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数学 > 数值分析

arXiv:2310.16442 (math)
[提交于 2023年10月25日 (v1) ,最后修订 2024年7月4日 (此版本, v2)]

标题: 右预处理GMRES方法用于任意奇异系统

标题: Right preconditioned GMRES for arbitrary singular systems

Authors:Kota Sugihara, Ken Hayami
摘要: 布朗和沃克(1997)表明,GMRES在任意 $ b, x_0 \in {\bf R}^n $ 情况下,若 $A$ 是范围对称的,即 $ A \in {\bf R}^{n \times n} $ 不发生中断,则确定 $ A x = b $ 的最小二乘解。 $ {\cal R} (A^{\rm T}) = {\cal R} (A) $, where $ A $ may be singular and $ b $ may not be in the range space ${\cal R} A)$ of $A$. In this paper, we propose applying GMRES to $ A C A^{\rm T} z = b $, where $ C \in {\bf R}^{n \times n} $ is symmetric positive definite. 这确定了在任意(奇异)矩阵$A \in {\bf R}^{n \times n}$和$ b \in {\bf R}^n $下的$ A x = b $的最小二乘解$ x = CA^{\rm T} z $,不会出现分解失败。为了使该方法数值稳定,我们建议使用带有适当阈值参数的伪逆,以抑制在求解严重病态的Hessenberg系统时微小奇异值的影响,这些系统出现在GMRES求解不一致的范围对称系统时的Arnoldi过程中。 数值实验表明,当将$C$取为单位矩阵,以及将对角线元素为$A A^{\rm T}$的对角矩阵的逆矩阵时,即使$A$不是范围对称的,包括$ {\rm index}(A) >1$的情况,也能给出一个最小二乘解。
摘要: Brown and Walker (1997) showed that GMRES determines a least squares solution of $ A x = b $ where $ A \in {\bf R}^{n \times n} $ without breakdown for arbitrary $ b, x_0 \in {\bf R}^n $ if and only if $A$ is range-symmetric, i.e. $ {\cal R} (A^{\rm T}) = {\cal R} (A) $, where $ A $ may be singular and $ b $ may not be in the range space ${\cal R} A)$ of $A$. In this paper, we propose applying GMRES to $ A C A^{\rm T} z = b $, where $ C \in {\bf R}^{n \times n} $ is symmetric positive definite. This determines a least squares solution $ x = CA^{\rm T} z $ of $ A x = b $ without breakdown for arbitrary (singular) matrix $A \in {\bf R}^{n \times n}$ and $ b \in {\bf R}^n $. To make the method numerically stable, we propose using the pseudoinverse with an appropriate threshold parameter to suppress the influence of tiny singular values when solving the severely ill-conditioned Hessenberg systems which arise in the Arnoldi process of GMRES when solving inconsistent range-symmetric systems. Numerical experiments show that the method taking $C$ to be the identity matrix and the inverse matrix of the diagonal matrix whose diagonal elements are the diagonal of $A A^{\rm T}$ gives a least squares solution even when $A$ is not range-symmetric, including the case when $ {\rm index}(A) >1$.
评论: 25页,15图
主题: 数值分析 (math.NA)
MSC 类: 65F08, 65F10, 15A06, 15A09
ACM 类: G.1.3
引用方式: arXiv:2310.16442 [math.NA]
  (或者 arXiv:2310.16442v2 [math.NA] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.16442
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Ken Hayami [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2023 年 10 月 25 日 08:08:51 UTC (167 KB)
[v2] 星期四, 2024 年 7 月 4 日 09:21:48 UTC (170 KB)
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