2014年第1期 桂林航天工业学院学报 (总第73期) JOURNAL OF GUILIN UNIVERSITY OF AEROSPACE TECHNOLOGY 数学研究与应用 F O M与GMRES算法收敛性分析 吴果林“ 李修清 王彦辉 周立新 /1桂林航天工业学院理学部,广西桂林541004.、 \2桂林航天工业学院教务处,广西桂林541004, 摘 要 求解大型稀疏线性系统一般采用迭代法,FOM与GMRES算法是两个非常重要的Kry10v子空间类方法.文章 在FOM与GMRES算法误差分析的基础上推导了在相邻的两个Krylov子空间GMRES算法解的误差关系 式,以及FOM与GMRES算法误差向量的联系并证明了两算法误差范数的关系.结果表明:在相同的Krylov 子空间,GMRES算法给出的解优于FOM算法。 关键词线性方程;Krylov子空间;FOM;GMRES;收敛 中图分类号:O241.6 文献标志码:A 文章编号:2095—4859(2014)01—0062—6 1 引言 的工作,如钟宝江_7 分析了GMRES算法的收敛率 众所周知,许多科学计算都可归结为求解大型 与投影过程中Ritz值对特征值的逼近程度之间的 稀疏线性方程组 联系;曹志浩 ]、W.Joubert『g 等探讨GMRES多 AX—b, (1.1) 项式的根以及系数矩阵A的谱对GMRES(m)算 其中A∈R ”且非奇异,X,b∈R”.由于此类方 法收敛速度的影响;吴果林I1 0]分析了误差向量在 程规模较大,采用直接法求解对计算机硬件要求较 Krylov子空间上的投影对GMRES(m)算法收敛 高,往往会造成内存不足等问题,因此采用迭代法 速度的影响,较少文献关注F0M与GMRES算法 是求解这类方程组最普遍的选择.在已知的迭代方 收敛性的联系.文章在FOM与GMRES算法误差 法中,Krylov子空间类方法由于在Krylov子空间 分析的基础上,推导了在相邻的两个Krylov子空 上迭代,具有存储量小、计算量小且易于并行计算 间GMRES算法解的误差关系式,以及FOM与 等优点,正受到越来越多的重视.近些年来,人们对 GMRES算法误差向量的联系,在此基础上进一步 Krylov子空间类方法进行了深入的研究,提出了 证明了两算法误差范数的关系. 各种各样的算法,如CGE 、FOME 、GMRES[ 、 GMRESR[ 、FGMRESE 、GCR[。 等.在Krylov子 2 FOM与GMRES算法 空间类方法中, 完全交化方法(Full 考虑到FOM与GMRES算法都是在Krylov Orthogonalization Method,F0M)和广义最小残 子空间上进行迭代,为此,我们先简单介绍寻找 量方法(Generalized Minimum Residual Methods, Krylov子空间一组正交基的Arnoldi算法的一个 GMRES)非常重要,因为目前发展出来的诸多方 性质,有关Arnoldi算法以及该性质的证明可参考 法都借鉴了它们的思想.因此,分析和研究这两种 文献[11]. 方法的收敛性质以及它们之间的关系,对于分析 记X。为一初始向量,,.。一6一AX。,设由r。扩 Krylov子空间类的其它算法的收敛性质、改善它 张成的Krylov子空间为K (A,r。)一span{r。, 们的收敛速率等方面都有着十分重要的意义.近20 Ar0,Ar ,…,Ar },记 一l Iro ll 2,Vl—ro/8,经 年来,许多学者对GMRES算法的收敛性做了大量 过m步Arnoldi算法生成的向量分别为73 ,73。,…, *基金项目:广西教育厅科研项目《稀疏线性系统的迭代方法收敛性分析》(编号:201106LX717);广西高校科研项 目《几类特殊矩阵的特殊性质研究》(编号:201106LX723);桂林航天工业学院科研课题《分块矩阵广义Schur补的性质研 究》(编号:X 12 Z022)。 **作者简介:吴果林,男,江西新余人。讲师,硕士。研究方向:运筹优化。 62 2014年第1期 桂林航天工业学院学报 吴果林 李修清,. (总第73期) JOuRNAL 0F GUIuN UNIVERSITY 0F AERoSPACE TECHNOLOGY 王彦辉 周立新/又 +1,则有: +1 性质2.1 记V 一[ , z,…, ],H 为( +1)×m的Hessenberg矩阵,其非零元素h 由 C 一—一—=二—Arnoldi算法确定,H 为H 矩阵删除最后一行元 4(h =二竺 二=) +h l====== -l (2.・1上 O0)素所得到,则有下面的关系成立 记Q 为m次旋转变换矩阵,则有: AV 一V +1H , (2.1) Q 一P P (m+-1”…P 1, (2.11) AV 一H . (2.2) H 一Q H . (2.12) F0M算法是一种正交投影方法.该方法通过 记 强加Galerkin条件在子空间X。+K (A,r。)上寻 △ 一Q (pe1)一( 1, 2,…, +1) 找一个近似解x ,其x 由下面式子给出 (2.13) X 一X。+V Y , (2.3) 由于Q 为正交矩阵,那么 Y 一H (pe1), (2.4) min_ I1一H y ll 2一min lI△ 一H ’y_I 2 其中 一__r。[1。,e。为第1个元素为1的m维单位 (2.14) 向量,V ,H 是由Arnoldi算法生成的矩阵.对于 类似于记号H 的引入,记H ,△ 为 近似解X ,有下面的关系成立. H ,△ 删除最后一行所得到W/×m上三角矩阵 引理2.1 E 设X 为F0M算法迭代得到方 与m维向量,于是超定方程组Il△ 一H y II 程组(1.1)的近似解,则有 的最小二乘解为 b—AX 一一h +1. e y +1, (2.5) Y :==(H )-1△ (2.15) 或 【 lb—A l l一h + , l P y 1. (2.6) 关于GMRES算法的误差,我们有 引理2.2E。 若X 是GMRES算法求解方程 GMRES也是一种投影方法,它求得方程AX 组(1.1)的近似解,则有 —b的近似解也是由式(2.3)给出.与FOM算法不 b—AX ==:V +1( 1一H Y )一V +1 同的是,y 不是由式(2.4)求出,而是最小化范数 (Q ) +1e +l, (2.16) lI 一H y 得出,即GMRES算法的近似解 或 X 满足 I 1b—Ax l l===I +。I. (2.17) X 一X。+V Y , (2.7) Y 一rain l ll—H y[ 12. (2.8) 3 F0M与GMRES算法的收敛关系 式(2.8)给出的y 实际上是求解超定方程组 为了更方便地探讨FOM与GMRES算法收 Il 一H y l I的最小二乘解.在实际应用过程 敛关系,引入上标F与G分别表示FOM与 中,通常利用Givens平面旋转变换将Hessenberg GMRES算法,如r三,r要分别表示F0M与 矩阵H 化成上三角矩阵来求解.记H 表示H GMRES算法生成解的误差向量.则两个算法的误 经过W/次旋转变换后所得到的上三角矩阵,P 差向量满足下列关系. 为第i次Givens变换矩阵,其中 定理3.1 设X 一 ,X 分别是来自X。+ K 一1(A,r。),X。+K (A,r。)两个子空间 1 GMRES算法求得的两个近似解,X 是X。+ K (A,r。)子空间上F0M算法求得的近似解, P 一 则有 X 一s 2 A G一1+c 2 A F (3.1) 或 1 rG— 2 G mr1+fm2 rmF (3.2) (2.9) 其中s ,C 为第m次Givens变换矩阵P 中的 63 2014年第1期 桂林航天工业学院学报 吴果林 李修清 (总第73期) JOURNAL 0F GUIuN uN VERSITY 0F AEROSPACE TECHNOLOGY 王彦辉 周立新/叉 、 元素. 1 证明:由于GMRES算法是通过求解超定方程 组的最小二乘解进而得到线性方程组的近似解,故 若在子空间X。+K 一 (A,r。)寻找方程组(1.1)的 △ 1’一 2 研一1 近似解,超定方程组l 。一H 一 y Ill 的最小二 乘解只需作m一1次Givens变换后即可求出,由 (2.15)有 记 m O y曼一1一(H (m一-l )-1△ 或 , (3.3) H (m一-1 ,6 1:△ (m一-1 甘H fyG 1J f—F/o、 J (m-”1 ’ (3.4) P 一 其中 Sm m f m+1 H (m1 -= ,△ (m-1 一 2 (3.6) 为第 次Givens变换矩阵,c ,S 表达式由 m 式(2.10)给出.则对H 变换后,分别化为 ,△ 第m次Givens H 一 rm--1m-1 .rm--1,m h (m - ’ H 一 故GMRES算法在X。+K 一 (A,r。)子空间 上求得方程的近似解x 一 为: X三一 一X。+V 一 y 一 1 10 G---X o+Vm--1, l 0 J =] (3.5) △ :== 2 X o+Vm f G_1 l 0 j 卅1 cm m 其次,考查GMRES算法在子空间x。+ 一5 K (A,r。)寻找方程组(1.1)近似解的情况.对于 超定方程组l l一H y l lz的H ,(pe ),作m一 其中r 一 (3.7) 1次Givens变换后分别化为如下矩阵与向量: ,于是超定 方程组l l一H y I lz的最小二乘解y 一 (H ) △ 等价于 l H 一 rm--1.m--1 rm--1.m 2 h (m - hm+1. [yG…]一 : m--1 lcm m l (3.8) 64 2014年第1期 桂林航天工业学院学报 吴果林 李修清,、 (总第73期) JOURNAL 0F GUILIN UNIVERSITY 0F AER0SPACE TECHN0L0GY 王彦辉 周立新/叉 一 1 0 +圳一AI (m-1]l . 臼 其中s 2+c 一1.再由式(3.9),有 y 一 I 0 卜 IⅢ 由式(3.5)、(2.1)及(2.7)即有式(3.1)成立, 从而有式(3.2)成立.证毕. 由定理3.1的证明不难发现,GMRES算法在 、 子空间X。+K 一 (A,r。)的误差为 ,若子空间 扩张到x。+K (A,r。)时算法的误差为一s , rll r12, ., 即GMRES算法的误差有下列关式成立 +1===一s , (仇一1,2,…,n一1) 甘 (3.12) 由于l s 1≤1,故GMRES算法随着Krylov子 空间维数增加算法误差逐渐减少.另外,从定理3.1 的证明还可以得出,若5 一0,则GMRES算法在 X。+K (A,r。)上得到方程组(1.1)的精确解.上 述分析表明,可以通过观察s 的值作为算法停止 的条件构造一个自适应的m维的Krylov子空间 GMRES算法. 记y ,y 分别表示FOM与GMRES算法误 y 一 ]. 。 差范数,关于两者之间的关系,有下面的定理. 定理3.2 假设Arnoldi算法迭代到第m步, H 为非奇异,则FOM与GMRES算法在子空间 X。+K (A,r。)生成解的误差范数满足下列等式 ), 一f C I y (3.13) 证明:对式(3.2)两边与r 作内积,有 (r ,rG )一s (r ,rG 一1)+f 2(r ,r ). (3.14) 甘 y 一 ]. 对于(r ,,.G 一 ),由式(2.16),可得 (r ,r 一 )一P Q V V + (Q ) + e +1 ]' ( 1 2…口 Vm+1)(Q )T3 +1 }1 H~(m--1) 2 F一 , 一P Q (I ,O)(Q ) 卅1 P 1. 由式(2.9)、(2.11)知, 一 + Q =P ’P ”P , I 0 I (Q ) 一(P 。) (P ) …(P ) ’— + ”], =[‘P吉 ;][‘P詈 ;]…[‘P ” ;]cP 2014年第1期 (总第73期) 桂林航天工业学院学报 吴果林 /文 J 0uRNAL 0F GuLIN UNIvERsITY 0F AER0sPACE TECHN()L0GY 王彦辉 故 (r ,rG 一 )一P Q (I ,0)(Q 。) (P ) 0 O 1 m+1 em+1 即 (r ,r F)一c l lr ll;一c (r ,r F). (3.17) 1 (P 0n- ) 0 0 ===8 T P (m- …P2 ( ,O) (P ) +1e +1 将式(3.16)、(3.17)代入式(3.14),整理得 (r ,rG )一c 2 (r ,rF ) :P T P (P ) (P ) 0 …P (I ,0) O 1 (P ”) 0 1 1 ∞l1 r ll 一l c …r l ,l 即y 一l C l y 成立.证毕. 显然l c I≤1,则y ≤), ,故在相同的子空 +1e +l 间X。+K (A,r。)内,GMRES算法解的误差比 一P (I ,O)(P 1) +1e +1 FOM算法要少,即GMRES算法解的质量优于 FOM算法. 一 m+lem+1 4 结论 Cm——Sm 作为Krylov子空间类方法中两个作重要的算 一 (0 … c 一s ) e +1 +1 法,FOM与GMRES算法一直是人们研究的热 =一S +1. 点。文章在FOM与GMRES算法误差分析基础 将式(3.12)代人上式,得(r ,rG )一 。,即 上,推导了两个算法之间的误差关系,结果表明:在 (r曼,r 一 )一 相同的Krylov子空间,GMRES算法给出的解优于 一lI r (3.16) FOM算法.此外,我们还发现:随着Krylov子空间 一(r ,rG ). 的扩张,GMRES算法计算量与存储量只是线性增 对于(r ,r F),由引理2.1、2.2,有 长,而其误差逐渐减少,且由于在计算过程中预先 (rG ,rF )一一hm+l求得相邻的两个Krylov子空间GMRES算法解的 ,mP y F T+1V +1(pe1一H y ) 误差系数,故可以设计一个自适应的m维的 一一h +1. g Ty Fe T+1(ifel—H y ) Krylov子空间GMRES算法,增加算法的灵活性, :一h +lP y (O—h +l, T』 G) , 对于GMRES(m)算法子空间大小m的选择具有 一h 2 +1. P y£P y 十分重要的参考价值。 一h P yF T{ S 一 +f y } O :c . P二y g y , 参考文献 [1] M.R.Hestenes,E.L.Stiefe1.Methods of Con]ugate Gradients for Solving Linear Systems[J]. 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