On semi-convergence of Hermitian and skew-Hermitian
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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)
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