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求解非对称线性方程组的积多项式预处理GMRES算法

来源:个人技术集锦
第38卷第5期 兰州理工大学学报 V01.38 No.5 2012年1O月 Journal of Lanzhou University of Technology Oct 2012 文章编号:1673—5196(2012)05-0145-04 求解非对称线性方程组的积多项式 预处理GMRES算法 孙春晓,徐乐顺 (西北农林科技大学理学院,陕西杨凌712100) 摘要:当系数矩阵的条件数过大时,求解非对称线性方程组通常采用预处理方法.根据GMRES算法的补足收敛特 性,构造一种有效的积多项式预处理因子.在一定条件下,应用积多项式对系数矩阵进行预处理,可以显著降低谱 条件数,从而加快残量的收敛速度.数值试验表明,新算法在残量收敛方面具有明显的优势. 关键词:多项式预处理;Krylov子空间;迭代法;GMRES 中图分类号:0241.6 文献标识码:A Product polynomial pretreatment GMRES algorithm for solution of nonsymmetrical linear equation set SUN Chun-xiao,XU Le-shun (College of Science,No ̄hwest University of Agriculture and Forestry,Yangling 712100,China) Abstract:When the number of condition of coefficient matrix was too large,the pretreatment method was usually to be used to solve the nonsymmetrical linear equation set.Based on the complementary con— vergence behavior of GMRES algorithm,an effective product polynomia1 pretreatment factor was con— structed.Under certain condition,the coefficient matrix was pretreated with the product polynomial and the number of spectral condition could be reduced remarkably SO that the convergence of the residual would be significantly accelerated.Numerical experiment showed that the new algorithm would have a distinct advantage in connection with residual convergence. Key words:polynomial pretreatment;Krylov subspace;iterative method;GMRES 很多科学计算问题经过离散可归结为求解线性 ∈.770+/On(r0,A) 上/ ̄n(ro,A) 方程组 其中, (r0.A)一span{A ,-0)n -0I是对应于ro,A的 Az一6 (1) krylov子空间. 式中:AER N是非奇异的. 容易证明,此时残量 满足: 求解线性方程组(1)的很多迭代法可归结于多 lI—ll Pn(A)ro lI—项式法,即满足: deg )=l l Ip(A)ro II (3) ::=z0+q, ̄-I(A)ro deg q 1≤ 一1 这里z ( ≥0)为第 步迭代解, 一6 一Az 为其 式中:lI・ll为RN上的Euclidean范数.由此定义 对应的迭代残量.等价地 的迭代方法称为最小残量法,如GMRES算法. 由最小残量所产生的残量按范数ll・ll是非增 一 ,。(A)r0 deg P ≤ P (O)一1 (2) 的,且当 一N时得到方程组(1)的精确解,因此此 式中:夕, (z)一1一 一 (z)称为残量多项式. 类方法总是收敛的.但在实际应用中,由于矩阵的阶 或有 数可达1O。 以上,执行整体的最小残量法所需的存 储量和计算量会随着迭代步数的增加而变得不可接 收稿日期:2011—10-08 受[1].Saad采用循环GMRES(m)算法,但此算法会 作者简介:孙春晓(1981-),女,河南南阳人,讲师 失去超线性收敛性,产生停滞[2].N.M.Nachtigal等 兰州理工大学学报 第38卷 提出混合GMRES算法,但此算法的收敛性从理论 上得不到保证,而且在实际应用中,其Richardson 迭代可能收敛得很慢甚至发散[3].为了提高Krylov 子空间的稳定性,实际求解时通常采用预处理方 法[4.5].本文采用多项式预处理GMRES(m)方法,找 到有效的低阶多项式S( ),这样迭代解被应用到 s(A)Ax— (A)6中.这种预处理方法在解决某些大 型稀疏线性方程组的系数矩阵A的条件数过大时 是很有效的.本文利用GMRES( )算法的补足收 敛性质构造预处理多项式.由此给出一种新的算法, 称为积多项式预处理GMRES算法(PP-GMRES). 1预处理多项式的构造 1.1 GMRES(m)算法的补足收敛性质 定义GMRES( )算法第 次循环对应的双纽 线为 L 一{z∈C:l P , (z)l一 ) 其中 一 < 设 是A的任一特征值,若 包含在L 中,则 I …( )}< .I P…( )I取值越小,迭代残量在这 一特征向量方向有明显下降. 下面用数值实验来说明GMRES(m)算法的补 足收敛性质. 例1考虑线性方程组Az一6. 其中 0.5 0.5+ 1.0 1.0+ A== b== 1.5 1.5+ 2.0 2.0 取 一0.05,初始迭代向量Xo一[0,O,0,O] . 记A的谱口(A)一( 1, 2, 3, 4)一 (0.5,1.0,1.5,2.0).GMRES(3)算法前两次循环 所对应的双纽线如图1所示. 重新开始GMREs(仇)算法的不同迭代循环所 产生的迭代残量偏向于不同的特征向量,使其所形 成的残量多项式在收敛方向上相互补足,从而残量 的收敛达到一种平衡. 以相继迭代循环的残量多项式作乘积,形成积 多项式,这样能够保证残量在所有特征向量方向上 都有均匀、明显的下降. 取前两次循环的残量多项式作乘积丌2's( )一 P1.3( )P2,3( ),做双纽线 L一{ ∈C:I 7r2,。( )l= ) = ^ (b) 2 图1例l GMRES(3)前两次循环的双纽线;特征值:・ Fig.1 Lemniscates of the first two cycles and their eigen- values 0fGMRES(3)for example 1;eigenvalms:・ 图2中所有特征值包含在双纽线L中,7t"z,。( ) 在矩阵A的谱上得到了整体的下降. 0.6 0.4 O2 O —O.2 —0 4 O.6 图2 GMRF ̄{3)前两次循环对应的积多项式的双纽 线:特征值:・ Fi吕2 Lemniseates of a productpobnon ̄al corresponding to the first two cycles and their eigenvalues of GMRES(3);eigenvalues:・ 1.2理论基础 引理1E。]设方程组Ax=6的系数矩阵A是可 对角化的且其谱分解为 Z-- Az=:=diag(1l, 2,…, N) 其中, ( —l,2,…,N)都是正实数.不妨设 ≤ ≤…≤ N,则给定初始估计z。,执行m步 GMRES算法,有 ≤2 [卜 ] 其中, (A)一 是A的条件数. 下面利用积多项式构造多项式预处理因子 第5期 孙春晓等:求解非对称线性方程组的积多项式预处理GMRES算法 s( ),使得 (s(A)A)尽可能小. 由于 丌 , ( )=pl, (z)pz。 ( )…P , ( )一 GMRES算法(PP—GMRES). 选取初始迭代向量 . 1)执行GMRES(忌)算法 次,得到残量多项式 序列{p (z)} ;构造积多项式 . [1一田1,一1(z)][1一zc/2, (z)]… [1一田 ,一1( )]一 1一{(一1) ,一1( )…ql,一1( )2 ’+ ( )=Pl。 (z)p2。 ( )…P , ( ) 2)由 。 ( )一1一S( )z得到预处理多项式 (一1)‘ [q ,一1( )…g2,一1(z)+…+ q,r1,, 1( )…q1.一1( )] 。--I…+ [ .一1( )+…+q1,一1( )]z一 1一s(z)2 (4) 式中 (z)一(一1)‘ r ’‰一1(2)…ql,一l( ) ‘’广 ’+ (一1) [q ,一1( )…qz,一1( )+…+ 口 ,一1(z)…ql,一1( )]z‘ +…+ [q 一1( )+…+q1.一1(z)] 由此可得 s( )一 定理1设方程组(1)的系数矩阵A可对角化, 其特征值 , z,…, N均为实的.若 I 7t"…( i)l≤r<1 i一1,2,…,N 则有 0≤ ≤2 max (s(A )A)≤鲁 证明 由于S(A)A— 一 。 (A),A可对角 化,则s(a)A也可对角化. 为A的任一特征值,故1一 ( i)为s(A)A 的任一特征值. 又I%. ( )l≤r<1且 , ( f)均为实的. 故 0≤1一r≤1一丌『l, ( )≤1+r 即 0≤1一r≤ (s(A)A)≤1+r 0≤1一r≤ .m(s(A)A)≤1+r 可得 。≤ ≤ ̄ tmax (s(A)A)≤ 由矩阵条件数的定义E 可知,矩阵的任何一种 条件数都大于等于1.根据定理1,若r足够小,预处 理矩阵s(A)A的条件数接近于1.这样,对预处理方 程组s(A)A:s(A)b执行GMRES算法将会得到较 好的收敛效果.而适当的选取积多项式 , ( ),可 使其在矩阵A的谱上整体下降[。 ],即r《1. 2积多项式预处理GMRES算法 根据上面的分析,给出积多项式预处理 S( ). 3)对s(A)Az—s(A)6执行循环GMRES( )算 法,直至收敛. 对新算法的几点说明: 1)数k和参数m可以不一致,这样使得算法很 灵活. 2)GMRES(m)循环在第m步得到的近似解 x ,是在预处理krylov子空间 k (s(A)A,Yo)一span{(s(A)A) ro}m :-o1 上使得残量范数最小口D]. 3)根据残量多项式的互补性理论[。]及数值试 验,通常取 一2,即 s( )一一Aq2.卜1(A)ql,卜1(A)+q2.卜1(A)+q1,卜1(A) 如果实际执行效果不太好,可适当放大 . 4)计算单次残量多项式的系数有两种方法.一 是文献E5]的迭代公式,二是通过求解特征矩阵的特 征多项式来求解残量多项式En-lz]. 3数值实验 本节给出三个数值试验比较PP_GMRES( ), PolyGMRES(m)[133,HGMRES( ),GMRES(m) 四种算法的执行结果.为了使数值结果便于重复,这 里具体给出各参数的值,而不考虑算法的执行细节. 选取右端项b:(1,1,…,1) ,初始估计Xo一 (O,0,…,O) . 例2 同文献Es]中例1,选取A为三对角 Toeplitz矩阵 1 0.5 1 1 O.5 1 1 ‘. A: (1 000×1 ooo) 。. .0.5 1 1 由图3可以看出,四种算法都使迭代残量下降. 比较起来,PP_GMRES(5)算法下降最快,说明积多 项式7l"z, ( )在矩阵A的谱上的值比较小,使得预处 理后的系数矩阵的条件数较小,从而加速了收敛. 例3选取A为Grear矩阵 A== ・148・ 兰州理工大学学报 第38卷 致谢:本文得到西北农林科技大学青年基金 1 一 (QN2OO9O47)项目的资助,在此表示感谢. 参考文献 .籁糨譬藕茛嘲 挺窖辍捉嘲 1 1. .一 1 [1] JOUBERT W D,VARGA R S A hybrid Amoldi—Faber itera— tive method for nonsymmetire linear systems FJ].Part I: 一 1 .1. . 1 Theory,Part iI:Parallel implementation.Internat J Comput Math,1992,44(1):243—267. .. 1 1 . E2]SAAD Y,SCHULTZ M H.GMRES:A generalized minimal  一工作量 图3例2收敛曲线:工作量和残量对数的范数 1 Fig.3 Convergence curve of log.residual norm vs work for example 2 (1 000×1 000) 由于该矩阵伪谱的凸包中含零点,在这种情况 chebyshev类型或其他一些混合算法将导致失败. 由图4可以看出GMRES算法失败,但PP-GMRES 算法有很满意的收敛效果. 2 1 O l 2 —3 —4 5 —6 —7 8 工作量 图4例3收敛曲线:工作量和残量对数的范数 Fig.4 Convergence cUrVE of log.residual norm vs work for example 3 1 residual algorithm for solving nonsymmetric linear systems  1 口].SIAM 一 J Sci Stat Comput,1986,7:856—869. 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