Участник:Alexander34396/Обобщенный метод минимальных невязок: различия между версиями

Материал из Алговики
Перейти к навигации Перейти к поиску
Нет описания правки
Строка 8: Строка 8:


'''Исходные данные:'''  
'''Исходные данные:'''  
* система линейных алгебраических уравнений вида <math> Ax = b </math>, где <math> A </math> — невырожденная матрица размера <math>n</math>-на-<math> n </math>;
* система линейных алгебраических уравнений вида <math> Ax = b </math>, где <math> A </math> — невырожденная матрица размера <math>n</math>-на-<math> n </math>.
* подпространство Крылова размерности  <math> m, m <= n </math>, порождённое вектором <math> b </math> и матрицей <math> A </math>:
:<math> K_m = K_m(A,b) = \operatorname{span} \, \{ b, Ab, A^2b, \ldots, A^{m-1}b \}. \, </math>
'''Вычисляемые данные:'''  
'''Вычисляемые данные:'''  
* <math> x_m \in K_m </math> - приближённое решение исходной системы.
* <math> x_k </math> - приближённое решение исходной системы.


Метод GMRES приближает точное решение исходной системы <math> Ax = b </math> вектором <math> x_m \in K_m </math>, минимизирующим Евклидову норму невязки <math>r_m = Ax_m-b</math>.
Подпространство Крылова размерности <math> k, k \leq n </math> для решения исходной системы:
:<math> K_k = K_k(A,b) = \operatorname{span} \, \{ b, Ab, A^2b, \ldots, A^{k-1}b \}. \, </math>


Для решения исходной системы GMRES, используя <math> l_2 </math>-ортонормальный базис пространства <math> K_m </math>, выполняет поиск приближённого решения <math> x_m </math> в виде:
Метод GMRES приближает точное решение исходной системы <math> Ax = b </math> вектором <math> x_k \in K_k </math>, минимизирующим Евклидову норму невязки <math>r_k = Ax_k-b</math>.
:<math> x_m = x_0 + z_m </math>,
где <math> x_0 </math> - некоторое начальное приближение, <math> z_m \in K_m </math> - поправка решения.


Для построения ортонормального базиса <math> K_m </math> метод использует ортогонализацию Арнольди. При введении для базиса <math> K_m </math> матричного обозначения <math> V_m </math> можно записать:  
Для решения исходной системы GMRES, используя <math> l_2 </math>-ортонормальный базис пространства <math> K_k </math>, выполняет поиск приближённого решения <math> x_k </math> в виде:  
:<math> z_m = V_my_m </math>,  
:<math> x_k = x_0 + z_k </math>,  
где <math> y_m \in \mathbb{R}^m </math> - вектор коэффициентов.
где <math> x_0 </math> - некоторое начальное приближение, <math> z_k \in K_k </math> - поправка решения.


В общем виде алгоритм метода GMRES может быть записан следующим образом:
Для построения ортонормального базиса <math> K_k </math> метод использует ортогонализацию Арнольди. При введении для базиса <math> K_k </math> матричного обозначения <math> V_k </math> можно записать:  
:<math> z_k = V_ky_k </math>,
где <math> y_k \in \mathbb{R}^k </math> - вектор коэффициентов.


# найти ортонормальный базис <math> V_m </math> подпространства <math> K_m </math> с помощью ортогонализации Арнольди;
В общем виде k-aя итерация алгоритма GMRES может быть записан следующим образом:
# найти <math> y_m </math>, минимизирующий <math> \|r_m\|_2 </math>;
 
# посчитать <math> x_m = x_0 + V_my_m </math>;
# найти ортонормальный базис <math> V_k </math> подпространства <math> K_k </math> с помощью ортогонализации Арнольди;
# посчитать <math> r_m </math> и остановиться,если требуемая точность была достигнута, иначе повторить.
# найти <math> y_k </math>, минимизирующий <math> \|r_k\|_2 </math>;
# вычислить <math> x_k = x_0 + V_ky_k </math>;
# вычислить <math> r_k </math> и остановиться,если требуемая точность была достигнута, иначе повторить для k + 1.


=== Вычислительное ядро алгоритма ===
=== Вычислительное ядро алгоритма ===


Вычислительное ядро последовательной версии метода GMRES состоит из двух частей:
Вычислительное ядро последовательной версии метода GMRES состоит из двух частей:
* Вычисление ортонормального базиса <math> K_m </math> с помощью ортогонализации Арнольди:  
* Вычисление ортонормального базиса <math> K_k </math>;
: на одной итерации алгоритма <math> m(m + 1) n + mNZ </math> мультипликативных операций, где NZ - количество ненулевых элементов матрицы <math> A </math>;
* Формирование приближенного решения <math> x_k </math>.
* Формирование приближенного решения <math> x_0 + V_mY_m </math>:
 
: <math>nm</math> мультипликативных операций.
На каждой итерации для вычисления ортонормального базиса <math> K_k </math> метод использует процесс Арнольди:
: <math> \hat{v}_{k+1} := Av_k - \sum_{i=1}^k h_{ik}v_{k} </math>, где <math> h_{ik} := (Av_k, v_i) </math>.
Этот процесс требует <math> k(k + 1) n + kNZ </math> мультипликативных операций, где NZ - количество ненулевых элементов матрицы <math> A </math>.
 
Для нахождения на каждой итерации приближённого решения метод использует формулу:
: <math> x_k = x_0 + V_ky_k </math>.
Вычисление этой формулы требует <math>nk</math> мультипликативных операций.


=== Макроструктура алгоритма ===
=== Макроструктура алгоритма ===

Версия от 19:24, 15 октября 2016

Свойства и структура алгоритма

Общее описание алгоритма

Обобщённый метод минимальных невязок (англ. Generalized minimal residual method, GMRES) - итерационный метод численного решения системы линейных алгебраических уравнений с невырожденной матрицей. Метод основан на минимизации квадратичного функционала невязки на подпространствах Крылова. Разработан Юсефом Саадом и Мартином Шульцем в 1986 году как обобщение метода MINRES на случай систем с несимметричными матрицами.

Математическое описание алгоритма

Исходные данные:

  • система линейных алгебраических уравнений вида [math]\displaystyle{ Ax = b }[/math], где [math]\displaystyle{ A }[/math] — невырожденная матрица размера [math]\displaystyle{ n }[/math]-на-[math]\displaystyle{ n }[/math].

Вычисляемые данные:

  • [math]\displaystyle{ x_k }[/math] - приближённое решение исходной системы.

Подпространство Крылова размерности [math]\displaystyle{ k, k \leq n }[/math] для решения исходной системы:

[math]\displaystyle{ K_k = K_k(A,b) = \operatorname{span} \, \{ b, Ab, A^2b, \ldots, A^{k-1}b \}. \, }[/math]

Метод GMRES приближает точное решение исходной системы [math]\displaystyle{ Ax = b }[/math] вектором [math]\displaystyle{ x_k \in K_k }[/math], минимизирующим Евклидову норму невязки [math]\displaystyle{ r_k = Ax_k-b }[/math].

Для решения исходной системы GMRES, используя [math]\displaystyle{ l_2 }[/math]-ортонормальный базис пространства [math]\displaystyle{ K_k }[/math], выполняет поиск приближённого решения [math]\displaystyle{ x_k }[/math] в виде:

[math]\displaystyle{ x_k = x_0 + z_k }[/math],

где [math]\displaystyle{ x_0 }[/math] - некоторое начальное приближение, [math]\displaystyle{ z_k \in K_k }[/math] - поправка решения.

Для построения ортонормального базиса [math]\displaystyle{ K_k }[/math] метод использует ортогонализацию Арнольди. При введении для базиса [math]\displaystyle{ K_k }[/math] матричного обозначения [math]\displaystyle{ V_k }[/math] можно записать:

[math]\displaystyle{ z_k = V_ky_k }[/math],

где [math]\displaystyle{ y_k \in \mathbb{R}^k }[/math] - вектор коэффициентов.

В общем виде k-aя итерация алгоритма GMRES может быть записан следующим образом:

  1. найти ортонормальный базис [math]\displaystyle{ V_k }[/math] подпространства [math]\displaystyle{ K_k }[/math] с помощью ортогонализации Арнольди;
  2. найти [math]\displaystyle{ y_k }[/math], минимизирующий [math]\displaystyle{ \|r_k\|_2 }[/math];
  3. вычислить [math]\displaystyle{ x_k = x_0 + V_ky_k }[/math];
  4. вычислить [math]\displaystyle{ r_k }[/math] и остановиться,если требуемая точность была достигнута, иначе повторить для k + 1.

Вычислительное ядро алгоритма

Вычислительное ядро последовательной версии метода GMRES состоит из двух частей:

  • Вычисление ортонормального базиса [math]\displaystyle{ K_k }[/math];
  • Формирование приближенного решения [math]\displaystyle{ x_k }[/math].

На каждой итерации для вычисления ортонормального базиса [math]\displaystyle{ K_k }[/math] метод использует процесс Арнольди:

[math]\displaystyle{ \hat{v}_{k+1} := Av_k - \sum_{i=1}^k h_{ik}v_{k} }[/math], где [math]\displaystyle{ h_{ik} := (Av_k, v_i) }[/math].

Этот процесс требует [math]\displaystyle{ k(k + 1) n + kNZ }[/math] мультипликативных операций, где NZ - количество ненулевых элементов матрицы [math]\displaystyle{ A }[/math].

Для нахождения на каждой итерации приближённого решения метод использует формулу:

[math]\displaystyle{ x_k = x_0 + V_ky_k }[/math].

Вычисление этой формулы требует [math]\displaystyle{ nk }[/math] мультипликативных операций.

Макроструктура алгоритма

В алгоритме можно выделить следующие макрооперации:

  • Умножение матрицы на вектор;
  • Вычисление скалярного произведения векторов;
  • Вычисление Евклидовой нормы вектора;
  • Умножение вектора на скаляр;
  • Деление вектора на скаляр.

Схема реализации последовательного алгоритма

Для решения исходной системы методом GMRES можно воспользоваться следующим алгоритмом:

1 Подготовка перед итерационным процессом:

1.1 Выбрать начальное приближение [math]\displaystyle{ x_0 }[/math];
1.2 Посчитать невязку [math]\displaystyle{ r_0 = b - Ax_0 }[/math];
1.3 Вычислить [math]\displaystyle{ v_1 = \frac{r_0}{\|r_0\|_2} }[/math].

2 Построение ортонормального базиса [math]\displaystyle{ K_m }[/math]:

Для всех [math]\displaystyle{ j }[/math] от 1 до m по нарастанию выполнять:
2.1 [math]\displaystyle{ h_{ij} := (Av_j, v_i), \quad i=1,\ldots,j }[/math];
2.2 [math]\displaystyle{ \hat{v}_{j+1} := Av_j - \sum_{i=1}^j h_{ij}v_{i} }[/math];
2.3 [math]\displaystyle{ h_{j+1j} = \|\hat{v}_{j+1}\|_2 }[/math];
2.4 [math]\displaystyle{ v_{j+1} = \frac{\hat{v}_{j+1}}{h_{j+1j}} }[/math].

3 Вычисление приближённого решения [math]\displaystyle{ x_m }[/math]:

3.1 [math]\displaystyle{ x_m = x_0 + V_my_m }[/math], где [math]\displaystyle{ y_m }[/math] минимизирует [math]\displaystyle{ \|r_0 - AV_my_m\|_2 }[/math];
3.2 Вычислить [math]\displaystyle{ r_m }[/math];
3.3 Если требуемая точность достигнута, остановиться.

4 Рестарт:

4.1 [math]\displaystyle{ x_0 = x_m }[/math];
4.2 [math]\displaystyle{ v_1 = \frac{r_m}{\|r_m\|_2} }[/math];
4.3 Перейти к шагу 2.