主要内容

min

求解线性方程组-最小残差法

描述

例子

X= minres(一种B.试图解决线性方程系统a * x = b为了X使用最小剩余方法.当尝试成功时,min显示确认收敛的消息。如果min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= minres(一种B.指定该方法的公差。默认容差是1 e-6

例子

X= minres(一种B.max指定要使用的最大迭代次数。min如果无法在内部收敛,则显示诊断消息max迭代。

例子

X= minres(一种B.maxm指定对称的正定定义预处理器矩阵m和计算X通过有效解决系统 H - 1 一种 H - T. y = H - 1 B. 为了y, 在哪里 y = H T. X H = m 1 / 2 = m 1 m 2 1 / 2 .算法不形成H明确。使用预处理器矩阵可以提高问题的数度和计算效率。

例子

X= minres(一种B.maxM1M2指定预处理矩阵的因子m这样M = M1 *平方米

例子

X= minres(一种B.maxM1M2x0指定解决方案矢量的初始猜测X.默认值是零的向量。

例子

[X旗帜] = minres(___返回一个标志,指定算法是否成功融合。什么时候国旗= 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,min不显示任何诊断消息。

例子

[X旗帜] = minres(___另外还返回计算的解决方案中的残余错误。如果旗帜0., 然后Relres <= tol

例子

[X旗帜it] = minres(___也返回迭代号码it此时X被计算了。

例子

[X旗帜itresvec] = minres(___还返回每次迭代的残余标准的向量,包括第一个残差规范(b * x0)

例子

[X旗帜itresvecresveccg] = minres(___在每次迭代时也返回共轭梯度剩余规范的向量。

例子

全部收缩

解决方形线性系统使用min使用默认设置,然后调整解决方案过程中使用的迭代次数和迭代次数。

创建一个稀疏对称三对角矩阵一种作为系数矩阵。使用行和一种作为矢量B.对于右侧的右侧 斧头 = B. 这样解决方案 X 预计将成为一个矢量。

n = 400;= 1 (n, 1);A = spdiags([-2*on 4*on -2*on],-1:1,n,n);b = sum(a,2);

解决 斧头 = B. 使用min.输出显示包括相对残差误差的值 B. - 斧头 B.

x =迷人(A,B);
Minres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0.017。

默认情况下min使用20个迭代和容忍度1 e-6,并且该算法无法在此矩阵的那些迭代中收敛。由于剩余是按顺序的1E-2,这是一个良好的指标,需要更多的迭代。您还可以使用更大的容差来使算法更容易收敛。

再次使用容差来解决系统1的军医和250次迭代。

x = minres (A, b, 1 e - 4250);
迷你酵母在迭代200以相对残留的7E-13溶液收敛到溶液中。

用下列方法检查使用预处理矩阵的效果min解决线性系统。

建立对称正定带状系数矩阵。

一个= delsq (numgrid (', 102));

定义B.这样真正的解决方案 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 = 100;

min在请求的容忍和迭代次数找到解决方案。指定六个输出以返回有关解决方案过程的信息:

  • X是计算的解决方案a * x = b

  • FL0.是指示算法是否会融合的标志。

  • RR0.是计算答案的相对残余X

  • IT0.是迭代号码何时X被计算了。

  • rv0是残余历史的矢量 B. - 斧头

  • RVCG0.是共轭梯度剩余历史的向量吗 一种 T. 一种 X - 一种 T. B.

[x,fl0,rr0,it0,rv0,rvcg0] = minres(a,b,tol,maxit);FL0.
fl0 = 1
RR0.
RR0 = 0.0013.
IT0.
IT0 = 100.

FL0.是1,因为min不收敛到所请求的公差1 e-12在请求的100次迭代中。

要帮助融合,您可以指定预处理器矩阵。自从一种是对称的,使用ichol.生成预处理器 m = L. L. T. .指定'ICT'选项使用阈值下降的不完全Cholesky分解,并指定对角移位值为1 e-6避免非阳性枢轴。通过指定解决预处理系统L.L'作为输入min

setup = struct('类型''ICT''diagcomp',1e-6,'droptol',1E-14);l = iChol(a,设置);[X1,FL1,RR1,IT1,RV1,RVCG1] = minRES(A,B,TOL,MAXIT,L,L');FL1.
fl1 = 0.
RR1.
RR1 = 2.4539E-15
IT1
IT1 = 4.

使用ilu预处理器产生比规定的耐受性更少1 e-12在第四次迭代。输出RV1(1)规范(b),输出RV1(结束)规范(b * x1)

你可以遵循的进步min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。

半径(0:长度(RV0)-1,RV0 / NORM(B),'-o') 抓住semilogy(0:长度(rv1) 1, rv1 /规范(b),'-o')yline(tol,'r--');传奇('没有预处理者''ichol preconditcher''宽容''地点''东')xlabel('迭代号')ylabel(“相对残差”

图中包含一个坐标轴。轴包含三个对象的类型线,恒线。这些对象代表No preconditioning, ICHOL preconditioning, Tolerance。

检查供应的效果min初步猜测解决方案。

创建一个三对角稀疏矩阵。用每一行的和作为右边的向量 斧头 = B. 所以预期的解决方案 X 是一个矢量。

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

min解决 斧头 = B. 两次:有一次默认初始猜测,并且有一次初始猜测解决方案。使用200个迭代和两个解决方案的默认容差。金宝搏官方网站将第二种解决方案中的初始猜测指定为向量,其中所有元素等于0.99

maxit = 200;X1 =尖min(A,B,[],MAXIT);
Minres在迭代27时收敛到一个相对残差为9.5e-07的解。
x0 = 0.99 * e;x2 = minres(a,b,[],maxit,[],[],x0);
尖雷斯在迭代7中融合到具有相对残留的6.7e-07的溶液。

在这种情况下,提供初始猜测min更快地聚合。

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min在一个循环中。每个对求解器的呼叫执行一些迭代并存储计算的解决方案。然后,您将该解决方案用作下一批迭代的初始向量。

例如,这段代码执行四次100次迭代,并在For循环中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;为了k = 1:4 [x,标志,relres] = minres(a,b,tol,maxit,[],[],x0);x(:,k)= x;r(k)= relres;x0 = x;结尾

X (:, k)迭代时是否计算了解向量K.for-loop,和r(k)是该解决方案的相对残余。

通过提供解一个线性方程组min使用计算的函数句柄斧头代替系数矩阵一种

由威尔金森测试矩数之一产生画廊是一个21×21的三角形矩阵。预览矩阵。

a =画廊('威尔克',21)
A =21×2110 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 8 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 7 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01210.0.0.0.0.0. 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ⋮

威尔金森矩阵具有特殊结构,因此您可以代表操作斧头功能手柄。什么时候一种乘以向量,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种.此外,只有主对角线具有不等于1的非安利斯。

表达方式 斧头 成为:

斧头 = [ 10 1 0. 0. 0. 1 9. 1 0. 0. 0. 1 8. 1 0. 0. 1 7. 1 0. 0. 1 6. 1 0. 0. 1 5. 1 0. 0. 1 4. 1 0. 0. 1 3. 0. 0. 0. 1 0. 0. 0. 1 10 ] [ X 1 X 2 X 3. X 4. X 5. X 21 ] = [ 10 X 1 + X 2 X 1 + 9. X 2 + X 3. X 2 + 8. X 3. + X 4. X 19 + 9. X 20. + X 21 X 20. + 10 X 21 ]

得到的向量可以写成三个向量的总和:

斧头 = [ 0. + 10 X 1 + X 2 X 1 + 9. X 2 + X 3. X 2 + 8. X 3. + X 4. X 19 + 9. X 20. + X 21 X 20. + 10 X 21 + 0. ] = [ 0. X 1 X 20. ] + [ 10 X 1 9. X 2 10 X 21 ] + [ X 2 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,从而提供值斧头

功能y = afun(x)y = [0;x(1:20)] +...[(10:-1:0)';(1:10)']。* x +...[x(2:21);0];结尾

(此函数在示例结束时保存为本地功能。)

现在,解线性方程组 斧头 = B. 通过提供min使用函数处理来计算斧头.使用宽容1 e-12和50次迭代。

b = ins(21,1);tol = 1e-12;maxit = 50;X1 =迷你(@ Afun,B,Tol,Maxit)
喇叭蛋白酸在迭代11中收敛到具有相对残留的4.1e-16的溶液。
x1 =21×10.0910 0.0990 0.0999 0.1109 0.1109 0.1241 0.1443 0.1544 0.2383 0.1309 0.5000⋮

检查一下Afun(x1)生成一个矢量。

Afun(x1)
ans =.21×11.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000⋮

本地功能

功能y = afun(x)y = [0;x(1:20)] +...[(10:-1:0)';(1:10)']。* x +...[x(2:21);0];结尾

输入参数

全部收缩

系数矩阵,指定为对称矩阵或功能句柄。该矩阵是线性系统中的系数矩阵a * x = b.一般来说,一种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。您可以使用不对确认一种是对称的。

指定一种作为功​​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)参数化功能解释了如何为函数提供额外的参数好玩儿,如果必要的。函数调用Afun(x)必须返回值斧头

数据类型:双倍的|function_handle.
复数支持:金宝app是的

线性方程的右侧,指定为列向量。长度B.必须等于大小(1)

数据类型:双倍的
复数支持:金宝app是的

方法容忍度,指定为正标量。使用此输入可以在计算中进行权衡准确性和运行时。min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:双倍的

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min满足宽容.一般来说,较小的值意味着需要更多的迭代来成功完成计算。

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m或者它的矩阵因子M = M1 *平方米改进线性系统的数值方面,使之更容易min快速收敛。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因数分解之前改进了条件数的系数矩阵。有关前置条件的更多信息,请参见线性系统的迭代方法

min将未指定的预处理器视为身份矩阵。

指定m作为功​​能手柄

您可以任意指定mM1,或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,请使用函数签名函数y = mfun(x)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。函数调用mfun(x)必须返回值m \ x.或者m2 \(m1 \ x)

数据类型:双倍的|function_handle.
复数支持:金宝app是的

初始猜测,指定为具有长度等于的列向量大小(2).如果你能提供min有一个更合理的初步猜测x0而不是零的零旋钮,然后它可以节省计算时间并帮助算法收敛更快。

数据类型:双倍的
复数支持:金宝app是的

输出参数

全部收缩

线性系统解,返回为列向量。这个输出给出了线性系统的近似解a * x = b.如果计算成功(国旗= 0), 然后小于或等于

每当计算不成功时(国旗〜= 0),解决方案X返回min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。

标志值

收敛

0.

成功 -min收敛到期望的公差之内max迭代。

1

失败- - - - - -min迭代max迭代但没有收敛。

2

失败 - 预处理器矩阵m或者M = M1 *平方米是病态的。

3.

失败- - - - - -min两次连续迭代后停滞不前。

4.

失败 - 由此计算的标量数之一min算法变得太小或太大而无法继续计算。

5.

失败 - 预安全矩阵m不是对称的积极明确。

相对剩余误差,作为标量返回。相对残差表示返回的答案有多准确X是。min在解决方案过程中追踪在每个迭代的相对残差和共轭梯度残差,并且该算法会聚要么剩余符合指定的公差.这输出包含收敛的残差的值,相对残差或共轭渐变残差:

  • 相对残差误差等于常态(B-A * X)/ NOM(B)并且通常是符合公差的残余什么时候min收敛。这resvec输出跟踪所有迭代的残差历史。

  • 共轭梯度剩余误差等于规范(“* * x -”* b).这剩余的原因min比相对残差不太频繁收敛。这resveccg输出跟踪所有迭代的残差历史。

数据类型:双倍的

迭代数,作为标量返回。该输出指示计算的答案所在的迭代数X计算出来。

数据类型:双倍的

残余错误,作为向量返回。剩余错误常态(B-A * x)揭示算法如何为给定值融合X.元素的数量resvec等于迭代的数量。您可以检查内容resvec帮助决定是否更改值或者max

数据类型:双倍的

共轭梯度残余规范,作为载体返回。元素的数量resveccg等于迭代的数量。

数据类型:双倍的

更多关于

全部收缩

最小剩余方法

MINRES和SYMMLQ方法是Lanczos方法的变体,Lanczos方法支持共轭梯度方法PCG。和PCG一样,系数矩阵仍然需要是对称的,但是MINRES和SYMMLQ允许它是不确定的(不是所有的特征值都需要是正的)。这是通过避免Lanczos方法中通常存在的隐式LU分解来实现的,Lanczos方法在遇到不定矩阵的零轴时很容易崩溃。

MINRES在2范数中最小化残差,而SymmlQ使用LQ因分解解决了一个预测的系统,并将残留正交与所有以前的系统一起解决。开发了GMRES方法以概括为非对称问题[1]

提示

  • 大多数迭代方法的收敛性取决于系数矩阵的条件数,COND(a).您可以使用平衡改善条件数一种,并自己这使得大多数迭代求解器更容易收敛。但是,使用平衡当您随后因素为平衡的矩阵时也会导致更好的质量预处理器矩阵b = r * p * a * c

  • 您可以使用矩阵重新排序功能,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

[1] Barrett, R., M. Berry, t.f. Chan, et al.,线性系统解的模板:迭代方法的构建块,暹罗,费城,1994年。

[2] Paige,C. C.和M.A. Saunders,“线性方程稀疏无限系统的解。”暹罗J.数。肛门。, Vol.12, 1975, pp. 617-629。

扩展功能

在R2006A之前介绍