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
- 农 村 成 人 学 1
- 文明寝室评比方案(13份)
- 广兴心得(二)
- 反思总结
- 2010年秋季动物微生物
- 新桥小学消防安全制度
- 食堂工作人员安全责任书 (2)
- 个人研修总结
- 跃进小学安全建设提高年活动方案
- 演讲与口才培训总结
- 安全领导小组责任
- 办理退保所需材料
- 班主任赴赤峰培训学习体会
- 西下池学习参观的感想与计划
- 数学听课评课总结
- 电视大会心得体会
- 租房协议
- 学习党的群众路线教育实践活动心得体会一
- 介绍危险废物规范化管理指标体系
- 2014整合力量 攻坚克难
- 阶段总结
- 电梯使用规范
- 述职报告
- 车位租赁协议
- 用心教好书才能育好人1
- 写给大二学生的10条忠告
- 活动第一、二阶段小结
- 组团走访连民心 三全服务一家亲
- 部门活动策划书 严帅
- 心宣社简介
网友关注视频
- 二年级下册数学第一课
- 【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,广东省
- 外研版英语三起6年级下册(14版)Module3 Unit1
- 苏教版二年级下册数学《认识东、南、西、北》
- 沪教版牛津小学英语(深圳用) 六年级下册 Unit 7
- 沪教版牛津小学英语(深圳用) 四年级下册 Unit 2
- 第4章 幂函数、指数函数和对数函数(下)_六 指数方程和对数方程_4.7 简单的指数方程_第一课时(沪教版高一下册)_T1566237
- 【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
- 人教版历史八年级下册第一课《中华人民共和国成立》
- 沪教版牛津小学英语(深圳用) 四年级下册 Unit 8
- 【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,辽宁省
- 【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,安徽省
- 【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,天津市
- 冀教版小学英语五年级下册lesson2教学视频(2)
- 冀教版小学数学二年级下册1
- 沪教版八年级下册数学练习册20.4(2)一次函数的应用2P8
- 第五单元 民族艺术的瑰宝_16. 形形色色的民族乐器_第一课时(岭南版六年级上册)_T3751175
- 外研版英语三起6年级下册(14版)Module3 Unit2
- 七年级英语下册 上海牛津版 Unit5
- 【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,安徽省
- 【获奖】科粤版初三九年级化学下册第七章7.3浓稀的表示
- 外研版英语七年级下册module3 unit1第二课时
- 冀教版小学数学二年级下册第二单元《有余数除法的简单应用》
- 沪教版牛津小学英语(深圳用) 四年级下册 Unit 3
- 二年级下册数学第二课
- 七年级英语下册 上海牛津版 Unit3
- 冀教版英语五年级下册第二课课程解读
- 3月2日小学二年级数学下册(数一数)
- 《小学数学二年级下册》第二单元测试题讲解
- 七年级下册外研版英语M8U2reading
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