On semi-convergence of Hermitian and skew-Hermitian
上传者:李挥|上传时间:2015-05-09|密次下载
On semi-convergence of Hermitian and skew-Hermitian
Computing(2010)89:171–197
DOI10.1007/s00607-010-0101-4
Onsemi-convergenceofHermitianandskew-Hermitiansplittingmethodsforsingularlinearsystems
Zhong-ZhiBai
Received:10August2009/Accepted:7June2010/Publishedonline:6July2010
©Springer-Verlag2010
AbstractForthesingular,non-Hermitian,andpositivesemidefinitesystemsoflinearequations,wederivenecessaryandsuf?cientconditionsforguaranteeingthesemi-convergenceoftheHermitianandskew-Hermitiansplitting(HSS)iterationmethods.Wetheninvestigatethesemi-convergencefactorandestimateitsupperboundfortheHSSiterationmethod.Ifthesemi-convergenceconditionissatis?ed,itisshownthatthesemi-convergencerateisthesameasthatoftheHSSiterationmethodappliedtoalinearsystemwiththecoef?cientmatrixequaltothecompressionoftheoriginalmatrixontherangespaceofitsHermitianpart,thatis,thematrixobtainedfromtheoriginalmatrixbyrestrictingthedomainandprojectingtherangespacetotherangespaceoftheHermitianpart.Inparticular,anupperboundisobtainedintermsofthelargestandthesmallestnonzeroeigenvaluesoftheHermitianpartofthecoef?-cientmatrix.Inaddition,applicationsoftheHSSiterationmethodasapreconditionerforKrylovsubspacemethodssuchasGMRESareinvestigatedindetail,andsev-eralexamplesareusedtoillustratethetheoreticalresultsandexaminethenumericalCommunicatedbyC.C.Douglas.
SupportedbyTheNationalBasicResearchProgram(No.2005CB321702),TheChinaOutstandingYoungScientistFoundation(No.10525102)andTheNationalNaturalScienceFoundation(No.10471146),People’sRepublicofChina.
Z.-Z.Bai
SchoolofMathematicsandComputerScience,GuizhouNormalUniversity,
550001Guiyang,People’sRepublicofChina
Z.-Z.Bai(B)
StateKeyLaboratoryofScienti?c/EngineeringComputing,InstituteofComputational
MathematicsandScienti?c/EngineeringComputing,AcademyofMathematics
andSystemsScience,ChineseAcademyofSciences,P.O.Box2719,
100190Beijing,People’sRepublicofChina
e-mail:bzz@http://wendang.chazidian.com
123
172Z.-Z.BaieffectivenessoftheHSSiterationmethodservedeitherasapreconditionerforGMRESorasasolver.
KeywordsSingularlinearsystem·Non-Hermitianmatrix·Positivesemidefinitematrix·Hermitianandskew-Hermitiansplitting·Splittingiterationmethod·Semi-convergence·Preconditioningmatrix·Krylovsubspacemethod
MathematicsSubjectClassi?cation(2000)
1Introduction
Weconsideraniterativesolutionofthelarge,sparse,non-Hermitianand,possibly,singularsystemoflinearequations
Ax=b,A∈Cn×n,A=A?,andx,b∈Cn,(1.1)65F10·65F50·CR:G1.3
whereA?denotestheconjugatetransposeofthecomplexmatrixA;see[17–19,25].BasedontheHermitianandskew-Hermitian(HS)splitting
A=H(A)+S(A),withH(A)=11(A+A?)andS(A)=(A?A?),22
Baietal.[7]establishedthefollowingHermitianandskew-Hermitiansplitting(HSS)iterationmethodforsolvingthenon-Hermitiansystemoflinearequations(1.1).
TheHSSIterationMethod.Givenaninitialguessx(0)∈Cn,com-putex(k)fork=0,1,2,http://wendang.chazidian.comingthefollowingiterationsch-emeuntil{x(k)}satisfiesthestoppingcriterion:
??(αI+H(A))x(k+)=(αI?S(A))x(k)+b,
(αI+S(A))x(k+1)=(αI?H(A))x(k+)+b,
whereαisagivenpositiveconstantandI∈Cn×ntheiden-titymatrix.
Whenthecoef?cientmatrixA∈Cn×nispositivedefinite,i.e.,itsHermitianpartH(A)∈Cn×nisHermitianpositivedefinite,Baietal.provedin[7]thattheHSSiterationconvergesunconditionallytotheexactsolutionofthesystemoflinearequa-tions(1.1),withtheboundontherateofconvergenceaboutthesameasthatoftheconjugategradientmethodwhenappliedtotheHermitianmatrixH(A):indeedbythemixing-upeffectdescribedin[14,Sect.2.1.3]thegivenboundsofconvergenceratescouldbeverypessimistic,asalreadyobservedin[7].Moreover,anupperboundofthecontractionfactorisobtainedintermsofthelargestandthesmallestnonzeroeigen-valuesofH(A).NumericalexperimentshaveshownthattheHSSiterationmethodisef?cientandrobustforsolvingnon-Hermitianpositivedefinitelinearsystems.Whenthecoef?cientmatrixA∈Cn×nisnonsingularandpositivesemidefinite,i.e.,itsHermitianpartH(A)∈Cn×nisHermitianpositivesemidefinite,Baietal.[5]11123
Onsemi-convergenceofHSSmethod173provedthattheHSSiterationisconvergentifandonlyifAdoesnothavea(reducing)eigenvalueoftheform?ξwithξ∈Rand?theimaginaryunit,orequivalently,thenullspaceofH(A),denotedasnull(H(A)),doesnotcontainaneigenvectorofS(A).Thisresultimmediatelyleadstoanecessaryandsuf?cientconditionforguaranteeingtheunconditionalconvergenceoftheHSSiterationmethodwhenitisusedtosolvethesaddle-pointproblem
??
Ax≡BE??EC??????????yf=≡b,zg
whereB∈Cp×pispositivedefinite,C∈Cq×qisHermitianpositivesemidefinite,E∈Cp×qisoffullcolumnrank,andp≥q.NotethattheconvergencetheoremgiveninBenziandGolub[12]isaspecialcaseofthisresult;seealso[3,10]andreferencestherein.
Inthispaper,wegiveanecessaryandsuf?cientconditionforanarbitrarysingu-lar,non-Hermitian,andpositivesemidefinitelinearsystemsothattheHSSiterationmethodwillleadtoasemi-convergentiterationsequence.Inparticular,thisresultimmediatelygivesanecessaryandsuf?cientconditionforguaranteeingthesemi-convergenceoftheHSSiterationmethodappliedtothesaddle-pointproblemofasingularandpositivesemidefinitecoef?cientmatrix.Wetheninvestigatethesemi-convergencefactorandestimateitsupperboundfortheHSSiterationmethod.Itisshownthatthesemi-convergencerateoftheHSSiterationmethodisaboutthesameasthatoftheconjugategradientmethodappliedtothesymmetrizedlinearsystemofthecoef?cientmatrixbeingH(A).Moreover,anupperboundofthesemi-conver-gencefactorisobtainedintermsofthelargestandthesmallestnonzeroeigenvaluesofH(A).Inaddition,weinvestigatethepreconditioningpropertyoftheHSSpre-conditionerinducedfromtheHSSiterationmethodand,inparticular,wediscussthesemi-convergencebehavioroftheHSS-preconditionedGMRESmethod.Severalexamplesarisingfromthe?nitedifferencediscretizationsofsecond-orderdifferentialequationsofperiodicboundaryconditionsareusedtoillustratethetheoreticalresultsandexaminethecomputationaleffectivenessoftheHSSiterationmethodservedeitherasapreconditionerforGMRESorasasolver.
2Notationsandconcepts
ForamatrixW∈Cn×n,rank(W)andindex(W)areusedtorepresentitsrankandindex,respectively.FortwomatricesA1andA2ofsuitabledimensions,weuseA1⊕A2todenotetheirdirectsum,i.e.,
??
A1⊕A2=A10
0A2??.
AssumethatamatrixA∈Cn×ncanbesplitas
A=M?N,(2.2)
123
174Z.-Z.BaiwithM∈Cn×nnonsingular.Thenwecanconstructasplittingiterationmethodas
x(k+1)=Tx(k)+c,k=0,1,2,...,(2.3)
whereT=M?1Nistheiterationmatrix,andc=M?1b.Obviously,avectorx∈Cnisasolutionofthelinearsystem(1.1)ifandonlyif(I?T)x=c;see[13,18].
Theconvergenceandsemi-convergenceoftheiterativescheme(2.3)havebeenstudiedextensively;see,e.g.,[11,13,22,24].WhenAissingular,then1isaneigen-valueoftheiterationmatrixT.Moreover,whenthespectralradiusoftheiterationmatrixTisequaltoone,i.e.,ρ(T)=1,thefollowingtwoconditionsarenecessaryandsuf?cientforguaranteeingthesemi-convergenceoftheiterativemethod(2.3):(a)TheelementarydivisorsoftheiterationmatrixTassociatedwithitseigenvalue
μ=1arelinear;(b)Ifμ∈σ(T),thespectrumoftheiterationmatrixT,satisfying|μ|=1,thenμ=1,i.e.,?(T)<1,where
?(T)≡max{|μ||μ∈σ(T),μ=1}.
WeremarkthatforanonsingularmatrixA,thesemi-convergenceconceptofthecor-respondinglyinducedmatrixsplittingoriterationmatrixcoincideswiththestandardconvergenceconcept.
From[13]weknowthatthesplitting(2.2)orthecorrespondingiterationmatrixTiscalledsemi-convergent,iftheiteration(2.3)issemi-convergent.Inthiscase,wede?ne?(T)asthesemi-convergencefactoroftheiteration(2.3).
TheHSSiterationmethodcanberewritteninmatrix-vectorformas
x(k+1)=T(α)x(k)+G(α)b,
where
T(α)=(αI+S(A))?1(αI?H(A))(αI+H(A))?1(αI?S(A))
and
G(α)=2α(αI+S(A))?1(αI+H(A))?1.
Here,T(α)istheiterationmatrixoftheHSSiterationmethod.NotethatT(α)issimilartothematrix
L(α)=(αI+H(A))?1(αI?H(A))(αI+S(A))?1(αI?S(A)).
Infact,(2.4)mayalsoresultfromthesplitting
A=M(α)?N(α)(2.6)(2.5)k=0,1,2,...,(2.4)
123
Onsemi-convergenceofHSSmethod175ofthecoef?cientmatrixA,with
??M(α)=N(α)=1(αI1(αI+H(A))(αI+S(A)),?H(A))(αI?S(A)).
Evidently,theHSSiterationmethodcannaturallyinduceapreconditionerM(α)tothematrixA.ThispreconditioneriscalledastheHSSpreconditioner;see[3,10,12].Forothertypesofpreconditionersaboutanon-Hermitianmatrix,wereferto[15,16,19,25].
3Thesemi-convergenceoftheHSSiterationmethod
We?rstrevealabasicrelationshipbetweenasingularmatrixanditsHermitianandskew-Hermitianparts.
Lemma3.1LetA∈Cn×nbeasingularandpositivesemidefinitematrix,andH(A)andS(A)beitsHermitianandskew-Hermitianparts,respectively.Then
null(A)=null(H(A))∩null(S(A)).
ProofEvidently,
null(H(A))∩null(S(A))?null(A).
Hence,weonlyneedtodemonstratetheinclusionrelationship
null(A)?null(H(A))∩null(S(A)).
Infact,foranx∈null(A)wehave
0=Ax=H(A)x+S(A)x.
Let
x?H(A)x+x?S(A)x=μ+?ν,
withμ,ν∈R.Then
x?H(A)x=μ=0.
SinceH(A)isHermitianpositivesemidefinite,x?H(A)x=0impliesH(A)x=0.Thus,byusing(3.7),weimmediatelygetS(A)x=Ax?H(A)x=0.Hence,x∈null(H(A))∩null(S(A)).????FromLemma3.1,wegetthefollowingconclusion.(3.7)
123
下载文档
热门试卷
- 2016年四川省内江市中考化学试卷
- 广西钦州市高新区2017届高三11月月考政治试卷
- 浙江省湖州市2016-2017学年高一上学期期中考试政治试卷
- 浙江省湖州市2016-2017学年高二上学期期中考试政治试卷
- 辽宁省铁岭市协作体2017届高三上学期第三次联考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2016-2017学年高二11月月考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2017届高三11月月考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2016-2017学年高一11月月考政治试卷
- 广西钦州市高新区2016-2017学年高二11月月考政治试卷
- 广西钦州市高新区2016-2017学年高一11月月考政治试卷
- 山东省滨州市三校2017届第一学期阶段测试初三英语试题
- 四川省成都七中2017届高三一诊模拟考试文科综合试卷
- 2017届普通高等学校招生全国统一考试模拟试题(附答案)
- 重庆市永川中学高2017级上期12月月考语文试题
- 江西宜春三中2017届高三第一学期第二次月考文科综合试题
- 内蒙古赤峰二中2017届高三上学期第三次月考英语试题
- 2017年六年级(上)数学期末考试卷
- 2017人教版小学英语三年级上期末笔试题
- 江苏省常州西藏民族中学2016-2017学年九年级思想品德第一学期第二次阶段测试试卷
- 重庆市九龙坡区七校2016-2017学年上期八年级素质测查(二)语文学科试题卷
- 江苏省无锡市钱桥中学2016年12月八年级语文阶段性测试卷
- 江苏省无锡市钱桥中学2016-2017学年七年级英语12月阶段检测试卷
- 山东省邹城市第八中学2016-2017学年八年级12月物理第4章试题(无答案)
- 【人教版】河北省2015-2016学年度九年级上期末语文试题卷(附答案)
- 四川省简阳市阳安中学2016年12月高二月考英语试卷
- 四川省成都龙泉中学高三上学期2016年12月月考试题文科综合能力测试
- 安徽省滁州中学2016—2017学年度第一学期12月月考高三英语试卷
- 山东省武城县第二中学2016.12高一年级上学期第二次月考历史试题(必修一第四、五单元)
- 福建省四地六校联考2016-2017学年上学期第三次月考高三化学试卷
- 甘肃省武威第二十三中学2016—2017学年度八年级第一学期12月月考生物试卷
网友关注
- 梵蒂冈
- RD4 L3 Broken Text
- English class
- 外教中国:线下培训依然占据市场主流
- 外教中国:外语培训机构拓展市场需理性
- 英语辅导班热度不减 从幼儿园就开始学
- 移动端在线英语培训未来的命脉所在
- 外教中国:正规化外语培训很重要
- I agree with th
- 鹿敬涛
- 二论深入学习贯彻十八届四中全会精神
- 外教中国:英语学习有利于孩子成长
- 外教中国:关于“人们”的用法
- 幼儿英文阅读启蒙版(第三辑)
- Questions for Soccer Tony
- 中国式育儿的十大致命伤
- 面对青少年叛逆,你的教育方法对了吗
- 外教中国:英语学习不是死记硬背
- 云南旅游
- 修改范文
- 外教中国:.正确选择外语培训机构
- 诗经13——桧风4篇
- 外教中国:在线英语培训应良性竞争
- 洗牌后,英语培训市场走向透明
- five_little_monkeys_sheetmusic
- 外教中国:判断少儿英语词汇学习的七个层次
- 如何跟孩子一起慢学sight word kids这套教材
- 外教中国:在线教育需要增加用户粘度
- 2012暑期自然拼读课程Q&A_20120607
- 2014上半年全国计算机等级考试报名登记表新
网友关注视频
- 沪教版牛津小学英语(深圳用) 五年级下册 Unit 12
- 青岛版教材五年级下册第四单元(走进军营——方向与位置)用数对确定位置(一等奖)
- 七年级英语下册 上海牛津版 Unit3
- 外研版英语七年级下册module1unit3名词性物主代词讲解
- 3.2 数学二年级下册第二单元 表内除法(一)整理和复习 李菲菲
- 30.3 由不共线三点的坐标确定二次函数_第一课时(市一等奖)(冀教版九年级下册)_T144342
- 精品·同步课程 历史 八年级 上册 第15集 近代科学技术与思想文化
- 《空中课堂》二年级下册 数学第一单元第1课时
- 化学九年级下册全册同步 人教版 第22集 酸和碱的中和反应(一)
- 冀教版英语四年级下册第二课
- 【获奖】科粤版初三九年级化学下册第七章7.3浓稀的表示
- 【部编】人教版语文七年级下册《过松源晨炊漆公店(其五)》优质课教学视频+PPT课件+教案,江苏省
- 【部编】人教版语文七年级下册《泊秦淮》优质课教学视频+PPT课件+教案,湖北省
- 人教版历史八年级下册第一课《中华人民共和国成立》
- 【部编】人教版语文七年级下册《逢入京使》优质课教学视频+PPT课件+教案,辽宁省
- 小学英语单词
- 8.练习八_第一课时(特等奖)(苏教版三年级上册)_T142692
- 沪教版八年级下次数学练习册21.4(2)无理方程P19
- 沪教版牛津小学英语(深圳用) 四年级下册 Unit 12
- 冀教版小学数学二年级下册第二周第2课时《我们的测量》宝丰街小学庞志荣
- 北师大版数学 四年级下册 第三单元 第二节 小数点搬家
- 七年级下册外研版英语M8U2reading
- 冀教版小学数学二年级下册1
- 【部编】人教版语文七年级下册《老山界》优质课教学视频+PPT课件+教案,安徽省
- 二年级下册数学第二课
- 化学九年级下册全册同步 人教版 第18集 常见的酸和碱(二)
- 北师大版数学四年级下册3.4包装
- 19 爱护鸟类_第一课时(二等奖)(桂美版二年级下册)_T502436
- 二年级下册数学第一课
- 冀教版小学英语五年级下册lesson2教学视频(2)
精品推荐
- 2016-2017学年高一语文人教版必修一+模块学业水平检测试题(含答案)
- 广西钦州市高新区2017届高三11月月考政治试卷
- 浙江省湖州市2016-2017学年高一上学期期中考试政治试卷
- 浙江省湖州市2016-2017学年高二上学期期中考试政治试卷
- 辽宁省铁岭市协作体2017届高三上学期第三次联考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2016-2017学年高二11月月考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2017届高三11月月考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2016-2017学年高一11月月考政治试卷
- 广西钦州市高新区2016-2017学年高二11月月考政治试卷
- 广西钦州市高新区2016-2017学年高一11月月考政治试卷
分类导航
- 互联网
- 电脑基础知识
- 计算机软件及应用
- 计算机硬件及网络
- 计算机应用/办公自动化
- .NET
- 数据结构与算法
- Java
- SEO
- C/C++资料
- linux/Unix相关
- 手机开发
- UML理论/建模
- 并行计算/云计算
- 嵌入式开发
- windows相关
- 软件工程
- 管理信息系统
- 开发文档
- 图形图像
- 网络与通信
- 网络信息安全
- 电子支付
- Labview
- matlab
- 网络资源
- Python
- Delphi/Perl
- 评测
- Flash/Flex
- CSS/Script
- 计算机原理
- PHP资料
- 数据挖掘与模式识别
- Web服务
- 数据库
- Visual Basic
- 电子商务
- 服务器
- 搜索引擎优化
- 存储
- 架构
- 行业软件
- 人工智能
- 计算机辅助设计
- 多媒体
- 软件测试
- 计算机硬件与维护
- 网站策划/UE
- 网页设计/UI
- 网吧管理