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引言

本章致力于解决广义非厄米特征值问题(GNHEP)的数值解法,
A x = \lambda B x, \tag{8.1}
其中 ABn 阶矩阵。 有时,我们也会寻求左广义非厄米特征值问题的解,
y^{\ast} A = \lambda y^{\ast} B. \tag{8.2}

广义特征值问题的代数和分析理论比标准特征值问题复杂得多。 这一点在第2.6节中已有讨论。 本章涵盖了处理不同类型广义特征值问题的多种数值技术。

在第8.2节中,简要介绍了广义特征值问题的QZ算法。这是目前最强大的密集问题解决方法,类似于QR算法。然而,由于需要 O(n^3) 次浮点运算和 O(n^2) 个内存位置,QZ方法仅适用于中小规模问题。

对于大规模广义特征值问题,常见的方法是将问题(8.1)或(8.2)转化为标准特征值问题,然后应用迭代法,如第7章所述。我们将这种技术称为“转化为标准形式”。这种转化在每次迭代中需要求解一个线性系统,涉及 AB 或它们的组合。详细内容将在第8.3节讨论。

8.4节介绍的Jacobi-Davidson方法避免了将 A{x}=\lambda B {x} 转化为标准特征问题。它不需要精确求解线性系统,只需对矩阵 A-\sigma B 进行预条件迭代,从而提高整体效率。

8.5节引入的Rational Krylov算法是移位和逆Arnoldi方法的进一步发展。它结合多个移位的基底,在复平面上指定区域内寻找所有特征值。这对于了解线性动态系统在宽频范围内的响应特别感兴趣。

8.6节介绍了针对特殊类型广义特征值问题(8.1)的伪对称Lanczos方法,即矩阵 AB 为实对称,但 AB 或它们的组合 \alpha A + \beta B\alpha\beta 为实数)均非正定。A - \lambda B 被称为对称不定矩阵束。对称性是代数性质,不足以保证任何特殊数学性质,因此不能直接使用第5章中的算法。第8.6节描述的伪对称Lanczos算法可节省约一半的内存需求和浮点运算,但若无特殊预防措施,可能存在数值不稳定性。

8.7节介绍了名为GUPTRI的软件包,专为奇异广义特征值问题设计,即特征多项式 p(\lambda) = \mathrm{det}(A - \lambda B) 对所有 \lambda 恒为零。例如,当 AB 有共同零空间时会发生这种情况。本节描述的算法对小型密集问题有效,算法成本为 O(n^4) 阶。

最后一节,第8.8节,讨论了评估规则GNHEP计算特征值及其对应特征向量精度的工具。



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Susan Blackford 2000-11-20