矩陣分裂

數值線性代數中,矩陣分裂matrix splitting)是一種將給定矩陣表為多個矩陣和或差的表示。很多迭代法(如解微分方程組的)都依賴於直接求解比三對角矩陣更一般的矩陣的方程,若將其分裂,通常可以更高效地求解。這項技術由Richard S. Varga(1960)發明。[1]

正則分裂

解矩陣方程

  1

其中A是給定n非奇異方陣k是給定n列向量A可分裂為

  2

BC都是n階方陣。對元素非負的任意n階方陣M,可以記作 。若M元素均為正數,可以記作 。相似地,若 的元素非負,可以記作 

定義: 若 ,則 A的一個正則分裂regular splitting)。

假設矩陣方程形式為

  3

其中g是給定列向量,可直接求解x。若(2)表示A的正則分裂,則迭代法

  4

其中 是任意向量。(4)可等價地改寫為

  5

若(2)表示A的正則分裂,則矩陣 的元素非負。[2]

可以證明,若 ,則 ,其中 表示D譜半徑,因此D收斂矩陣。於是,迭代法(5)必然收斂。[3][4]

此外,若選擇分裂(2),使B對角矩陣(由於B可逆,所以對角項全部不為零),則B可在線性時間內求得逆(見時間複雜度)。

矩陣迭代法

很多迭代法都可描述為矩陣分裂。若A的對角項都是非零的,且A表為矩陣和

  6

其中DA的主對角線元素構成的對角矩陣,UL分別是n階嚴格上、下三角矩陣,則有:

雅可比法可表為

 [5][6] 7

高斯-賽德爾迭代可表為

 [7][8] 8

逐次超鬆弛迭代法可表為

 [9][10] 9

例子

正則分裂

方程(1)中,令

  10

應用雅可比中的分裂(7):將A分裂,使B包含A的所有對角元素,C包含A的所有對角線外元素並取負(當然這不是將矩陣分裂為兩矩陣的唯一有效方法),則有

  11
 
 

由於 ,分裂(11)是正則分裂。由於 ,譜半徑 D的近似特徵值 )。因此D收斂,迭代法(5)對(10)收斂。注意A的對角元均大於零,非對角元均小於零,且A是強對角佔優矩陣[11]

迭代法(5)應用於(10),形式為

  12

(12)的精確解為

  13

 為初向量,列出(12)的前幾次迭代。可見此方法明顯收斂到解(13),不過速度相當緩慢。

     
0.0 0.0 0.0
0.83333 -3.0000 2.0000
0.83333 -1.7917 1.9000
1.1861 -1.8417 2.1417
1.2903 -1.6326 2.3433
1.4608 -1.5058 2.4477
1.5553 -1.4110 2.5753
1.6507 -1.3235 2.6510
1.7177 -1.2618 2.7257
1.7756 -1.2077 2.7783
1.8199 -1.1670 2.8238

雅可比法

雅可比法(7)與上面演示的正則分裂(11)相同。

高斯-賽德爾法

由於(10)中矩陣A的對角項均非零,可以用分裂(6)表示A,其中

  14

則有

 
 

將高斯-賽德爾法(8)應用於(10)有如下格式

  15

 為初向量,列出(15)的前幾次迭代。可見方法明顯收斂到解(13),且比雅可比法快。

     
0.0 0.0 0.0
0.8333 -2.7917 1.9417
0.8736 -1.8107 2.1620
1.3108 -1.5913 2.4682
1.5370 -1.3817 2.6459
1.6957 -1.2531 2.7668
1.7990 -1.1668 2.8461
1.8675 -1.1101 2.8985
1.9126 -1.0726 2.9330
1.9423 -1.0479 2.9558
1.9619 -1.0316 2.9708

逐次超鬆弛迭代法

 。由分裂(14),有

 
 
 

將SOR法(9)應用於(10),則有

  16

 為初向量,列出(16)的前幾次迭代。可見SOR法收斂到解(13),比GS法略快。

     
0.0 0.0 0.0
0.9167 -3.0479 2.1345
0.8814 -1.5788 2.2209
1.4711 -1.5161 2.6153
1.6521 -1.2557 2.7526
1.8050 -1.1641 2.8599
1.8823 -1.0930 2.9158
1.9314 -1.0559 2.9508
1.9593 -1.0327 2.9709
1.9761 -1.0185 2.9829
1.9862 -1.0113 2.9901

另見

註釋

  1. ^ Varga (1960)
  2. ^ Varga (1960,第121–122頁)
  3. ^ Varga (1960,第122–123頁)
  4. ^ Varga (1962,第89頁)
  5. ^ Burden & Faires (1993,第408頁)
  6. ^ Varga (1962,第88頁)
  7. ^ Burden & Faires (1993,第411頁)
  8. ^ Varga (1962,第88頁)
  9. ^ Burden & Faires (1993,第416頁)
  10. ^ Varga (1962,第88頁)
  11. ^ Burden & Faires (1993,第371頁)

參考文獻