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数学 > 数值分析

arXiv:2504.06998v1 (math)
[提交于 2025年4月9日 (此版本) , 最新版本 2025年4月17日 (v2) ]

标题: 用于大型对称矩阵密集谱的Krylov投影算法

标题: A Krylov projection algorithm for large symmetric matrices with dense spectra

Authors:Vladimir Druskin Jörn Zimmerling
摘要: 我们考虑对大型s.p.d.的$B^T (A+sI)^{-1} B$进行近似。$A\in\mathbb{R}^{n\times n}$具有密集谱和$B\in\mathbb{R}^{n\times p}$、$p\ll n$。我们针对连续谱测度问题的大规模离散化中的多输入多输出(MIMO)传递函数的计算,例如无界域上的线性时不变(LTI)PDE。传统的Krylov方法,如Lanczos或CG算法,已知对于具有实正$s$的$(A+sI)^{-1}B$的计算是最佳的,导致适应于明显离散和非均匀谱。然而,对于具有密集谱的矩阵,这种适应会减弱。 在[Zimmerling, Druskin, Simoncini, 《科学计算杂志》103(1), 5 (2025)]中已经证明,使用块Lanczos方法计算的Gau{\ss }和Gau\ss -Radau求积法的平均值可以显著减少此类问题的近似误差。 在这里,我们引入了一种自适应的Kreĭn-Nudelman扩展到(块)Lanczos递推公式,使得在几乎不增加$o(n)$成本的情况下进一步加速。 类似于Gau\ss -Radau求积法,对(块)Lanczos矩阵应用了一个低秩修正。 然而,与Gau\ss -Radau求积法不同,这种修正依赖于$\sqrt{s}$并可以在Hermite-Padé逼近的框架下进行考虑,这些逼近已知对于具有分支切割的问题是高效的,可以作为密集谱区间的良好近似。 在无界域中热扩散和准静磁 Maxwell 算子的大规模离散化的数值结果证实了所提出方法的效率。
摘要: We consider the approximation of $B^T (A+sI)^{-1} B$ for large s.p.d. $A\in\mathbb{R}^{n\times n}$ with dense spectrum and $B\in\mathbb{R}^{n\times p}$, $p\ll n$. We target the computations of Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) transfer functions for large-scale discretizations of problems with continuous spectral measures, such as linear time-invariant (LTI) PDEs on unbounded domains. Traditional Krylov methods, such as the Lanczos or CG algorithm, are known to be optimal for the computation of $(A+sI)^{-1}B$ with real positive $s$, resulting in an adaptation to the distinctively discrete and nonuniform spectra. However, the adaptation is damped for matrices with dense spectra. It was demonstrated in [Zimmerling, Druskin, Simoncini, Journal of Scientific Computing 103(1), 5 (2025)] that averaging Gau{\ss} and Gau\ss -Radau quadratures computed using the block-Lanczos method significantly reduces approximation errors for such problems. Here, we introduce an adaptive Kre\u{i}n-Nudelman extension to the (block) Lanczos recursions, allowing further acceleration at negligible $o(n)$ cost. Similar to the Gau\ss -Radau quadrature, a low-rank modification is applied to the (block) Lanczos matrix. However, unlike the Gau\ss -Radau quadrature, this modification depends on $\sqrt{s}$ and can be considered in the framework of the Hermite-Pad\'e approximants, which are known to be efficient for problems with branch-cuts, that can be good approximations to dense spectral intervals. Numerical results for large-scale discretizations of heat-diffusion and quasi-magnetostatic Maxwell's operators in unbounded domains confirm the efficiency of the proposed approach.
评论: 块兰佐斯,求积,传递函数,克雷因-努德曼,埃尔米特-帕德
主题: 数值分析 (math.NA)
MSC 类: 65F10, 65N22, 65F50, 65F60
引用方式: arXiv:2504.06998 [math.NA]
  (或者 arXiv:2504.06998v1 [math.NA] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2504.06998
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Jörn Zimmerling [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 4 月 9 日 16:09:34 UTC (816 KB)
[v2] 星期四, 2025 年 4 月 17 日 12:54:50 UTC (816 KB)
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