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与对称Lanczos方法的关系。

从方程(6.7)、(6.8)和 (6.9)中,我们有
A^{\ast} A V_k = V_k B^*_k B_k + \alpha_k \beta_{k}v_{k+1}e^*_k.
我们注意到B^*_k B_k是对称的且三对角的,因为B_k是双对角的。 与方程(4.10)比较,我们可以看到 算法(6.1) 计算的信息与 应用于厄米矩阵A^{\ast} A的Lanczos方法(算法(4.6))相同。 相反,如果我们对A^* A应用Lanczos方法得到一个三对角矩阵 T_k = B^*_k B_k,那么B_k可以通过取T_k的上三角Cholesky因子得到。

类似地,我们得到

AA^* U_k = U_k B_k B_k^* + \beta_k (A v_{k+1}) e_k^*.
同样,B_k B_k^*是对称的且三对角的。 所以再次与方程(4.10)比较,我们可以看到 算法(6.1) 计算的信息与 应用于厄米矩阵AA^*的Lanczos方法(算法(4.6))相同。 相反,如果我们对AA^*应用Lanczos方法得到一个三对角矩阵 T_k = B_k B_k^*,那么B_k可以通过取JT_kJ的上三角Cholesky因子B'得到,其中J是 其列按逆序排列的单位矩阵 (因此JT_kJ是通过反转T_k的行和列的顺序得到的),然后B_k = JB'J

最后,假设我们使用特殊的起始向量

z_1 = \begin{bmatrix} 0 \\ v_1 \end{bmatrix}
H(A)应用Lanczos方法(算法(4.6)) 生成Lanczos向量z_2, z_3,\ldots. 算法(4.6)的第一步产生
\begin{aligned} r &= H(A)z_1 = \begin{bmatrix} Av_1 \\ 0\end{bmatrix}, \\ \hat{\alpha}_1 &= r^*z_1 = 0, \\ r &= r - 0*z_1, \\ \hat{\beta}_1 &= \Vert r \Vert_2, \\ z_2 &= r/\hat{\beta}_1, \\ &= \begin{bmatrix} u_1 \\ 0 \end{bmatrix}. \end{aligned}
其中 u_1 在算法(6.1)中的第(5)行计算得到。

算法(4.6)的下一步产生

\begin{aligned} r &= H(A)z_2 = \begin{bmatrix} 0 \\ A^*u_1\end{bmatrix}, \\ \hat{\alpha}_2 &= r^*z_2 = 0, \\ r &= r - 0*z_2 - \hat{\beta}_1 z_1 = \begin{bmatrix}0 \\ Au_1\end{bmatrix} - \begin{bmatrix}0 \\ \hat{\beta}_1 v_1\end{bmatrix}, \\ \hat{\beta}_2 &= \Vert r \Vert_2, \\ z_3 &= r/\hat{\beta}_2, \\ &= \begin{bmatrix} 0 \\ v_2 \end{bmatrix}. \end{aligned}
其中 v_2 在算法(6.1)中的第(8)行计算得到。

继续这种方式,我们可以看到算法(4.6)的两步计算的信息 与算法(6.1)的一步相同:

z_{2i-1} = \begin{bmatrix} 0 \\ v_i \end{bmatrix}\; \; {\rm and} \; \;z_{2i} = \begin{bmatrix} u_i \\ 0 \end{bmatrix}.
然而,算法(4.6)进行了两倍的矩阵-向量乘法 通过AA^*与算法(6.1) (其中一半是通过零向量的乘法),因此 算法(6.1)通常会使用一半的时间和空间。 相反,如果对H(A)应用Lanczos方法得到一个 三对角矩阵T_k,那么T_k的对角线上会有零, 非对角线元素将与B_k(从方程(6.4)的符号)的非零元素相同:
T_{2k} = \begin{bmatrix} 0 & \alpha_1 & & & & & \\ \alpha_1 & 0 & \beta_1 & & & \\ & \beta_1 & 0 & \alpha_2 & & \\ & & \alpha_2 & 0 & \beta_2 & \\ & & & \beta_2 & 0 & \ddots \\ & & & & \ddots & \ddots & \alpha_k \\ & & & & & \alpha_k & 0 \end{bmatrix}.
由于这些等价性,第§4.4节中Lanczos的所有算法变体 和收敛性质都适用于 算法(6.1)。



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Susan Blackford 2000-11-20