Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ

Σχετικά έγγραφα
Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ

Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ

GMRES(m) , GMRES, , GMRES(m), Look-Back GMRES(m). Ax = b, A C n n, x, b C n (1) Krylov.

Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 1 : Εισαγωγή στη Γραµµική Αλγεβρα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

New Adaptive Projection Technique for Krylov Subspace Method

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 4 : Ορθογωνιότητα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

{ } ΠΛΗ 12: ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Ι 2 η ΓΡΑΠΤΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Απαντήσεις. 1. (15 µονάδες)

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 2 : Επίλυση Γραµµικών Εξισώσεων. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 2 : Επίλυση Γραµµικών Εξισώσεων. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 7 : Γραµµικοί Μετασχηµατισµοί. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ( , c Ε. Γαλλόπουλος) ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ. Ε. Γαλλόπουλος. ΤΜΗΥΠ Πανεπιστήµιο Πατρών. ιαφάνειες διαλέξεων 28/2/12

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Matrices and Determinants

QR είναι ˆx τότε x ˆx. 10 ρ. Ποιά είναι η τιµή του ρ και γιατί (σύντοµη εξήγηση). P = [X. 0, X,..., X. (n 1), X. n] a(n + 1 : 1 : 1)

Numerical Analysis FMN011

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 1 : Εισαγωγή στη Γραµµική Αλγεβρα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 3

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 3 : ιανυσµατικοί Χώροι και Υπόχωροι. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ = U1SV 1 V 2 A = [U1 U2] S = diag(σ 1,...,σ r ) R r r. και σ 1 σ r > 0. Ειδικότερα,

( ) ( ) ( ) ( ) ενώ η εξίσωση της παραβολής είναι η

Γραµµική Αλγεβρα Ι. Ενότητα: ιανυσµατικοί χώροι. Ευάγγελος Ράπτης. Τµήµα Μαθηµατικών

µέχρι και την Τρίτη και ώρα 22:30 1η Ασκηση ΑΜΕΣΟΙ ΜΕΘΟ ΟΙ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΠΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 3 : ιανυσµατικοί Χώροι και Υπόχωροι. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Ανάκληση Πληροφορίας. Διδάσκων Δημήτριος Κατσαρός

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (2 Ιουλίου 2009) ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 1 : Εισαγωγή στη Γραµµική Αλγεβρα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Homework 8 Model Solution Section

Ιδιάζουσες τιμές πίνακα. y έχουμε αντίστοιχα τις σχέσεις : Αυτές οι παρατηρήσεις συμβάλλουν στην παραγοντοποίηση ενός πίνακα

Στοχαστικά Σήµατα και Εφαρµογές

Όρια συναρτήσεων. ε > υπάρχει ( ) { } = ± ορίζονται αναλόγως. Η διατύπωση αυτών των ορισµών αφήνεται ως άσκηση. x y = +. = και για κάθε (, ) ( 0,0)

«ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΚΑΙ ΑΡΑΙΟΥ ΓΡΑΜΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΑ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΕΠΙΛΥΣΗ ΤΟΥ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ SCHUR COMPLEMENT-GMRES»

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 5 : Ορίζουσες. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

4 η ΕΝΟΤΗΤΑ Μητρώα και συνθήκες στο MATLAB

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ

ΜΑΣ 371: Αριθμητική Ανάλυση ΙI ΑΣΚΗΣΕΙΣ. 1. Να βρεθεί το πολυώνυμο Lagrange για τα σημεία (0, 1), (1, 2) και (4, 2).

Homework 3 Solutions

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Ορίζουσες ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ. Προηγείται της Γραµµικής Αλγεβρας. Εχει ενδιαφέρουσα γεωµετρική ερµηνεία. ΛΥ.

Όρια συναρτήσεων. ε > υπάρχει ( ) { } = ± ορίζονται αναλόγως. Η διατύπωση αυτών των ορισµών αφήνεται ως άσκηση. x y = +. = και για κάθε (, ) ( 0,0)

Επίλυση Γραµµικών Συστηµάτων

ES440/ES911: CFD. Chapter 5. Solution of Linear Equation Systems

k A = [k, k]( )[a 1, a 2 ] = [ka 1,ka 2 ] 4For the division of two intervals of confidence in R +

Χ. Α. Αλεξόπουλος. Τµήµα Μηχ. Η/Υ και Πληροφορικής Πανεπιστήµιο Πατρών

Εργαστήριο 2 - Απαντήσεις. Επίλυση Γραμμικών Συστημάτων

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΙΑ ΜΙΚΡΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ...xi

Επιστηµονικοί Υπολογισµοί (Αρ. Γρ. Αλγεβρα)Επαναληπτικές µέθοδοι και 31 Μαρτίου Ηµι-Επαναληπτικές Μέθοδο / 17

w o = R 1 p. (1) R = p =. = 1

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ MATLAB- SIMULINK

Αριθµητική Ανάλυση 1 εκεµβρίου / 43

Inverse trigonometric functions & General Solution of Trigonometric Equations

21 a 22 a 2n. a m1 a m2 a mn

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Matrices and vectors. Matrix and vector. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = b 1 b 2. b m. R m n, b = = ( a ij. a m1 a m2 a mn. def

Συνεχείς συναρτήσεις πολλών µεταβλητών. ε > υπάρχει ( ) ( )

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (Εξ. Ιουνίου - 02/07/08) ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

CHAPTER 25 SOLVING EQUATIONS BY ITERATIVE METHODS

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι Ενότητα 5 - Επίλυση Γραµµικών Συστηµάτων. Ευστράτιος Γαλλόπουλος

x 2 = x x 2 2. x 2 = u 2 + x 2 3 Χρησιµοποιώντας το συµβολισµό του ανάστροφου, αυτό γράφεται x 2 = x T x. = x T x.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΤΕΤΡΑΓΩΝΑ

Παράλληλος προγραμματισμός περιστροφικών αλγορίθμων εξωτερικών σημείων τύπου simplex ΠΛΟΣΚΑΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ

Chapter 6: Systems of Linear Differential. be continuous functions on the interval

Παράδειγμα #4 EΠΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΑΛΓΕΒΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης

Οι πράξεις που χρειάζονται για την επίλυση αυτών των προβληµάτων (αφού είναι απλές) µπορούν να τεθούν σε µια σειρά και πάρουν µια αλγοριθµική µορφή.

ΘΕΜΑ 2ο. Άσκηση εφαρµογής της µεθόδου Newton Raphson

Other Test Constructions: Likelihood Ratio & Bayes Tests

Θεωρία Τελεστών. Ενότητα: Το ϕασµατικό ϑεώρηµα για αυτοσυζυγείς τελεστές. Αριστείδης Κατάβολος. Τµήµα Μαθηµατικών

Πιο συγκεκριμένα, η χρήση του MATLAB προσφέρει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα.

Διανύσµατα στο επίπεδο

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

Areas and Lengths in Polar Coordinates

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ - Τµήµα Εφαρµοσµένων Μαθηµατικών

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 7 : Γραµµικοί Μετασχηµατισµοί. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Practice Exam 2. Conceptual Questions. 1. State a Basic identity and then verify it. (a) Identity: Solution: One identity is csc(θ) = 1

Quadratic Expressions

Reminders: linear functions

1 Επανάληψη εννοιών από τον Απειροστικό Λογισμό

ΚΥΠΡΙΑΚΗ ΕΤΑΙΡΕΙΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ CYPRUS COMPUTER SOCIETY ΠΑΓΚΥΠΡΙΟΣ ΜΑΘΗΤΙΚΟΣ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΟΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ 24/3/2007

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών

Mock Exam 7. 1 Hong Kong Educational Publishing Company. Section A 1. Reference: HKDSE Math M Q2 (a) (1 + kx) n 1M + 1A = (1) =

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ. Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 2

Λύσεις και Υποδείξεις Επιλεγµένων Ασκήσεων

Εφαρµογες Της Ψηφιακης Επεξεργασιας Σηµατων. Εκτιµηση Συχνοτητων Με ΙδιοΑναλυση του Μητρωου ΑυτοΣυσχετισης

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

Lecture 2: Dirac notation and a review of linear algebra Read Sakurai chapter 1, Baym chatper 3

Transcript:

Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ Ε. Γαλλόπουλος 1 1 Τµήµα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής Πολυτεχνική Σχολή, Πανεπιστήµιο Πατρών 24/4/13

Θέµατα αριθµητικής Οι παραπάνω µέθοδοι (FOM, GMRES) ϐασίστηκαν σε χρήση Arnoldi. Το ερώτηµα είναι πόσο µπορεί να επηρεάσει η απώλεια ΟΚ (δηλ. I ˆV m ˆVm 0) όπου ˆV δηλώνει το υπολογισµένο V. µέσω CGS Αποδεικνύεται ότι I ˆV m ˆVm κ 2 ([r (0),AV m ])u µέσω MGS Αποδεικνύεται ότι I V m V )m κ([r (0),AV m ])u Householder Arnoldi δείτε την εργασία του H. Walker. MGS µε επανορθογωνιοποίηση

Για τη GMRES έχει δειχθεί ότι: µέχρις ότου η γραµµική ανεξαρτησία των υπολογισµένων διανυσµάτων ϐάσης Ṽ m σχεδόν χαθεί, η νόρµα του διανύσµατος υπολοίπου της GMRES µε MGS είναι περίπου ίδια µε την αντίστοιχη νόρµα από την GMRES µε Householder. κ(a) I Ṽ j+1 Ṽ j+1 ζ 5 (m,j)u min y ṽ 1 AṼ j y Η τιµή min y ṽ 1 AṼ j y είναι περίπου η νόρµα του σχετικού υπολοίπου, r (j) /β, της GMRES.

... ϕαίνεται ότι αν ο δείκτης κατάστασης, κ(a), δεν είναι πολύ µεγάλος, η απώλεια ορθογωνιότητας συµβαδίζει µε τη νόρµα του διανύσµατος υπολοίπου, εποµένως, µπορεί να γίνει προβληµατική όταν το κατάλοιπο είναι πλέον τόσο µικρό που δεν ενοχλεί.... εποµένως η χρήση MGS αρκεί, εφόσον το κ(a) δεν είναι πάρα πολύ µεγάλο. Αυτό που έχει σηµασία δεν είναι τόσο η καθετότητα των υπολογισµένων διανυσµάτων Ṽ m αλλά η γραµµική τους ανεξαρτησία.

Παρατηρήσεις Σχετικά µε τη GMRES(m) Ενα µητρώο αποκαλείται positive real ή positive definite αν το το συµµετρικό του τµήµα, (A + A )/2, είναι ΣΘΟ. Τότε ισχύει x Ax > 0, x 0. Αν A + A είναι ΣΘΟ GMRES(m) συγκλίνει για κάθε m

Υλοποίηση σε MATLAB Από το help gmres: GMRES Generalized Minimum Residual Method. X = GMRES(A,B) attempts to solve the system of... linear equations A*X = B for X. The N-by -N coefficient matrix A must be... square and the right hand side column vector B must have length N. A may be a... function returning A* X. This uses the unrestarted method with MIN(N,10) total... iterations. GMRES(A,B, RESTART) restarts the method every... RESTART iterations. If RESTART is N or [] then GMRES uses the unrestarted method... as above. GMRES(A,B, RESTART, TOL) specifies the tolerance of... the method. If TOL is [] then GMRES uses the default, 1e-6.

Σχόλια Η υλοποίηση της Mathworks είναι «συντηρητική». Ο υπολογισµός του υπολοίπου γίνεται άµεσα, οπότε χρειάζονται περί τις 2MV ανά εσωτερική επανάληψη: 1 της Arnoldi και 1 για τον υπολογισµό r = b Ax. Το συνολικό κόστος, σε MV, είναι περίπου 1 + (outer 1)(2restart + 1) + 2inner + 1 όπου: α) outer είναι ο αριθµός των επανεκκινήσεων. ϐ) restart είναι το µέγιστο µέγεθος του υπόχωρου πριν την επανεκκίνηση, γ) inner είναι το µήκος του υπόχωρου που χρειάστηκε για σύγκλιση στην τελευταία επανεκκίνηση (δηλ. αν δεν είχαµε επανεκκίνηση, το µήκος του υπόχωρου για τη λύση). Μια πιο γρήγορη υλοποίηση, ϑα εφάρµοζε τον αναδροµικό τύπο για την νόρµα του υπολοίπου ως γ m+1 το κατάλοιπο ϑα µπορούσε να υπολογίζεται άµεσα µόνον πριν κάθε επανεκκίνηση,

Παραδείγµατα A = gallery('wilk',21); b = sum(a,2); tol = 1e -12;... maxit = 15; x = gmres(a,b,40,tol,maxit); gmres (40) converged at outer iteration 1 ( inner... iteration 11) to a solution with relative residual 9.2e -016...... with 24 MV x = gmres(a,b,11,tol,maxit); gmres (11) converged at outer iteration 1 ( inner... iteration 11) to a solution with relative residual 9.2e -016...... with 24 MV x = gmres(a,b,10,tol,maxit); gmres (10) converged at outer iteration 5 ( inner... iteration 1) to a solution with relative residual 7.8e -013......

x = gmres(a,b,9,tol,maxit); gmres (9) converged at outer iteration 5 ( inner... iteration 9) to a solution with relative residual 8e -013... with... 95 MV x = gmres(a,b,8,tol,maxit); gmres (8) converged at outer iteration 7 ( inner... iteration 1) to a solution with relative residual 7.5e -013...... with 106 MV x = gmres(a,b,7,tol,maxit); gmres (7) converged at outer iteration 10 ( inner... iteration 7) to a solution with relative residual 8.9e -013...... with 150 MV

x = gmres(a,b,6,tol,maxit); gmres (6) converged at outer iteration 13 ( inner... iteration 4) to a solution with relative residual 7e -013... with... 166 MV x = gmres(a,b,5,tol,maxit); gmres (5) converged at outer iteration 15 ( inner... iteration 2) to a solution with relative residual 8.7e -013...... with 160 MV x = gmres(a,b,4,tol,maxit); gmres (4) stopped at outer iteration 15 ( inner... iteration 4) without converging to the desired tolerance 1e -012 because the maximum number of iterations was reached. The iterate returned ( number 15(4)) has relative... residual 3e -006

x = gmres(a,b,4,tol,40); gmres (4) stopped at outer iteration 40 ( inner... iteration 4) without converging to the desired tolerance 1e -012 because the maximum number of iterations was reached. The iterate returned ( number 40(4)) has relative... residual 1.7e -012 x = gmres(a,b,4,tol,41); gmres (4) converged at outer iteration 41 ( inner... iteration 3) to a solution with relative residual 9.8e -013...... with 368 MV x = gmres(a,b,3,tol,74);

gmres (3) stopped at outer iteration 74 ( inner... iteration 3) without converging to the desired tolerance 1e -012 because the maximum number of iterations was reached. The iterate returned ( number 74(3)) has relative... residual 1.1e -012 x = gmres(a,b,3,tol,75); gmres (3) converged at outer iteration 75 ( inner... iteration 3) to a solution with relative residual 8.3e -013...... with 525 MV

x = gmres(a,b,2, tol,150); gmres (2) stopped at outer... iteration 150 ( inner iteration 2) without converging to the desired... tolerance 1e -012 because the maximum number of iterations was... reached. The iterate returned ( number 150(2)) has relative... residual 4.4e -008 x = gmres(a,b,2,tol,280); gmres (2) converged at outer iteration 280( inner... iteration 2) to a solution with relative residual 9.4e -013...... with 1400 MV

Προσοχή σχετικά µε τη δυσκολία σύγκλισης της gmres(2): min(eig((a+a )/2))= -1.125; max(eig((a+a )/2))=10.746; 10 5 gmres(11)=gmres( ) 10 5 gmres(10) 10 0 10 0 10 5 10 5 10 10 10 10 10 15 0 5 10 15 10 15 0 10 20 30 40 50 10 5 gmres(8) 10 5 gmres(3) 10 0 10 0 10 5 10 5 10 10 10 10 10 15 0 10 20 30 40 50 10 15 0 50 100 150 200 250

Προσοχή σχετικά µε τη δυσκολία σύγκλισης της gmres(2): min(eig((a+a )/2))= -1.125; max(eig((a+a )/2))=10.746; 10 5 gmres(11)=gmres( ) 10 5 gmres(10) 10 0 10 0 10 5 10 5 10 10 10 10 10 15 0 5 10 15 10 15 0 10 20 30 40 50 10 2 gmres(10) (detail) 10 0 gmres(10) (detail) 10 0 10 5 10 2 10 10 10 4 0 5 10 15 20 10 15 20 25 30 35 40

Μητρώο ελέγχου Matrix Market Μητρώο: SAYLR3 (Saylor s petroleum engineering/reservoir simulation matrices 3D reservoir, 10 10 10). 10 2 gmres(304)=gmres( ) 10 2 gmres(100) 10 0 10 0 10 2 10 2 10 4 10 4 10 6 0 100 200 300 400 10 6 0 200 400 600 10 2 gmres(50) 10 2 gmres(10) 10 0 10 0 10 2 10 2 10 4 10 4 10 6 0 500 1000 1500 10 6 0 1000 2000 3000 4000 5000 Matrix saylr3 from Matrix Market

Πορεία κατάλοιπα για διαφορετικές τιµές του m Μητρώο: SAYLR3 (Saylor s petroleum engineering/reservoir simulation matrices 3D reservoir, 10 10 10). 10 2 10 1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 0 200 400 600 800 1000 1200 Matrix saylr3 from Matrix Market α) Μπλε : m =. ϐ) Πράσινο.: m = 100. γ) Ροζ : m = 50

Υπολογισµός συναρτήσεων µητρώων επί διάνυσµα Υπολογισµός συναρτήσεων µητρώων επί διάνυσµα µέσω υπόχωρων Krylov ίδεται (µεγάλο και αραιό) A R n n, b R n και συνάρτηση φ(.) που είναι αναλυτική στις ιδιοτιµές του A και ϑέλουµε να υπολογίσουµε το φ(a)b. Παραδείγµατα ϱητό πολυώνυµο: φ(a)b = p n1 (A)(q n2 (A)) 1 b εκθετικό: exp(a)b = j=0 1 j! Aj b

Υπολογισµός συναρτήσεων µητρώων επί διάνυσµα Υπενθυµίζουµε ότι κάθε συνάρτηση µητρώου µεγέθους n µπορεί να γραφτεί ως πολυώνυµο µητρώου ϐαθµού < n (πόρισµα ϑεωρήµατος Cayley-Hamilton). Θα προσπαθήσουµε να προσεγγίσουµε τα παραπάνω µέσω προβολών επί χώρου Krylov K m (A,b): εποµένως φ(a)b V m V m φ(a)b = βv m V m φ(a)v m e 1 = φ(a)b βv m (V m φ(a)v m )e 1

Υπολογισµός συναρτήσεων µητρώων επί διάνυσµα Αν η φ µπορεί να προσεγγιστεί από πολυώνυµο φ(a)b p j (A)b := α 0 b + α 1 Ab + α j A j b K j+1 (A,b) µετά από Arnoldi V m p j(a)v m = α 0 I + α 1 H m + α j H j m εφόσον j m 1 (από επαγωγή): A j v 1 = V m H j m e 1 Επαγωγή: Σωστό για j = 0, αν σωστό ως και j 1 τότε A(A j 1 v 1 ) = AV m H j 1 m e 1 = (V m H m + h m+1,m v m+1 em)h j 1 m e 1 = V m H j m e 1. Προσοχή: Αυτό οφείλεται στη δοµή του H m που οδηγεί στη σχέση e m Hj 1 m e 1 = 0, j = 1,...,m 1.

Υπολογισµός συναρτήσεων µητρώων επί διάνυσµα Χρησιµοποιώντας τα παραπάνω: V m p m(a)v m = α 0 I + α 1 H m + α j H j m εποµένως: φ(a)b V m φ(h m )(βe 1 ) Οπως και µε τη λύση συστήµατος, αναγάγαµε τον υπολογισµό του φ(a)b στον υπολογισµό της ϐάσης V m και του υπολογισµού του φ(h m )e 1, όπου το H m R m m και (ελπίζουµε) m n. Υπολογισµός e A b Μπορεί να προσεγγιστεί ως e A b βv m e H m e 1. όπου το e H m e 1 υπολογίζεται µε άλλη µέθοδο.

Υπολογισµός συναρτήσεων µητρώων επί διάνυσµα Επίλυση µε µητρώα από διολίσθιση (1) Θέµα Σε πολλές περιπτώσεις πρέπει να λύσουµε συστήµατα της µορφής (A ζ j I)x j = b Προσέξτε Τα συστήµατα µοιράζονται το δεξιό µέλος και το «µητρώο γεννήτορα». Θέµα Ακόµα και για µικρά προβλήµατα, αν υπολογίσουµε την LU για το A ζ 1 I δεν υπάρχει οικονοµικός τρόπος να υπολογίσουµε την παραγοντοποίηση LU του A ζ 2 I επαναχρησιµοποιώντας στοιχεία από την προηγούµενη LU. Εποµένως ϕαίνεται να απαιτούνται O(n 3 ) πράξεις για κάθε παραγοντοποίηση.

Υπολογισµός συναρτήσεων µητρώων επί διάνυσµα Επίλυση µε µητρώα από διολίσθιση (2) Περίπτωση µικρών µητρώων Αξιοποιούµε τα εξής: 1 Για κάθε A R n n υπάρχει ορθοµοναδιαίο Q τέτοιο ώστε Q AQ = H να είναι άνω Hessenberg. 2 Η παραγοντοποίηση και επίλυση H γίνεται σε O(n 2 ) πράξεις. Συνδυάζοντας τα (1) και (2) η επίλυση s συστηµάτων (A j I)x j = b µπορεί να γίνει σε γn 3 + βsn 2 + O(ns) πράξεις όπου γ,β είναι σταθερές. (ϐλ. ϐιβλίο Επιστ. Υπολ. Ι)

Υπολογισµός συναρτήσεων µητρώων επί διάνυσµα Υπόχωροι Krylov για µητρώα από διολίσθιση Υπενθύµιση Το ϐασικό υπολογιστικό κόστος στις µεθόδους Krylov είναι ο υπολογισµός της ϐάσης. Στοιχείο κλειδί Η διολίσθιση αφήνει έναν χώρο Krylov αµετάβλητο: K m (A;b) = K m (A ζi;b) Ιδέα: Χρησιµοποιούµε την ίδια ϐάση (µε Arnoldi) V m για όλα τα συστήµατα (A ζ j I)x j = b.