主要内容

QMR.

求解线性方程系统 - 准剩余残余方法

描述

例子

x= qmr(一个b试图解线性方程组a * x = bx使用Quasi-minimal残留方法.当尝试成功时,QMR.显示一条消息以确认融合。如果QMR.由于任何原因,未能在最大迭代次数或停止之后收敛,它显示包含相对残差的诊断消息常态(B-A * X)/ NOM(B)和该方法停止的迭代号。

例子

x= qmr(一个b指定该方法的公差。默认容差是1E-6

例子

x= qmr(一个bmax指定要使用的最大迭代次数。QMR.如果无法在内部收敛,则显示诊断消息max迭代。

例子

x= qmr(一个bmax指定一个预安全载体矩阵和计算x通过有效地求解该系统 - 1 一个 x - 1 b .利用预处理矩阵可以改善问题的数值性质,提高计算效率。

例子

x= qmr(一个bmaxM1M2指定预安全载体矩阵的因素这样m = m1 * m2

例子

x= qmr(一个bmaxM1M2X0.指定解向量的初始猜测x.默认值是零的向量。

例子

x旗帜] = qmr(___返回指定算法是否成功收敛的标志。当标志= 0.,收敛成功。您可以使用此输出语法与任何先前的输入参数组合。当您指定时旗帜输出,QMR.不显示任何诊断消息。

例子

x旗帜] = qmr(___还返回相对残差常态(B-A * X)/ NOM(B).如果旗帜0,然后Relres <= tol

例子

x旗帜it] = qmr(___也返回迭代数it此时x是计算。

例子

x旗帜itResvec.] = qmr(___还返回每次迭代的残余标准的向量,包括第一个残差常态(b-a * x0)

例子

崩溃

解决方形线性系统使用QMR.使用默认设置,然后调整解决方案流程中使用的容忍度和迭代次数。

创建一个随机稀疏矩阵一个密度为50%。同时创建一个随机向量b右边的 斧头 b

RNG.默认5 = sprand (400400);=“*;b =兰德(400 1);

解决 斧头 b 使用QMR..输出显示包括相对残差误差的值 b - 斧头 b

x = qmr(a,b);
QMR在迭代20时停止,没有收敛到期望的公差1e-06,因为已经达到了最大的迭代次数。返回的iterate(编号20)的相对残差为0.12。

默认情况下QMR.使用20个迭代和容忍度1E-6,并且该算法无法在此矩阵的那些40次迭代中收敛。由于剩余仍然很大,因此是一个良好的指标,即需要更多的迭代(或预处理器矩阵)。您还可以使用更大的容差来使算法更容易收敛。

用容差再次解系统1E-4和100次迭代。

X = QMR(A,B,1E-4,100);
QMR在迭代100时停止,而不会聚到所需的公差0.0001,因为达到了最大迭代次数。迭代返回(数字100)具有相对残差0.063。

即使具有宽松的公差和更多的迭代,剩余错误也不会改善太多。当以这种方式迭代算法停止时,它是需要预处理器矩阵的良好指示。

计算的不完全Cholesky分解一个,并使用L'作为预处理输入的因子QMR.

l = iChol(a);x = qmr(a,b,1e-4,100,l');
QMR在迭代57处收敛到一个相对残差为6.1e-05的解。

使用预处理器提高了问题的数值QMR.能够融合。

检查使用预处理器矩阵的效果QMR.解决线性系统。

加载West0479,真正的479-by-479非对称稀疏矩阵。

负载West0479.A = West0479;

定义b所以真正的解 斧头 b 是所有的矢量。

b = sum(a,2);

设置容差和最大迭代次数。

tol = 1e-12;maxit = 20;

使用QMR.在请求的容忍和迭代次数找到解决方案。指定五个输出以返回有关解决方案过程的信息:

  • x算出的解是a * x = b

  • fl0表示算法是否收敛。

  • RR0.是计算答案的相对残余x

  • it0迭代次数是什么时候x是计算。

  • RV0.是一个残存的历史向量吗 b - 斧头

[x, fl0 rr0, it0 rv0] = qmr (A, b,托尔,麦克斯特);fl0
fl0 = 1
RR0.
RR0 = 0.7984.
it0
it0 = 17

fl0是1因为QMR.不收敛到所请求的公差1E-12在要求的20次迭代中。第17次迭代是最好的近似解,是由it0 = 17

为了帮助缓慢的收敛,您可以指定一个预处理器矩阵。自从一个非对称,使用ilu生成预处理程序 l U .指定删除公差,以忽略小于的值的非透明条目1E-6.解预处理系统 - 1 一个 x - 1 b 通过指定lU作为输入QMR.

setup = struct('类型''ilutp''droptol',1E-6);[l,u] = ilu(a,设置);[X1,FL1,RR1,IT1,RV1] = QMR(A,B,TOL,MAXIT,L,U);FL1.
fl1 = 0.
RR1.
RR1 = 4.1114E-14
it1
IT1 = 6.

使用ilu预处理器产生比规定的耐受性更少1E-12在第六次迭代。输出RV1(1)规范(b)和输出RV1(结束)常态(b-a * x1)

你可以跟着进度QMR.通过在每次迭代时绘制相对残差。绘制每个解决方案的剩余历史,具有指定公差的线。

semilogy(0:长度(rv0) 1, rv0 /规范(b),“o”抱紧半径(0:长度(RV1)-1,RV1 / NORM(B),“o”) yline(托尔,'r--');传说(“没有预调节器”'ilu preconditcher'“宽容”'位置''东')Xlabel('迭代号')ylabel(“相对残差”

检查供应的效果QMR.初步猜测解决方案。

创建一个Tridiacal稀疏矩阵。使用每行的总和作为右侧的向量 斧头 b 所以预期的解决方案 x 是一个1的向量。

n = 900;e =那些(n,1);a = spdiags([e 2 * e e], -  1:1,n,n);b = sum(a,2);

使用QMR.来解决 斧头 b 两次:一次是默认的初始猜测,另一次是正确的初始猜测。对这两种解决方案使用200次迭代和默认容忍。金宝搏官方网站指定第二个解中的初始猜想为一个所有元素都等于的向量0.99

maxit = 200;x1 = qmr(a,b,[],maxit);
QMR在迭代27处收敛到具有相对残留的9.5E-07的溶液。
x0 = 0.99 * e;x2 = qmr(a,b,[],maxit,[],[],x0);
QMR在迭代7处收敛到具有相对残差6.7E-07的溶液。

在这种情况下,提供初始猜测QMR.要更快地收敛。

返回中间结果

您还可以使用初始猜测来通过致电获取中间结果QMR.在一个循环。对求解器的每次调用都执行几次迭代,并存储计算出的解决方案。然后使用该解决方案作为下一批迭代的初始向量。

例如,此代码执行了100次迭代,并在For-Loop中的每次传递后存储解决方案向量:

x0 =零(尺寸(a,2),1);tol = 1e-8;maxit = 100;k = 1:4 [x,国旗,relres] = qmr (A, b,托尔,麦克斯特[],[],x0);X = X (:, k);R (k) = relres;x0 = x;结束

x(:,k)是在迭代计算的解决方案矢量kfor循环的r(k)是该解决方案的相对残余。

通过提供解决线性系统QMR.使用计算的功能手柄a * x.‘* x代替系数矩阵一个

创建非对称性三角形矩阵。预览矩阵。

一个=画廊('威尔克',21)+诊断((20,1),1)
一个=21日×2110 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 7 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 1 5 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 3 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0⋮

由于这种三角形矩阵具有特殊结构,因此您可以代表操作a * x.功能手柄。当一个乘以向量,得到的矢量中的大多数元素是零。结果中的非零元素对应于非零三角形元素一个

表达式 一个 x 就变成:

一个 x 10. 2 0 0 1 9 2 0 0 1 2 0 0 1 0 0 1 0 2 0 0 1 10. x 1 x 2 x 3. x 21. 10. x 1 + 2 x 2 x 1 + 9 x 2 + 2 x 3. x 19. + 9 x 20. + 2 x 21. x 20. + 10. x 21.

得到的向量可以写成三个向量的和:

一个 x 10. x 1 + 2 x 2 x 1 + 9 x 2 + 2 x 3. x 19. + 9 x 20. + 2 x 21. x 20. + 10. x 21. 0 x 1 x 2 x 20. + 10. x 1 9 x 2 9 x 20. 10. x 21. + 2 x 2 x 3. x 21. 0

同样,表达式 一个 T x 就变成:

一个 T x 10. 1 0 0 2 9 1 0 0 2 1 0 0 2 0 0 1 0 1 0 0 2 10. x 1 x 2 x 3. x 21. 10. x 1 + x 2 2 x 1 + 9 x 2 + x 3. 2 x 19. + 9 x 20. + x 21. 2 x 20. + 10. x 21.

一个 T x 10. x 1 + x 2 2 x 1 + 9 x 2 + x 3. 2 x 19. + 9 x 20. + x 21. 2 x 20. + 10. x 21. 2 0 x 1 x 2 x 20. + 10. x 1 9 x 2 9 x 20. 10. x 21. + x 2 x 3. x 21. 0

在Matlab®中,写一个创建这些向量的函数并将它们添加在一起,从而提供值a * x.或者‘* x,取决于标志输入:

功能y = afun(x,旗帜)如果Strcmp(旗帜,'notransp'%compute a * xy = [0;x(1:20)]......+ [(10:-1:0)';(1:10)']。* x......+ 2 * [x(2:结束);0];eleesif.Strcmp(旗帜,'transp'%compute'* xy = 2 * [0;x(1:20)]......+ [(10:-1:0)';(1:10)']。* x......+ [x(2:结束);0];结束结束

(此函数在示例结束时保存为本地功能。)

现在,解决线性系统 斧头 b 通过提供QMR.使用函数处理来计算a * x.‘* x.使用公差1E-6和25个迭代。指定 b 作为行和的行 一个 所以真正的解 x 是一个1的向量。

b =完整(总和(a,2));tol = 1e-6;maxit = 25;x1 = qmr(@ afun,b,tol,maxit)
QMR在迭代19融合到具有相对残差4.7E-07的溶液。
x1 =21日×11.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000

本地函数

功能y = afun(x,旗帜)如果Strcmp(旗帜,'notransp'%compute a * xy = [0;x(1:20)]......+ [(10:-1:0)';(1:10)']。* x......+ 2 * [x(2:结束);0];eleesif.Strcmp(旗帜,'transp'%compute'* xy = 2 * [0;x(1:20)]......+ [(10:-1:0)';(1:10)']。* x......+ [x(2:结束);0];结束结束

输入参数

崩溃

系数矩阵,指定为方矩阵或功能手柄。该矩阵是线性系统中的系数矩阵a * x = b.一般来说,一个是一个大的稀疏矩阵或函数句柄,返回大稀疏矩阵和列向量的乘积。

指定一个作为功​​能手柄

您可以可选地将系数矩阵指定为函数句柄而不是矩阵。功能处理返回矩阵矢量产品,而不是形成整个系数矩阵,使得计算更有效。下载188bet金宝搏

要使用函数句柄,请使用函数签名函数y = afun(x,选择)参数化功能解释了如何为函数提供额外的参数临时,如果必要的。这个函数临时必须满足这些条件:

  • Afun(x,'notransp')返回产品a * x.

  • Afun(x,'transp')返回产品‘* x

可接受函数的一个例子是:

功能y = afun (x,选择,B, C, n)如果Strcmp(选择,'notransp')y = [b * x(n + 1:结束);c * x(1:n)];别的* x y = [C”(n + 1:结束);B * x (1: n)];结束
这个函数临时使用值BC要计算a * x.或者‘* x(取决于指定的标志)而不实际形成整个矩阵。

数据类型:双人间|function_handle
复数的支持:金宝app是的

线性方程的右边,指定为列向量。的长度b必须等于尺寸(a,1)

数据类型:双人间
复数的支持:金宝app是的

方法公差,指定为正标量。使用此输入来权衡计算的准确性和运行时间。QMR.必须在允许的迭代次数内达到容忍度。较小的价值意味着答案必须更精确地计算成功。

数据类型:双人间

最大迭代次数,指定为正标量整数。增加价值max允许更多的迭代QMR.满足宽容.一般来说,值较小意味着需要更多的迭代才能成功完成计算。

预处理器矩阵,指定为矩阵或函数句柄的单独参数。您可以指定一个预请词矩阵或其矩阵因子m = m1 * m2为了改善线性系统的数值方面,使其更容易QMR.快速收敛。对于方形系数矩阵,您可以使用不完整的矩阵分解功能iluichol.生成预处理器矩阵。你也可以使用平衡在分解之前以改善系数矩阵的条件数。有关预处理者的更多信息,请参阅线性系统的迭代方法

QMR.将未指定的前置数视为单位矩阵。

指定作为功​​能手柄

您可以选择指定任何一个M1或者M2作为函数处理而不是矩阵。功能手柄执行矩阵矢量操作,而不是形成整个预处理器矩阵,使得计算更高效率。

要使用函数句柄,首先使用签名创建功能函数y = mfun(x,opt)参数化功能解释了如何为函数提供额外的参数MFUN.,如果必要的。这个函数MFUN.必须满足这些条件:

  • mfun(x,'notransp')返回值M \ x或者m2 \(m1 \ x)

  • mfun(x,'transp')返回值m'\ x或者m1'\(m2'\ x)

可接受函数的一个例子是:

功能y = mfun(x,opt,a,b)如果Strcmp(选择,'notransp')y = x。* a;别的y = x。* b;结束结束
在这个例子中,函数MFUN.使用一个b要计算M \ x = x *或者M ' \ x = x * b(取决于指定的标志)而不是实际形成整个矩阵

数据类型:双人间|function_handle
复数的支持:金宝app是的

初始猜测,指定为具有长度等于的列向量尺寸(a,2).如果您可以提供QMR.有更合理的初步猜测X0.与默认的零向量相比,它可以节省计算时间,帮助算法更快地收敛。

数据类型:双人间
复数的支持:金宝app是的

输出参数

崩溃

线性系统解决方案,作为列向量返回。此输出为线性系统提供了近似的解决方案a * x = b.如果计算成功(标志= 0.那个)是小于还是等于

每当计算不成功时(国旗〜= 0),解决方案x返回的QMR.是在所有迭代中计算的残余规范最小的那个。

收敛标志,作为此表中的标量值之一返回。收敛标志指示计算是否成功并在几种不同形式的故障之间区分。

标志价值

收敛

0

成功——QMR.融合到所需的耐受性在...之内max迭代。

1

失败 -QMR.迭代max迭代但没有收敛。

2

失败 - 预处理器矩阵或者m = m1 * m2没有病理。

3.

失败 -QMR.连续两次迭代后都是相同的。

4

失败 - 由此计算的标量数之一QMR.算法变得太小或太大而无法继续计算。

相对残余错误,作为标量返回。相对残差误差Relres = Norm(B-A * x)/常规(b)表明答案有多准确。如果计算收敛到公差在...之内max然后迭代Relres <= tol

数据类型:双人间

迭代号,作为标量返回。此输出表示计算的答案的迭代号x计算出来。

数据类型:双人间

残余错误,作为向量返回。剩余错误规范(b * x)揭示算法如何为给定值融合x.元素的数量Resvec.等于迭代次数。您可以检查的内容Resvec.帮助决定是否更改值或者max

数据类型:双人间

更多关于

崩溃

Quasi-minimal残留方法

QMR算法被开发为BICG的改进。虽然GMRES对Krylov子空间使用正交基础并计算最小剩余解决方案,但QMR使用双正交基础,因此仅计算了准剩余的残余解决方案。

QMR通常比BICG更顺畅地收敛,它还使用远程技术来避免几乎所有情况下的故障。QMR的计算成本仅略高于BICG[1]

提示

  • 大多数迭代方法的融合取决于系数矩阵的条件数量,COND(a).您可以使用平衡改进的条件数一个,并自己这使得大多数迭代求解器更容易收敛。但是,使用平衡当你随后分解均衡矩阵时,也会得到质量更好的预处理矩阵B = R * P * * C

  • 您可以使用矩阵重排序函数,例如解剖Symrcm.为了释放系数矩阵的行和列,并使系数矩阵被考虑为生成预处理器时最小化非安利斯数的数量。这可以减少随后解决预处理线性系统所需的存储器和时间。

参考文献

[1] Barrett,R.,M. Berry,T. F. Chan等人,用于线性系统解决方案的模板:用于迭代方法的构建块,暹罗,费城,1994年。

[2]弗氏,罗兰W.和NöelM.Nachtigal,“QMR:非封闭式线性系统的准剩余残余方法”,暹罗日志:数字。数学。60,1991,第315-339页。

扩展能力

在R2006A之前介绍