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对求解大规模稀疏Hamilton矩阵特征问题的辛Lanczos算法给出了舍人误差分析。分析表明辛Lanczos算法在无中断时,保Hamilton结构的限制没有破坏非对称Lanczos算法 的本质特性。本文还讨论了辛Lanczos算法计算出的辛Lanczos向量的J-正交性的损失与Ritz值收敛的关系。结论正如所料,当某些Ritz值开始收敛时。计算出的辛Lanczos向量的J- 正交性损失是必然的。以上结果对辛Lanczos算法的改进具有理论指导意义。
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第
24
卷第
1
期
数学研究与评论
2004
年
2
月
JOURNAL
OF
MATHEMATICAL
RESEARCH
AND
EXPOSITION
求解大规模
Hamilton
矩阵特征问题的辛
Lanczos
算法的误差分析.
闰庆友
1·2
,
魏小鹏
3
Vol.
24
No. 1
Feb.2004
(1.山东财政学院经济统计系,山东济南
250014
,
2.
华北电力大学工商管理学院,北京
102206
,
3.
大连大学先进设计技术中心,辽宁大连
116622)
摘
要
z
对求解大规模稀疏
Hamilton
矩阵特征问题的辛
Lanczos
算法绘出了舍入误差分析.
分析表明辛
Lanczos
算法在元中断时,保
Hamilton
结构的限制没有破坏非对称
Lanc
四
s
算法
的本质特性.本文还讨论了辛
Lanczos
算法计算出的辛La
nczos
向量的
J-
正交性的损失与
Ritz
值收敛的关系.结论正如所料,当某些
Ritz
值开始收敛时.计算出的辛
Lanczos
向量的
J
E
交性损失是必然的.以上结果对辛La
nczos
算法的改进具有理论指导意义.
关键词
g
辛
Lancz
回算Ii;;
Hamil
ton
矩阵
s
将征值
s
误差分析;Ri
tz
值;
Ritz
向量.
分类号
.AMS(2000)
65G05.65
F1
5.65F50/CLC numbec.
024
1.
6
文献标识码
.A
文章编号
.100
0-
341X(2004)01-0091-16
l
引言
1950
年,
Lanczos
提出的
Lanczos
算法间是一个逐渐把一个一般矩阵
AER"X"
化为一个
三对角矩阵
T
的过程.在La
nczos
过程执行第
j
步后,
Lanczos
算法产生了两个
nXj
阶矩阵
毡
,
Pj.
Qj=
[ql
,q2'
…,
qjJ
,
Pj=
[扣,扣,…
,
pJ
满足
P
了
Qj=l
,
且
A
础
Qj
=
QjT
j
+
ß
ιj
什+曲
+1ιe
「
αlγ1
I
11.
α
。
l
这里
ej=
白,
0
,…,
lJ7εR
叽为三对角矩阵几
=1IU·.;...
川
L ßj ajJ
小矩阵
T
j
的某些特征值随
j
的增大可以是矩阵
A
的某些特征值的好的近似.在整个的迭
代过程中,只用到了矩阵和向量的权
Ax
和
A
勺,因此此算法特别适合求大型稀疏矩阵的部分
特征值.从
1960
年至今出现了大量的研究
Lanczos
算法的文章,如口,
11
,
17J.
最近二三十年,出现了一些研究保结构的计算
Hamilton
矩阵特征值的文章白
.6.
7]对于大
·收稿日期
.2002-01-20
基金项目
s
国家自然科学基金资助
(50275013.
G6017(03
7)
作者简介
z
闰庆友(1
963-
),博士,山东财政学院教授.
-
91
一
型稀疏
Hamilton
矩阵特征问题的求解
P.
Benner
和
H.
FaBbender
在文白,
4J
中提出了一个隐
式重新开始的辛
Lanczos
算法.大型稀疏
Hamilton
矩阵的特征问题求解有广泛的实际意义.
例如,求解连续时间的代数
Riccati
方程
F
计算矩阵的
H
∞范数;分析计算化学中的相应理
论口飞求解最优控制问题.很多情况下产生的
Hamilton
矩阵为大型的稀疏的.而且应用中只
需要部分特征值及其对应的不变子空间.
保结构求解
Hamilton
矩阵问题的
Lanczos
算法(辛
Lanczos
算法〉是
P.
Benner
和
H.
FaBbender
于
1995
提出的民此算法逐次地把
Hamilton
矩阵约化为
Hamilton
J-
三对角矩阵.
文
[3
,
4J
中作者利用了隐式重新开始的思想解决辛
Lanczos
算法面临的数值问题.对辛
Lanc
zos
算法的中断问题,
R.
Freund
和
V.
Mchrmamn
提出了
Look-ahead
辛
Lanczos
算法。
0]
•
本文对于求解
Hamilton
矩阵问题的简单的辛
Lanczos
算法在无中断的情况下进行了误
差分析.分析表明保结构的辛La
nczos
具有非对称
Lanczos
算法某些的数值特性.整个分析是
按照
Bai
[1]
,
Paige[16]
及
H.
Fassbender[8]
的思路进行的.
2
求解
Hamilton
矩阵特征问题的辛
Lanczos
算法及其性质
给定
Hamilton
矩阵
HεH
拙缸,初始向量
SI
εR
2
'
,辛
Lanczos
算法产生一列
Hamilton
J-
三对角矩阵
H
2i
(
如果无中断发生)
,满足
HS2i =
S
μRμ
十
';H1
V
i+l
e
f.
,
(2)
其中
SμξR
z"
X
2i
,
S2i
e1
=Sl'
(S
勺
TJ
z"
S2i=
.J2
i
(J_
正交).当
k=n
时,该算法生成一个辛矩阵
S
,
满足
S
一
lHS=H
z",
其中
i1z"
为下列
J
Hamilton
J-
三对角矩阵.
8
1
ßl
';2
8
2
';2
A
';3
A
';3
已
-8
1
ι
(3)
f1z,,
=S
一
lHS=
'>'1
8,
'>'2
-8
2
'>'3
-8
3
Y
-8
,
为了叙述方便,定义如下置换矩阵.设
el
,
e2'
…,
e
z,,
-l
,
eZ.
为
R
Z
•
的坐标基,定义置换矩阵
p
z,,=
[el ,
e3''''
,e
z,,
-1
,
ez
,
e(
,
…,
e
z"
JξR
z"
X2
,.称
H
p=p
z"
H(p
z,,
)T
,
S~=p
z"
S
z"
(p
z,,
)1'
,
R~=p
2i
g
劝
(PZi)T
分别为置换版本的
Hamilton
矩阵和置换版本的辛矩阵。-正交阵)和置换版的
Hamilton
J-
三对角矩阵.
特别值得指出的是
俨阿z"
(P2')
(4)
-
92
一
J
1
βl
O
~z
Y
J
-(]1
O O
O
~2
A
βz
O
~3
Yz
-J
z
O
O
RP=SfJJpSp=|
~3
.
.
.
.
已
-1
(5)
O
.
.
ß.-l
O
~.
o
O
~.
(].
A
几
-(].
为一特殊的
Hessenberg
矩阵.因为
S-JHS=H
,
所以有
(]I
A
O
~z
Y
1
-(]1
O O
O
~2
Jz
ßz
O
~3
γ2
-(]2
O O
HpSp=SpHp=Sp
I
~3
t-l
(6)
O
ß.-l
O
已
O O
ι
lJ.
A
几
-J.
保结构的辛
Lanczos
算法
[3
,
4]
生成一列矩阵
37=
队
,
W
I'
Vz
,
t
屿,…,巧,
w..]ER
Z
•
X
挡,满足
H
pS~
=S
1'2-'
J1
~+~HIVHle~
,
(7)
其中
J1
~=P
纣
R
叫
P
勺
T
为
2kX2k
阶
Hamilton
J-
三对角矩阵.因为
(S";)T
J~S~=J
1'2-',
容易证
明
S
2I=
(p
z,,
)TS
,,;
p21
的列向量张成的空间是辛空间.
由于这一约化过程非常强地依赖于约化矩阵的第一列,可以预见可能会发生的中断和近
似中断.假设元中断发生
,
Sp=[
叫,叫,
VZ'
叫,…川.
,叫].给定初始向量叫,辛
Lanczos
算法通
过下列方程逐列地形成
HpSpej
=
SpH
1'
ej'
j
=
},
2
,....
由此得到下列辛
Lanczos
算法时
算法
z
辛
Lanczos
算法
1
开始
z
选择初始向量
vJER
z"飞勺
,
V
矶叩
1
乒#荆
O
队,令
U
叫俨
o
严=川
h
飞勺,~已←
1
卢剖=引叫
11
阳问川
5
饥川灿
1
川|
2.
迭代
t
对
j=}
,
2
,'"
(a)
马
=vfJpHpVj
,
(b)
wj=Hpvj-(]jt
勺,
ω
Wj=
穷,
-
93
一
(8)
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