Участник:Макарова Алёна/Итерационный метод решения системы линейных алгебраических уравнений GMRES (обобщенный метод минимальных невязок)

1 Свойства и структура алгоритма

1.1 Общее описание алгоритма

Метод минимальных невязок представляет собой итерационный метод для численного решения несимметричной системы линейных уравнений. Метод приближает решение вектором в подпространстве Крылова с минимальной невязкой. Чтобы найти этот вектор используется итерация Арнольди.

Впервые метод минимальных невязок был описан в книге Марчука и Кузнецова "Итерационные методы и квадратичные функционалы" и представлял собой геометрическую реализацию метода минимальных невязок.

Алгебраическая реализация метода минимальных невязок была предложена Саадом и Шульцем в 1986 году . С их подачи за методом закрепилась аббревиатура GMRES (обобщенный метод минимальных невязок).

1.2 Математическое описание алгоритма

Для решения системы [math]Ax = b[/math] с невырожденной матрицей [math]A[/math], выбирается начальное приближение [math]x_0[/math], затем решается редуцированная система [math]Au = r_0[/math], где [math]r_0 = b - Ax_0, x = x_0 + u[/math]. Подпространства Крылова строятся для редуцированной системы (в предположении, что [math]r_0 \neq 0[/math]).

Пусть [math]x_i = x_0 + y[/math], где [math] y \in \mathcal{K}_i [/math]. Невязка имеет вид [math]r_i = r_0 - Ay[/math], а её длина минимальна, в силу теоремы Пифагора, в том и только том случае, когда

[math] r_i \perp A\mathcal{K}_i [/math].

Таким образом, для реализации [math]i[/math]-го шага требуется опустить перпендикуляр из вектора [math]r_0[/math] на подпространство [math]A\mathcal{K}_i[/math]. Проще всего это сделать, если в данном подпространстве уже найден ортогональный базис.

1.2.1 Геометрическая реализация

Геометрическая реализация метода минимальных невязок заключается в построении последовательности векторов [math]q_1, q_2,...[/math] таким образом, что [math]q_1, q_2,.., q_i[/math] дают базис в подпространстве Крылова [math]\mathcal{K}_i[/math] и при этом вектора [math]p_1 = Aq_1, ..., p_i = Aq_i[/math] образуют ортогональный базис в подпространстве [math]A\mathcal{K}_i[/math]. Вектор [math]q_{i+1} \notin \mathcal{K}_i[/math] должен обладать следующими свойствами:

[math] q_{i+1} \in \mathcal{K}_{i+1}, p_{i+1} = Aq_{i+1} \perp A\mathcal{K}_i [/math].

Его можно получить с помощью процесса ортогонализации, применённого к вектору [math]p = Aq[/math], где [math]q = Aq_i[/math]. В геометрической реализации необходимо хранить две системы векторов: [math]q_1, ..., q_i[/math] и [math]p_1, ..., p_i[/math].

1.2.2 Алгебраическая реализация

Алгебраическая реализация метода минимальных невязок использует лишь одну систему векторов, образующих ортогональные базисы в подпространствах [math]\mathcal{K}_i[/math].

[math]q_1 = r_0/||r_0||_2[/math]. Чтобы получить ортонормированный базис [math]q_1, ..., q_{i+1}[/math] в [math]\mathcal{K}_{i+1} = \mathcal{K}_{i+1}(r_0, A)[/math], проводим ортогонализацию вектора [math]Aq_i[/math] к векторам [math]q_1, ..., q_i[/math]. Если [math]Q_i \equiv [q_1, ..., q_i] \in \mathbb{C}^{n*i}[/math], то получим

[math] AQ_i = Q_{i+1}\hat{H_i}, \hat{H_i}= \begin{bmatrix} H_i \\ 0 ... 0 & h_{i+1 i} \end{bmatrix}, [/math]

где [math]H_i[/math] - верхняя хессенбергова матрица порядка [math]i[/math].

Далее рассмотрим [math]QR[/math]-разложение прямоугольной матрицы [math]\hat{H_i}[/math]:

[math] \hat{H_i} = U_iR_i, R_i \in \mathbb{C}^{i*i} [/math].

Тогда минимум невязки [math]||r_0 - AQ_iy||_2[/math] по всем [math]y[/math] будет достигаться в том случае, если [math]y = y_i[/math] удовлетворяет уравнению

[math] R_iy_i = z_i \equiv ||r_0||_2U^T_ie_1, e_1 = \begin{bmatrix} 1 0 ... 0 \end{bmatrix}^T, [/math].

Матрица [math]R_i[/math] невырожденная, следовательно,

[math] x_i = x_0 + Q_iy_i = x_0 + Q_iR_i^{-1}z_i [/math].

1.2.3 Сходимость метода

Метод минимизации невязок на подпространствах Крылова за конечное число итераций приводит к точному решению и по этой причине является прямым методом. Но чаще его рассматривают как итерационный метод - с типичными для итерационных методов оценками сходимости. Идея заключается в том, что спустя некоторое количество итераций, полученное приближение уже является хорошей оценкой ответа.

Но об этом не верно говорить в общем. Согласно теореме (Greenbaum, Pták and Strakoš), для каждой монотонной последовательности [math] a_1,..., a_{m-1}, a_m = 0 [/math], найдётся матрица [math]A[/math] такая что [math]||r_n|| = a_n[/math] для всех [math]n[/math], где [math]r_n[/math] невязка, определенная ранее.

На практике для матрицы порядка [math]n[/math] число шагов может оказаться равным [math]n[/math], а норма невязки может оставаться равной норме начальной невязки на всех шагах, кроме последнего.

Пример

[math] \begin{bmatrix} 0 1 & ... \\ 0 0 1 & ... \\...\\... & 01 \\1 & ... \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\...\\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\...\\ 0 \\ 1 \end{bmatrix} [/math]

Если [math] x_0 = 0 [/math], то [math] r_0 = b[/math]. Подпространства Крылова получаются такие:

[math] \mathcal{K}_i = span \{ e_n, e_{n-1}, ..., e_{n-i+1}\}, i \le i \le n [/math]

Точное решение системы имеет вид [math]x = e_1[/math], а на итерациях получаются следующие векторы:

[math] x_0 = x_1 = ... = x_{n-1} = 0, x_n = e_1 [/math].

Для получения оценок требуются дополнительные предположения относительно матрицы коэффициентов.

1.2.3.1 Сходимость для положительно определенной матрицы

Если матрица [math]A[/math] положительно определена, то

[math] \|r_n\| \leq \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{n/2} \|r_0\|, [/math],

где [math]\lambda_{\mathrm{min}}(M)[/math] и [math]\lambda_{\mathrm{max}}(M)[/math] обозначают наибольшее и наименьшее собственное значение матрицы [math]M[/math], соответственно.

1.2.3.2 Сходимость для симметричной матрицы

Если матрица [math]A[/math] является симметрично и положительно определена, тогда

[math] \|r_n\| \leq \left( \frac{\kappa_2(A)^2-1}{\kappa_2(A)^2} \right)^{n/2} \|r_0\| [/math],

где [math]\kappa_2(A)[/math] число обусловленности матрицы [math]A[/math] в Евклидовой норме.

Если не требовать положительной определённости

[math] \|r_n\| \le \inf_{p \in P_n} \|p(A)\| \le \kappa_2(V) \inf_{p \in P_n} \max_{\lambda \in \sigma(A)} |p(\lambda)| \|r_0\|, \, [/math]

где [math]P_n[/math] обозначает множество полиномов степени не выше [math]n[/math] и [math]p(0) = 1[/math], матрица [math]V[/math] появляется из спектрального разложения матрицы [math]A[/math] и [math]\sigma(A)[/math] - спектр матрицы [math]A[/math]. Грубо говоря, это означает, что быстрая сходимость имеет место, когда собственные значения матрицы [math]A[/math] группируются от происхождения и [math]A[/math] не сильно отклоняется от нормальной матрицы (are clustered away from the origin and A is not too far from).

Все эти неравенства связаны с невязкой вместо фактической ошибки, т.е. расстоянием между текущей итерацией и точным решением.

1.3 Вычислительное ядро алгоритма

Самой трудоёмкой процедурой в методе является [math]QR[/math]-разложение [math]\hat{H_i}[/math]. В общем случае требуется [math]\mathcal{O}(i^3)[/math] арифметических операций, однако то, что [math]\hat{H_i}[/math] является хессенберговой матрицей, позволяет сократить требуемый объём до [math]\mathcal{O}(i^2)[/math] действий.

1.4 Макроструктура алгоритма

Алгоритм начинается с выбора начального приближения [math]x_0[/math]. Далее для [math]i = 1,2 ..[/math]

1. Вычисляем матрицу [math]\hat{H_i}[/math].

2. Находим её [math]QR[/math]-разложение: [math]\hat{H_i} = U_iR_i[/math].

3. Решаем систему [math]R_iy_i = U^T_ie_1[/math].

4. Находим приближение [math]x_i = x_0 + Q_iy_i[/math].

Алгоритм завершается, когда норма вектора невязки становится достаточно малой. При большом числе итераций вычислительные затраты и требуемая для хранения векторов [math]p_i[/math] память могу оказаться чрезмерно большими. В таких случаях применяют алгоритм с перезапусками (restart): задают максимальную допустимую размерность [math]K[/math] пространств Крылова [math]\mathcal{K}_i[/math], и если точность не достигнута, берут полученное приближение в качестве нового начального приближения [math]x^0_{new} = x_K[/math].

1.5 Схема реализации последовательного алгоритма

1.6 Последовательная сложность алгоритма

Будем предполагать, что матрица решаемой СЛАУ является разреженной. Пусть несимметричная матрица [math]A[/math] имеет симметричный портрет и число ненулевых элементов в нижнем(верхнем) треугольнике равно [math]k[/math].

При [math] m \lt \lt n [/math] можно говорить, что один GMRES-цикл имеет сложность [math]\mathcal{O}(nm^2)[/math].

Требования по памяти с учетом [math]1 \lt m \lt \lt n[/math] и [math]k \lt \lt n[/math] составляют [math]\mathcal{O}(mn)[/math]..

1.8 Ресурс параллелизма алгоритма

В вычислительной схеме присутствуют два интенсивных в вычислительном плане этапа:

1. Умножение матрицы СЛАУ на вектор (для нахождения невязок).

Для нахождения матрично-векторных произведений при вычислении невязок матрича должна быть подвергнута декомпозиции на строчные блоки.

2. Нахождение скалярных произведений векторов (при построении ортонормального базиса подпространства Крылова).

Для наиболее эффективного вычисления скалярных проихведений и линейных комбинаций векоров базиса каждый из векторов [math]p_i[/math] должен быть разбит на блоки равного размера по числу процессоров.

Кроме того, на хранение векторов базиса приходится бОльшая часть затрат памяти.

1.9 Входные и выходные данные алгоритма

Входные данные: Обязательные параметры:

[math]A[/math] - квадратная матрица (n x n).

[math]b[/math] - вектор правой части (n x 1).

Вариативно:

[math]x_0[/math] - начальное приближение (может не передаваться и быть всегда нулевым).

[math]\epsilon[/math] - погрешность (может не передаваться и быть заданным по умолчанию, обычно равна 1e-6).

Максимальное число итераций.

Выходные данные: [math]x^*[/math] - решение системы [math]Ax = b[/math]

1.10 Свойства алгоритма

Одной из важных практических особенностей метода является то, что на первых итерациях метод сходится гораздо быстрее, чем асимптотически. Для ускорения сходимости метода минимальных невязок целесообразно время о времени использовать один шаг двух-шагового метода минимальных невязок.