广义特征值问题

更新时间:2023-06-26 02:27

对于形式如下的特征值问题:

等价形式

由于B正定,故广义特征值问题可转化为下面两种形式

(1)用B-1 左乘原式两端得:

B-1 Ax=λx

这样就把广义特征值问题等价地化为了矩阵B-1 A的普通特征值问题,虽然B-1,A都是对称矩阵,但其乘积一般不再是对称矩阵。

(2)对于正定矩阵B进行Cholesky分解,得B=GGT,其中G是下三角矩阵,于是原式可以写为:

Ax=λGGTx

令y=GTx,则有x=(G-1 )Ty,整理得

Sy=λy

其中S=G-1 A(G-1 )T是对称矩阵

(3)计算矩阵B的谱分解B=X△XT ,其中X是正交矩阵,△是对角矩阵。因此原式等价于:

XTAXy=λ△y,其中y=XTx,进而转化为:Dz=λz,其中D=△-1/2XTAX△1/2,z=△1/2y

但是当矩阵A,B均为稀疏对称矩阵时,(2)(3)算法均丢失了矩阵的稀疏性,引起了计算量和存储量的增加。

并行算法

(1)二分/多分法

二分/多分法是计算实对称矩阵特征值问题最常用的并行算法,尤其适合计算部分特征值问题,大多数情况下只需计算给定区间内的特征值或给定序号的特征值,因而二分/多分法是一个很好的选择。

(2)分治算法

分治算法简称为DC算法,是一种较新的比较适合计算的矩阵广义特征值问题算法。DC算法的基本思想是将大问题分解为两个易于计算的子问题,先求解子问题,然后构成一个比原问题容易求解的广义特征值问题。对于子问题,仍可继续利用DC算法,使矩阵规模达到很小,以便于计算。

(3)同伦连续法

同伦连续法是求解矩阵广义特征值问题的一种新的并行算法。

(4)迭代法

前面介绍的计算广义特征值问题的各种算法都要对矩阵进行变换,然后进行求解。另外还有一类算法,只用到矩阵与向量相乘而不作矩阵变换,此类算法就是迭代法。典型的迭代法有 Lanczos 、Davidson、 Arnoldi 、子空间迭代、 Rayleigh商逆迭代等算法。

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