Участник:Alexander34396/Обобщенный метод минимальных невязок
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{ m }[/math]-на-[math]\displaystyle{ m }[/math];
- подпространство Крылова размерности [math]\displaystyle{ n }[/math], порождённое вектором [math]\displaystyle{ b }[/math] и матрицей [math]\displaystyle{ A }[/math]:
- [math]\displaystyle{ K_n = K_n(A,b) = \operatorname{span} \, \{ b, Ab, A^2b, \ldots, A^{n-1}b \}. \, }[/math]
Вычисляемые данные:
- [math]\displaystyle{ x_n \in K_n }[/math] - приближённое решение исходной системы.
Метод GMRES приближает точное решение исходной системы [math]\displaystyle{ Ax = b }[/math] вектором [math]\displaystyle{ x_n \in K_n }[/math], минимизирующим Евклидову норму невязки [math]\displaystyle{ r_n= Ax_n-b }[/math].
Для решения исходной системы GMRES, используя [math]\displaystyle{ l_2 }[/math]-ортонормальный базис пространства [math]\displaystyle{ K_n }[/math], выполняет поиск приближённого решения [math]\displaystyle{ x_n }[/math] в виде:
- [math]\displaystyle{ x_n = x_0 + z_n }[/math],
где [math]\displaystyle{ x_0 }[/math] - некоторое начальное приближение, [math]\displaystyle{ z_n \in K_n }[/math] - поправка решения.
Для построения ортонормального базиса [math]\displaystyle{ K_n }[/math] метод использует ортогонализацию Арнольди. При введении для базиса [math]\displaystyle{ K_n }[/math] матричного обозначения [math]\displaystyle{ V_n }[/math] можно записать:
- [math]\displaystyle{ z_n = V_ny_n }[/math],
где [math]\displaystyle{ y_n \in \mathbb{R}^n }[/math] - вектор коэффициентов.
В общем виде алгоритм метода GMRES может быть записан следующим образом:
- найти ортонормальный базис [math]\displaystyle{ V_n }[/math] подпространства [math]\displaystyle{ K_n }[/math] с помощью ортогонализации Арнольди;
- найти [math]\displaystyle{ y_n }[/math], минимизирующий [math]\displaystyle{ \|r_n\|_2 }[/math];
- посчитать [math]\displaystyle{ x_n = x_0 + V_ny_n }[/math];
- повторить, если требуемая точность не была достигнута.
Схема реализации последовательного алгоритма
Для решения исходной системы методом GMRES можно воспользоваться следующим алгоритмом:
- Подготовка перед итерационным процессом
- Выбрать начальное приближение [math]\displaystyle{ x_0 }[/math];
- Посчитать невязку [math]\displaystyle{ r_0 = b - Ax_0 }[/math];
- Вычислить [math]\displaystyle{ v_1 = \frac{r_0}{\|r_0\|_2} }[/math].
- [math]\displaystyle{ n }[/math]-я итерация метода
Построение ортонормального базиса [math]\displaystyle{ K_n }[/math]:
- [math]\displaystyle{ h_{ij} := (Av_j, v_i), \quad i=1,\ldots,n }[/math];
- [math]\displaystyle{ \hat{v}_{j+1} := Av_j - \sum_{i=1}^j h_{ij}v_{i} }[/math];
- [math]\displaystyle{ h_{j+1j} = \|\hat{v}_{j+1}\|_2 }[/math];
- [math]\displaystyle{ v_{j+1} = \frac{\hat{v}_{j+1}}{h_{j+1j}} }[/math].
Вычисление приближённого решения [math]\displaystyle{ x_n }[/math]:
- 5[math]\displaystyle{ x_n = x_0 + V_ny_n }[/math].