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        非Hermitian正定線性方程組的外推的廣義HSS方法*

        2022-10-28 01:52:20吳思婷
        關(guān)鍵詞:線性方程組半徑次數(shù)

        吳思婷,鮑 亮

        (華東理工大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院,上海 200237)

        1 引言

        大型稀疏線性方程組在許多科學(xué)與工程領(lǐng)域都有著非常重要的作用,比如在最優(yōu)化問題、流體力學(xué)和電磁學(xué)等領(lǐng)域都需要對此類問題進(jìn)行求解[1-7]。因此,如何快速有效地求解大型稀疏線性方程組已經(jīng)成為當(dāng)下非常重要的課題之一。

        本文考慮如式(1)所示的大型稀疏正定線性方程組的求解:

        Ax=b

        (1)

        其中,A∈Cn×n為非Hermitian正定矩陣,x∈Cn為未知向量,b∈Cn為已知向量。當(dāng)方程組(1)的系數(shù)矩陣規(guī)模較小時(shí),使用直接法更加方便。而對于較大規(guī)模的稀疏非Hermitian正定線性方程組,研究人員一般采用迭代法進(jìn)行求解。

        在求解某些特定問題時(shí),求解系數(shù)矩陣αI+S的線性方程組可能會出現(xiàn)一些問題,甚至可能會同求解原始的線性方程組Ax=b一樣困難。而選擇恰當(dāng)?shù)木仃嘖會使得矩陣αI+K+S比矩陣αI+S更對角占優(yōu),因此求解系數(shù)矩陣αI+K+S的線性方程組會比求解系數(shù)矩陣αI+S的線性方程組更加方便?;谏鲜霭l(fā)現(xiàn),本文將系數(shù)矩陣進(jìn)行廣義的HS分裂,再進(jìn)行非對稱的二步迭代。這可以將二步迭代中求解系數(shù)矩陣αI+S的線性方程組簡化為求解系數(shù)矩陣αI+K+S的線性方程組,大大加快了迭代方法的收斂速度。

        本文將系數(shù)矩陣進(jìn)行廣義的Hermitian和反Hermitian分裂,再通過引入新的變量同時(shí)結(jié)合外推的技術(shù),給出一種外推的廣義Hermitian和反Hermitian迭代方法EGHSS(Extrapolated and Generalized HSS)。還理論分析了本文方法的收斂性,給出了該方法收斂的充要條件,并將該方法迭代矩陣的譜半徑與GHSS方法迭代矩陣的譜半徑和EHSS方法迭代矩陣的譜半徑進(jìn)行比較。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在處理某些實(shí)際問題中,EGHSS迭代方法比GHSS迭代方法和EHSS迭代方法更有效,且在合適的參數(shù)值下新方法的收斂效率可以大大提高。

        2 EGHSS迭代方法

        首先簡要回顧EHSS迭代方法[13]。

        方法1EHSS迭代方法。

        (2)

        其中,α>0和ω>0均為給定的常數(shù)。

        事實(shí)上,可以將式(2)改寫成如式(3)~式(5)所示的等價(jià)形式:

        x(k+1)=M1(α,ω)x(k)+N1(α,ω)b,

        k=0,1,2,…

        (3)

        [HS-(1-ω)α(H+S)+α2I]

        (4)

        (5)

        這里的M1(α,ω)是EHSS迭代方法的迭代矩陣。

        考慮到上述迭代方法中求解系數(shù)矩陣為αI+S的線性方程組仍有一定的難度,為了將其簡化為求解系數(shù)矩陣αI+K+S的線性方程組,本文將HS分裂中的Hermitian矩陣H作如式(6)所示的分裂:

        H=G+K

        (6)

        其中,G和K為Hermitian半正定矩陣,從而得到系數(shù)矩陣A∈Cn×n有如式(7)所示廣義的HS分裂:

        A=G+K+S

        (7)

        其中,G和K為Hermitian半正定矩陣,S為反Hermitian矩陣。一種常見的矩陣分裂格式如式(8)所示:

        (8)

        基于上述系數(shù)矩陣的廣義HS分裂,下面介紹EGHSS迭代方法。

        方法2EGHSS迭代方法。

        設(shè)A∈Cn×n為非Hermitian正定矩陣,給定一個(gè)初始向量x(0)∈Cn,對于k=0,1,2,…, 直到迭代序列{x(k)}收斂,計(jì)算如式(9)所示:

        (9)

        其中,α>0和ω>0均為給定的常數(shù)。

        當(dāng)ω=0時(shí),EGHSS迭代方法就成為GHSS迭代方法;當(dāng)K=0時(shí),EGHSS迭代方法就成為EHSS迭代方法;當(dāng)ω=0且K=0時(shí),EGHSS迭代方法就成為HSS迭代方法。

        觀察EHSS方法的迭代格式,不難發(fā)現(xiàn)式(9)等價(jià)式(10)~式(12)所示的矩陣-向量形式:

        x(k+1)=M(α,ω)x(k)+N(α,ω)b,k=0,1,2,…

        (10)

        M(α,ω)=(αI+K+S)-1[K+S-(1-ω)αI+

        (2-ω)α(αI+G)-1(αI-K-S)]=

        (αI+K+S)-1(αI+G)-1{(αI+G)[K+

        S-(1-ω)αI]+(2-ω)α(αI-K-S)}=

        (αI+K+S)-1(αI+G)-1{G(K+S)-

        (1-ω)α(G+K+S)+α2I}

        (11)

        (12)

        這里的M(α,ω)為EGHSS迭代方法的迭代矩陣。

        當(dāng)然EGHSS迭代方法也可由系數(shù)矩陣A經(jīng)過如式(13)~式(15)所示的分裂得到:

        A=B(α,ω)-C(α,ω)

        (13)

        (14)

        (1-ω)α(G+K+S)+α2I]=

        (15)

        3 收斂性分析

        本節(jié)討論了EGHSS迭代方法的收斂性,并給出了迭代方法收斂的充要條件。

        引理1[12]設(shè)A∈Cn×n為正定矩陣,令A(yù)=G+K+S,G和K為Hermitian半正定矩陣,S為反Hermitian矩陣,M(α)為GHSS迭代方法的迭代矩陣。如果G或K為正定矩陣,且α>0,則迭代矩陣M(α)的譜半徑ρ(M(α))滿足式(16):

        (16)

        即GHSS迭代方法收斂到線性方程組式(1)的精確解x*∈Cn。

        從上述EGHSS方法的迭代格式推導(dǎo)過程不難發(fā)現(xiàn),EGHSS方法的迭代矩陣與GHSS方法的迭代矩陣存在一定的關(guān)系。為了證明EGHSS迭代方法的收斂性,本節(jié)根據(jù)EGHSS迭代方法的迭代矩陣M(α,ω)的形式,進(jìn)一步分析了EGHSS迭代方法的迭代矩陣M(α,ω)與GHSS迭代方法的迭代矩陣M(α)之間的關(guān)系。

        定理1設(shè)A∈Cn×n為非Hermitian正定矩陣,令A(yù)=G+K+S,G和K為Hermitian半正定矩陣,S為反Hermitian矩陣,對任意的α>0和ω≥0,GHSS迭代方法的迭代矩陣如式(17)所示:

        (17)

        那么EGHSS迭代方法的迭代矩陣M(α,ω)滿足式(18):

        (18)

        證明

        ωI+(2-ω)M(α)=

        ωI+(2-ω)(αI+K+S)-1(αI-G)

        (αI+G)-1(αI-K-S)=

        (αI+K+S)-1(αI+G)-1[ω(αI+G)

        (αI+K+S)+(2-ω)(αI+G)(αI-G)(αI+G)-1

        (αI-K-S)]=(αI+K+S)-1(αI+G)-1

        [ω(αI+G)(αI+K+S)+

        (2-ω)(αI-G)(αI+G)(αI+G)-1

        (αI-K-S)]=(αI+K+S)-1(αI+G)-1

        [ω(α2I+αG+αK+αS+GK+GS)+(2-ω)

        (αI-G)(αI-K-S)]=(αI+K+S)-1(αI+G)-1

        [2GK+2GS+2α2I-2(1-ω)α(G+K+S)]

        從而可以得到式(19):

        [G(K+S)-(1-ω)α(G+K+S)+α2I]=

        (19)

        由引理1和定理1可以得出EGHSS迭代方法收斂的充要條件。

        定理2[14,15]設(shè)A∈Cn×n為非Hermitian正定矩陣,令A(yù)=G+K+S,G和K為Hermitian半正定矩陣,S為反Hermitian矩陣,如果0≤ω<2,那么對任意的α>0,EGHSS方法的迭代格式式(9)收斂。

        證明由定理1知EGHSS迭代方法的迭代矩陣M(α,ω)與GHSS迭代方法的迭代矩陣M(α)之間存在如式(20)所示的關(guān)系:

        (20)

        設(shè)λ和μ分別為GHSS迭代方法的迭代矩陣M(α)和EGHSS迭代方法的迭代矩陣M(α,ω)的特征值,則有式(21):

        (21)

        若λ為實(shí)數(shù),則式(22)成立:

        (22)

        若λ為復(fù)數(shù),設(shè)λ=a+bi,i為虛數(shù)單位,則式(23)成立:

        (23)

        綜上所述,式(24)成立:

        (24)

        又由引理1知?α>0,ρ(M(α))<1,所以當(dāng)0≤ω<2時(shí),即0<2-ω≤2時(shí),有式(25):

        (25)

        因此,EGHSS迭代方法收斂。

        由定理2可知,EGHSS迭代方法是條件收斂的。由定理2的證明過程可知,EGHSS方法的迭代矩陣M(α,ω)的特征值與GHSS方法的迭代矩陣M(α)的特征值存在著一定的聯(lián)系。接下來進(jìn)一步分析EGHSS方法的迭代矩陣M(α,ω)的譜半徑與GHSS方法的迭代矩陣M(α)譜半徑之間的關(guān)系。

        定理3設(shè)A∈Cn×n為非Hermitian正定矩陣,令A(yù)=G+K+S,G和K為Hermitian半正定矩陣,S為反Hermitian矩陣,λ=a+bi為GHSS方法的迭代矩陣M(α)的特征值,則有:

        證明根據(jù)定理2可得式(26):

        (26)

        (27)

        (28)

        此時(shí)|μ|<|λ|,于是當(dāng)a2+b2<1時(shí),有0≤ω<2,則式(29)成立:

        ρ(M(α,ω))≤ρ(M(α))<1

        (29)

        ρ(M(α))≤ρ(M(α,ω))

        (30)

        ρ(M(α))≤ρ(M(α,ω))<1

        (31)

        根據(jù)定理3可知,通過選擇合適的參數(shù),EGHSS方法的迭代矩陣M(α,ω)的譜半徑會小于GHSS方法的迭代矩陣M(α)的譜半徑。下一節(jié)將通過具體的數(shù)值實(shí)驗(yàn)對EGHSS迭代方法、GHSS迭代方法和EHSS迭代方法的收斂速度和迭代次數(shù)進(jìn)行比較,并詳細(xì)分析矩陣規(guī)模、α和ω對EGHSS迭代方法收斂速度的影響。

        4 數(shù)值實(shí)驗(yàn)

        本節(jié)對EGHSS迭代方法進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn),并將其結(jié)果與GHSS迭代方法和EHSS迭代方法進(jìn)行比較。本次數(shù)值實(shí)驗(yàn)是在英特爾四核處理器(2.40 GHz,8 GB RAM)環(huán)境下應(yīng)用Matlab編程語言實(shí)現(xiàn)的。

        例1考慮文獻(xiàn)[16]中的數(shù)值例子,如式(32)所示:

        -u″+qu′=f

        (32)

        邊界條件為齊次邊界條件。根據(jù)中心差分方法對式(32)進(jìn)行離散,可以得到如式(33)所示的系數(shù)矩陣:

        A=tridiag(-1+qh/2,2,-1-qh/2)∈RN×N

        (33)

        其中,tridiag(·,·,·)表示三對角矩陣。

        例2考慮區(qū)域?yàn)棣?[0,1]×[0,1]×[0,1]的一類三維對流擴(kuò)散方程[8],如式(34)所示:

        -(uxx+uyy+uzz)+q(ux+uy+uz)=

        f(x,y,z)

        (34)

        其中,q=1000為給定常數(shù),且區(qū)域邊界滿足Dirichlet邊界條件。下面采用向前差分離散方程得到如式(35)所示的系數(shù)矩陣:

        A=Tx?I?I+I?Ty?I+

        I?I?Tz∈RN3×N3

        (35)

        4.1 收斂速度分析

        表1~表3分別給出了例1中GHSS迭代方法、EHSS迭代方法和EGHSS迭代方法的收斂迭代次數(shù)和收斂時(shí)間,并且給出了3種迭代方法近似最優(yōu)變量的取值。其中N的取值表示的矩陣規(guī)模分別為256×256階,512×512階,1024×1024階,2048×2048階。從表1~表3可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)數(shù)值例子相同且矩陣規(guī)模相同時(shí),EGHSS迭代方法的譜半徑、迭代次數(shù)和迭代時(shí)間普遍都小于GHSS迭代方法的和EHSS迭代方法的。且隨著qh和N的不斷增大,EGHSS迭代方法的迭代矩陣譜半徑、迭代次數(shù)和迭代時(shí)間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GHSS迭代方法的和EHSS迭代方法的。因此,不難從表1~表3中發(fā)現(xiàn),在合適參數(shù)下EGHSS迭代方法會相比GHSS迭代方法和EHSS迭代方法有更好的效果。

        表4給出了例2中GHSS迭代方法、EHSS迭代方法和EGHSS迭代方法的收斂迭代次數(shù)和收斂時(shí)間,并且給出了3種迭代方法近似最優(yōu)變量的取值。其中N的取值表示的矩陣規(guī)模為1728×1728階和4096×4096階。從表4可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)矩陣規(guī)模相同時(shí),EGHSS迭代方法的迭代速度比GHSS迭代方法的和EHSS迭代方法的更快。甚至當(dāng)?shù)螖?shù)相近時(shí),EGHSS迭代方法的迭代時(shí)間明顯小于GHSS迭代方法的。因此不難發(fā)現(xiàn),在選擇合適參數(shù)下EGHSS迭代方法會相比GHSS迭代方法和EHSS迭代方法有更好的效果。

        Table 1 IT and CPU of GHSS iterative method for example 1

        Table 2 IT and CPU of EHSS iterative method for example 1

        Table 3 IT and CPU of EGHSS iterative method for example 1

        Table 4 IT and CPU of GHSS,EGHSS and EHSS iterative method for example 2

        圖1展示了例1取qh=10時(shí),系數(shù)矩陣規(guī)模分別為256×256階和512×512階的情況下,EGHSS迭代方法、GHSS迭代方法和EHSS迭代方法的殘量隨著迭代步數(shù)的變化趨勢。顯然EGHSS迭代方法的殘量下降曲線位于GHSS迭代方法和EHSS迭代方法的殘量下降曲線之下。這說明對上述qh=10的數(shù)值例子,EGHSS迭代方法相較于GHSS迭代方法和EHSS迭代方法迭代次數(shù)更少,迭代時(shí)間更短。并且系數(shù)矩陣規(guī)模越大,EGHSS迭代方法相較于其他2種方法的優(yōu)勢越明顯。因此,在處理某些實(shí)際問題中,EGHSS迭代方法比GHSS迭代方法和EHSS迭代方法具有迭代次數(shù)更少、迭代時(shí)間更短等優(yōu)點(diǎn)。

        4.2 參數(shù)α和ω的靈敏度分析

        通常來說,迭代矩陣的譜半徑越小,迭代方法的收斂速度越快。因此,本節(jié)主要討論各個(gè)變量對EGHSS方法的迭代矩陣譜半徑的影響。首先分析單一變量α對EGHSS迭代方法、GHSS迭代方法和EHSS迭代方法的迭代矩陣譜半徑的影響;再分析2個(gè)變量α和ω共同對EGHSS迭代方法的譜半徑的影響。本節(jié)參數(shù)靈敏度分析僅考慮例1中的參數(shù)α和ω對EHSS迭代方法譜半徑的影響。

        圖2a表示例1選取矩陣規(guī)模為256×256階,且qh=10和ω=0.6時(shí),EGHSS迭代方法、GHSS迭代方法和EHSS迭代方法中參數(shù)α與迭代矩陣譜半徑的關(guān)系。圖2b表示例1選取矩陣規(guī)模為512×512階,且qh=10,ω=0.5時(shí),EGHSS迭代方法、GHSS迭代方法和EHSS迭代方法中參數(shù)α與迭代矩陣譜半徑的關(guān)系。觀察圖2可以發(fā)現(xiàn),3種方法迭代矩陣的譜半徑均隨著α增大先減小后增大。除此之外,EGHSS迭代方法的最小譜半徑明顯小于GHSS迭代方法和EHSS迭代方法的最小譜半徑(都小于1),這說明了EGHSS迭代方法相比GHSS迭代方法和EHSS迭代方法有更好的迭代效果。

        圖3a表示例1選取系數(shù)矩陣規(guī)模為256×256階且qh=10時(shí),EGHSS迭代方法中的參數(shù)α和ω與迭代矩陣譜半徑的關(guān)系。圖3b表示例1選取系數(shù)矩陣規(guī)模為512×512階且qh=10時(shí),EGHSS迭代方法中的參數(shù)α和ω與迭代矩陣譜半徑的關(guān)系。觀察圖3可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)α和ω處于一個(gè)適當(dāng)?shù)娜≈捣秶鷷r(shí),EGHSS迭代方法的譜半徑小于1,符合定理2的收斂性證明。當(dāng)系數(shù)矩陣規(guī)模為256×256階且qh=10時(shí),α=1.6和ω=0.6時(shí),EGHSS迭代方法的譜半徑近似取得最小值(小于1)。當(dāng)系數(shù)矩陣規(guī)模為512×512階且qh=10時(shí),α=1.1和ω=0.5時(shí),EGHSS迭代方法的譜半徑近似取得最小值(小于1)。因此,圖3a和圖3b分別選擇ω=0.6和ω=0.5是合理的。

        5 結(jié)束語

        本文提出了一種求解大型稀疏非Hermitian正定線性方程組的EGHSS迭代方法,給出了該方法收斂的充要條件,并進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)。在與GHSS迭代方法和EHSS迭代方法的譜半徑、迭代步數(shù)及迭代時(shí)間的比較過程中不難發(fā)現(xiàn),EGHSS迭代方法在處理某些問題時(shí)相較于其他2種迭代方法具有一定的優(yōu)越性。除此之外,本文還分析了單一參數(shù)α對EGHSS方法迭代矩陣譜半徑的影響,以及2個(gè)參數(shù)α和ω共同對EGHSS方法迭代矩陣譜半徑的影響。當(dāng)然,理論上的最優(yōu)參數(shù)α和ω的確定還有待進(jìn)一步的研究??偟膩碚f,EGHSS迭代方法是一種較GHSS迭代方法和EHSS迭代方法更有競爭力的方法,特別是選取了合適的參數(shù)α和ω后,EGHSS方法的收斂速度大大提高。

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