逆幂法结合原点平移加速求解特征值的精确化计算

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  【摘要】针对非奇异方阵,使用逆幂法求其接近于某给定值的误差最小近似特征值,结合原点平移方案,选择合理的平移值p,从数学理论、数值算例两方面验证方法的有效性,故而达到加速收敛、精确计算特征值的目的。
  【关键词】幂法 逆幂法 原点平移 加速收敛 特征值精确化
  【基金项目】国家自然科学基金资助项目(11301462);江苏省高校青蓝工程优秀青年骨干教师资助项目;“南通大学教学改革研究课题”。
  【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2018)37-0124-02
  特征值是代数学的一个重要概念,在数学、物理、化学、生物、计算机、设计优化等领域有广泛应用和悠久历史,近来又在扰动分析、微分方程、并行计算等方面展现新的研究价值。若非奇异矩阵A的阶数为n,则有n个特征值与其对应的特征向量。当矩阵为高阶时,要精确地求出所有特征值十分困难、或代价太大而变得没有必要。在实际工程计算中,往往采用数值方法精确化求出其中具有代表性的部分特征值,比如用幂法求最大特征值、用逆幂法求最小特征值,用对分法或QR分解求特殊矩陣的全部特征值等。而这些数值法有时收敛速度过慢、迭代次数过多,在本文中我们考虑结合原点平移方案,合理选择平移值,从而实现特征值的加速收敛与计算精确。
  一、方法的数学理论
  矩阵的特征值问题Ax=?姿x,若直接求解行列式方程det(A-?姿I)=0计算量会非常巨大,且对高于五次的含?姿多项式不存在通用的求根公式。因而对于高阶矩阵A,人们往往追求其满足精度要求、足够精确的近似特征值及其对应的特征向量。
  幂法的过程是假设特征值满足|?姿1|>|?姿2|≥|?姿3|≥…|?姿n|,取x0=?琢1 1+?琢2 2+…+?琢n n,使?琢1≠0,由迭代格式xk=Axk-1=?姿1k?琢1 1+?姿2k?琢2 2+…+?姿nk?琢n n=?姿1k?琢1 1+ ?琢2 2+…+ ?琢n n。则当迭代次数k→∞且 <1(j=2,3,…,n)时有xk→?姿1k?琢1 1,故Axk≈?姿1xk。这意味着?姿1是幂法求出的按模最大特征值,与此同时还求出了对应的特征向量xk。
  逆幂法是幂法的逆思路,由代数学可知原矩阵A与逆矩阵A-1的特征值互为倒数、且特征向量相同。于是,逆幂法的本质是用幂法求A-1的按模最大特征值,然后再求其倒数就得到A的按模最小特征值。为防止计算机运算溢出,引入中间向量yk,将逆幂法迭代公式改进为yk= xk+1=A-1ykk=0,1…,这样迭代一定次数后能求出满足精度要求的最小特征值?姿n及其对应的特征向量xk。
  然而,上述方法的收敛速度都取决于因子 的大小,当其小于1但接近于1时速度会很慢。我们希望加快收敛速度、减少迭代次数,可以考虑结合原点平移加速的方案。设已知矩阵A和另一矩阵B=A-pI(p为待定常数),可知两者的特征值有如下关系:若?姿i是A的特征值,则?滋i=?姿i-p就是B的特征值,且对应的特征向量相同。
  关于选取p的原则,类似地要满足|?姿1-p|>|?姿j-p|(j=2,3,…,n)且使得 << 越小越好。这样,新矩阵B的按模最大特征值?姿1-p:xk=(A-pI)xk-1=(?姿1-p)k?琢1 1+ k?琢j j,只要保证 << 成立,那么收敛过程就会得到加速,这个技巧称为结合原点平移的加速。上述方案的不足之处在于p的选取并非事先预知,通常需要在对特征值分布有一定了解的基础上,才能大致估算出p值并合理选择,并通过计算不断地进行精确化。
  二、算例与编程实现
  在这部分,我们给出算例来验证方法的有效性。在算例中我们采用逆幂法并不是直接求最小的特征值,而是间接求接近于某给定值的、误差最小的特征值,并最终通过数值编程来检验正确与效率。
  例.求矩阵A=2 1 01 2 10 1 2最接近于1的特征值及对应的特征向量。
  解:因要求最接近于1的特征值,取p=1,令B=A-pI=1 1 01 1 10 1 1,有B-1=0 1 -11 -1 1-1 1 2。
  由结合原点平移的逆幂法公式yk= xk+1=(A-pI)-1ykk=0,1…,取初值x0=(1,0,0)T,列表计算:
  执行10次迭代后,知A-pI的最大特征值?滋1=-2.4142,最小的为倒数 =-0.4142,故最接近于1的特征值为 +p=0.5858,对应的特征向量为x10=(1.7076,-2.4142,1.7066)T。
  接下来,我们再给出Matlab编程来验证上述结果的正确与效率。
  A=[2 1 0; 1 2 1; 0 1 2] %直接求A的特征值
  A_inv=inv(A)
  x0=[1 0 0]'
  k=0;
  while k<16 %迭代次数
  x0_max=max(abs(x0));
  x0=x0/x0_max;
  x0=A_inv*x0
  k=k+1;
  end
  k
  mu_1=max(abs(x0)) %正负号判断
  mu_n=1/mu_1
  lambda_n=mu_n
  p=1; %选择p值,可以改变,但需符合要求
  B=A-p*eye(3) %间接求B的特征值
  B_inv=inv(B)
  x0=[1 0 0]'
  k=0;
  while k<10 %迭代次数
  x0_max=max(abs(x0));
  x0=x0/x0_max;   x0=B_inv*x0
  k=k+1;
  end
  k
  mu_1=-max(abs(x0)) %正負号判断
  mu_n=1/mu_1
  lambda_n=mu_n+p
  运行结果为:
  k =
  16
  mu_1 =
  1.7071067811912
  mu_n =
  0.58578643762531
  lambda_n =
  0.58578643762531
  k =
  10
  mu_1 =
  -2.41421319796954
  mu_n =
  -0.41421362489487
  lambda_n =
  0.58578637510513
  因为A的三个特征值为0.585786437626905,2,3.4142135 6237309,Matlab运行结果再次验证了前者直接求需要16次迭代,而后者结合原点平移技巧达到同样的精度只需10次迭代,充分体现了该方法精确化求解特征值及其对应特征向量的有效性。
  参考文献:
  [1]杨淑娥, 陈立萍. 求实矩阵全部特征值的投影幂法[J]. 北京工业大学学报, 1994(2): 77-82.
  [2]李磊. 快速并行乘幂法及反幂法[J]. 计算数学, 1995(3): 253-259.
  [3]张青, 苟国楷, 吕崇德. 乘幂法的改进算法[J]. 应用数学与计算数学学报, 1997(1): 51-55.
  [4]侯风波, 汪永高. 求n阶实方阵的任意个模最大的特征值及其相应特征向量的规范化幂法[J]. 工科数学, 2001(6): 41-45.
  [5]杨长青, 侯建花. 一般矩阵小扰动的特征值近似计算的改进[J]. 科学技术与工程, 2006(20): 3337-3338.
  [6]陈静,顾晨宇,钱椿林.一类微分方程广义特征值的算法[J]. 苏州科技学院学报, 2006(2): 9-13.
  [7]曹芳芳,吕全义,聂玉峰.求实对称矩阵部分特征值的并行算法[J]. 计算机工程与设计, 2010(22): 4820-4823.
  作者简介:
  江山(1980-),男,湖南湘潭人,副教授,博士,主要研究微分方程数值解及其应用。
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