1996)</label><mixed-citation>
van Leeuwen, P. J. and Evensen, G.: Data assimilation and inverse methods in
terms of a probabilistic formulation, Mon. Weather Rev., 124, 2898–2913, 1996.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib34"><label>Yokota et al.(2016)Yokota, Kunii, Aonashi, and Origuchi</label><mixed-citation>
Yokota, S., Kunii, M., Aonashi, K., and Origuchi, S.: Comparison between
four-dimensional LETKF and emsemble-based variational data assimilation with  observation localization, SOLA, 12, 80–85, <a href="https://doi.org/10.2151/sola.2016-019" target="_blank">https://doi.org/10.2151/sola.2016-019</a>,  2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib35"><label>Zupanski et al.(2008)Zupanski, Navon, and Zupanski</label><mixed-citation>
Zupanski, M., Navon, M., and Zupanski, D.: The Maximum likelihood ensemble
filter as a non-differentiable minimization algorithm, Q. J. Roy. Meteor.
Soc., 134, 1039–1050, 2008.
</mixed-citation></ref-html>--></article>
