Luận án tiến sĩ iterative methods for singular linear equations and leastsquares problems

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phương pháp lặp giải phương trình tuyến tính suy biến và bài toán bình phương tối thiểu, ứng dụng hiệu quả trong toán học tính toán.

Trường đại học

Stanford University

Chuyên ngành

Computational and Mathematical Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

dissertation

2007

113
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Phương pháp lặp cho hệ phương trình tuyến tính đặc biệt

Phương pháp lặp là một công cụ quan trọng trong giải hệ phương trình tuyến tính, đặc biệt khi hệ phương trình có cấu trúc đặc biệt như ma trận đối xứng hoặc suy biến. Các phương pháp như MINRES, SYMMLQ, và MINRES-QLP được thiết kế để giải quyết các hệ phương trình này một cách hiệu quả. MINRES-QLP là một cải tiến của MINRES, sử dụng phân tích QLP thay vì QR để đạt được độ chính xác cao hơn, đặc biệt trong trường hợp hệ phương trình suy biến. Phương pháp này cũng cung cấp các ước lượng chính xác hơn về chuẩn của nghiệm và chuẩn của phần dư, giúp tối ưu hóa quá trình tính toán.

1.1. Giải thuật MINRES QLP

MINRES-QLP là một giải thuật dựa trên không gian con Krylov, được thiết kế để giải các hệ phương trình tuyến tính đối xứng, kể cả khi ma trận suy biến. Giải thuật này sử dụng phân tích QLP để giảm ma trận tam giác trên thành tam giác dưới, giúp cải thiện độ chính xác của nghiệm. MINRES-QLP cũng cung cấp các điều kiện dừng mới và ước lượng chuẩn của nghiệm và phần dư, giúp tối ưu hóa quá trình tính toán. Giải thuật này đặc biệt hữu ích trong các bài toán bình phương tối thiểu, nơi mà các phương pháp truyền thống như CG có thể gặp khó khăn.

1.2. Ứng dụng trong bài toán bình phương tối thiểu

Trong các bài toán bình phương tối thiểu, MINRES-QLP được sử dụng để tìm nghiệm có độ dài tối thiểu của hệ phương trình suy biến. Giải thuật này cũng có thể được áp dụng cho các ma trận hình chữ nhật thưa thớt, nơi mà LSQR là một lựa chọn phổ biến. MINRES-QLP cung cấp các ước lượng chính xác hơn về chuẩn của nghiệm và phần dư, giúp tối ưu hóa quá trình tính toán. Các kết quả thực nghiệm cho thấy MINRES-QLP có thể cung cấp nghiệm chính xác hơn so với MINRES hoặc SYMMLQ trong cả hệ phương trình suy biến và không suy biến.

II. Phân tích và đánh giá các phương pháp lặp

Các phương pháp lặp như MINRES, SYMMLQ, và MINRES-QLP được phân tích và đánh giá dựa trên hiệu suất và độ chính xác trong việc giải các hệ phương trình tuyến tính đặc biệt. MINRES-QLP được chứng minh là có hiệu suất vượt trội trong việc giải các hệ phương trình suy biến, đặc biệt khi so sánh với MINRESSYMMLQ. Giải thuật này cũng cung cấp các ước lượng chính xác hơn về chuẩn của nghiệm và phần dư, giúp tối ưu hóa quá trình tính toán.

2.1. So sánh hiệu suất giữa MINRES và MINRES QLP

MINRES-QLP được chứng minh là có hiệu suất vượt trội so với MINRES trong việc giải các hệ phương trình suy biến. Giải thuật này cung cấp các ước lượng chính xác hơn về chuẩn của nghiệm và phần dư, giúp tối ưu hóa quá trình tính toán. Các kết quả thực nghiệm cho thấy MINRES-QLP có thể cung cấp nghiệm chính xác hơn so với MINRES hoặc SYMMLQ trong cả hệ phương trình suy biến và không suy biến.

2.2. Ứng dụng trong các bài toán thực tế

Các phương pháp lặp như MINRES-QLP được áp dụng trong nhiều bài toán thực tế, bao gồm tính toán vector xác suất dừng trong mô hình Markov Chain và tìm vector trong các hệ thưa thớt phát sinh từ helioseismology. Giải thuật này cũng được sử dụng để giải các bài toán bình phương tối thiểu với nhiều vế phải, cung cấp các nghiệm chính xác và hiệu quả. Các kết quả thực nghiệm cho thấy MINRES-QLP có thể cung cấp nghiệm chính xác hơn so với MINRES hoặc SYMMLQ trong cả hệ phương trình suy biến và không suy biến.

III. Kết luận và hướng phát triển

Các phương pháp lặp như MINRES-QLP đã chứng minh được hiệu quả trong việc giải các hệ phương trình tuyến tính đặc biệt, đặc biệt là các hệ suy biến. Giải thuật này cung cấp các ước lượng chính xác hơn về chuẩn của nghiệm và phần dư, giúp tối ưu hóa quá trình tính toán. Trong tương lai, các nghiên cứu có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của MINRES-QLP trong các bài toán lớn hơn và phức tạp hơn, cũng như ứng dụng nó trong các lĩnh vực mới như phân tích dữ liệutối ưu hóa.

3.1. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, các nghiên cứu có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của MINRES-QLP trong các bài toán lớn hơn và phức tạp hơn. Các ứng dụng mới của giải thuật này trong các lĩnh vực như phân tích dữ liệutối ưu hóa cũng là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn. Các kết quả thực nghiệm cho thấy MINRES-QLP có thể cung cấp nghiệm chính xác hơn so với MINRES hoặc SYMMLQ trong cả hệ phương trình suy biến và không suy biến.

3.2. Ứng dụng trong các lĩnh vực mới

Các phương pháp lặp như MINRES-QLP có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng vào các lĩnh vực mới như phân tích dữ liệutối ưu hóa. Giải thuật này cung cấp các ước lượng chính xác hơn về chuẩn của nghiệm và phần dư, giúp tối ưu hóa quá trình tính toán. Các kết quả thực nghiệm cho thấy MINRES-QLP có thể cung cấp nghiệm chính xác hơn so với MINRES hoặc SYMMLQ trong cả hệ phương trình suy biến và không suy biến.

21/02/2025
Luận án tiến sĩ iterative methods for singular linear equations and leastsquares problems

Trích đoạn nội dung tài liệu

ITERATIVE METHODS FOR SINGULAR LINEAR EQUATIONS AND LEAST-SQUARES PROBLEMS A DISSERTATION SUBMITTED TO THE PROGRAM IN COMPUTATIONAL AND MATHEMATICAL ENGINEERING AND THE COMMITTEE ON GRADUATE STUDIES OF STANFORD UNIVERSITY IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY Sou-Cheng (Terrya) Choi December 2006 UMI Number: 3242533 Copyright 2007 by Choi, Sou-Cheng (Terrya) All rights reserved. INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted.

Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion. ® UMI UMI Microform 3242533 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code.

ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P. Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 Copyright @ 2007 by Sou-Cheng (Terrya) Choi All Rights Reserved I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. Saunders) Principal Advisor I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. Aut Abel (Gene H.

Golub) Co-Advisor I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. Larsen) I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of < z2zzz _ je. (Doronấy)” s4 Approved for the University Committee on Graduate Studies. Abstract CG, MINRES, and SYMMLQ are Krylov subspace methods for solving large symmetric systems of linear equations.

CG (the conjugate-gradient method) is reliable on positive-definite systems, while MINRES and SYMMLQ are designed for indefinite systems. When these methods are applied to an inconsistent system (that is, a singular symmetric least-squares problem), CG could break down and SYMMLQ’s solution could explode, while MINRES would give a least- squares solution but not necessarily the minimum-length solution (often called the pseudoinverse solution). This understanding motivates us to design a MINRES-like algorithm to compute minimum-length solutions to singular symmetric systems. MINRES uses QR factors of the tridiagonal matrix from the Lanczos process (where R is upper-tridiagonal).

Our algorithm uses a QLP decomposition (where rotations on the right reduce R to lower-tridiagonal form), and so we call it MINRES-QLP. On singular or nonsingular systems, MINRES-QLP can give more accurate solutions than MINRES or SYMMLQ. We derive preconditioned MINRES-QLP, new stopping rules, and better estimates of the solution and residual norms, the matrix norm and condition number. For a singular matrix of arbitrary shape, we observe that null vectors can be obtained by solving least-squares problems involving the transpose of the matrix.

For sparse rectangular matrices, this suggests an application of the iterative solver LSQR. In the square case, MINRES, MINRES-QLP, or LSQR are applicable. Results are given for solving homogeneous systems, computing the stationary probability vector for Markov Chain models, and finding null vectors for sparse systems arising in helioseismology. Acknowledgments First and foremost, I owe an enormous debt of gratitude to my advisor Professor Michael Saunders for his tireless support throughout my graduate education in Stanford.

Michael is the best mentor a research student could possibly hope for. He is of course an amazing academic going by his first-rate scholarly abilities, unparalleled mastery of his specialty, and profound insights on matters algorithmic and numerical (not surprising considering that he is one of most highly cited computer scientists in the world today). But above and beyond all these, Michael is a most wonderful gentleman with great human qualities—he is modest, compassionate, understanding, accommodating, and possesses a witty sense of humor. I am very fortunate, very proud, and very honored to be Michael’s student.

This thesis certainly would not have been completed without Michael’s most meticulous and thorough revision. Professor Gene Golub is a demigod in our field and a driving force behind the computational mathematics community at Stanford. Incidentally, Gene is also Michael’s advisor many years ago. I am also very grateful to Gene for his generosity and encouragement.

He is the only professor I know who gives students 24-hour access to his large collection of books in his office. His stature and renown for hospitality attract visiting researchers from all over the world and create a most lively and dynamic environment at Stanford. This contributed greatly to my academic development. Like me, Gene came from a working class family—a rarity in a place like Stanford where many students are of the well-heeled gentry.

He has often reminded me that a humble background is no obstacle to success. I am also very fortunate, very proud, and very honored to have Gene as my co-advisor. Special thanks are due to Professor Chris Paige Of McGill University for generously sharing his ideas and insights. He spent many precious hours with me over emails and long discussions during his two visits to Stanford in the past year.

Chris is a giant in the field and is a great honour to fill a gap in one of the famous works of Chris and Michael started long ago. I thank my reading committee members: Professor Doron Levy and Dr. Their helpful suggestions have improved this thesis enormously. My thanks also to Professor Jerome Friedman for chairing my oral defense despite already having retired a few months earlier.

I am very grateful to my professors from the National University of Singapore (NUS), who have instilled and inspired in me interests in computational mathematics since I was an under- graduate: Dr. Ma, Professors Choy-Heng Lai, Jiang-Sheng Wang, Zuowei Shen, Gongyun Zhou, Kim-Chuan Toh, Belal Baaquie, Kan Chen, and last but not least Prabir Burman (UC Davis). The work in this thesis was generously supported by research grants of Professors Michael Saunders, Gene Golub, and David Donoho. Thanks are also due to the C.

Gary & Virginia Skartvedt Endowed Engineering Fund for a Stanford School-of-Engineering Fellowship, and to the Silicon Valley Engineering Council for an SVEC Scholarship. MATLAB has been an indispensable tool—without which, none of the numerical experiments could have been performed with such ease and efficiency. I am proud to say that I learnt MATLAB first-hand from the person who created it—Professor Cleve Moler. I thank Cleve for selecting me as his teaching assistant for the course on which his very enjoyable book [71] is based (and for kindly recommending me as teaching assistant to his daughter Professor Kathryn Moler, who taught the course in the subsequent year).

The book is filled with illuminating examples and this thesis has borrowed a most fascinating one (cf. I thank Michael Friedlander for the elegant thesis template that he generously shares with the Stanford public. I have been fortunate to intern at both Google and IBM Almaden Labs, during which periods I benefited from working with Doctors John Tomlin, Andrew Tomkins, and Tom Truong. Specifically I want to thank Dr.

Xiaoye Sherry Li and Dr. Amy Langville for inviting me to speak about applications motivated by this thesis in Lawrence Berkeley Lab and the SIAM Annual Meeting 2004 respectively. Thanks also to Professor Beresford Parlett and Professor Inderjit Dhillon for the opportunities to speak in their seminars in UC Berkeley and UT Austin respectively. I also want to take the opportunity to thank each administrator and staff members of Stanford and NUS who have gone beyond their duties of call: Professors Walter Murray and Peter Glynn, Indira Choudhury, Lilian Lao, Evelyn Boughton, Lorrie Papadakis, Tim Keely, Seth Tornborg, Suzanne Bigas, Connie Chan, Christine Fiksdal, Dana Halpin, Jam Kiattinant, Nikkie Salgado, Claire Stager, Deborah Michael, Lori Cottle, Pat Shallenberger, Helen Tombropoulos, Sharon Bergman, Lee Kuen Chee, and Kowk Te Ang.

I am indebted to the following friends and colleagues for their friendship and encouragement that made my Stanford years so much more enjoyable: Michael’s family Prue, Tania, and Emily; David, Ha, and baby Mike Saunders; Holly Jin, Neil, Danlin, and Hansen Lillemark; Lilian Lao, Michael and Victor Dang; Justin Wing Lok Wan and Winnie Wan Chu; Dulce Ponceleón, Walter, Emma and Sofia Murray; Von Bing Yap and Anne Suet Lin Chong; Pei Yee Woo and Kenneth Wee; Larry and Mary Wong. I thank for their friendship and wisdom: Monica Johnston, Wanchi So, Regina Ip-Lau, Stephen Ng, Wah Tung Lau, Chris Ng, Jonathan Choi, Xiaoqing Zhu, Sorav Bansal, Jeonghee Yi, Mike Ching, Cindy Law, Doris Wong, Jasmine Wong, Sandi Suardi, Sharon Wong, Popoh Low, Grace Ng, Roland Law, Ricky Ip, Fanny Lau, Stephen Yeung, Kenneth (D&G) Wong Chok Hang Yeung, Carrie Teng, Grace Hui, Anthony So, Samuel Ieong, Kenneth Tam, Yee Wai Chong, Anthony Fai Tong Chung, Winnie Wing Yin Choi, Victor Lee, William Yu Cheong Chan, Dik Kin Wong, Collin Kwok-Leung Mui, Rosanna Man, Michael Friedlander, Kaustuv, Zheng Su, Yen Lin Chia, Hanh Huynh, Wanjun Mi, Linzhong Deng, Ofer Levi, James Lambers, Paul Tupper, Melissa Aczon, Steve Bryson, Oren Livne, Valentin Spitkovsky, Cindy Mason, Morten Mørup, Anil Gaba, Donald van Deventer, Kenji Imai, Chong-Peng Toh, Frederick Willeboordse, Yuan Ping Feng, Alex Ling, Roland Su, Helen Lau, and Suzanne Woo. I have been infinitely lucky to have met Lek-Heng Lim when we were both undergraduates in NUS. As I made further acquaintance with Lek-Heng, I found him among the most thoughtful, encouraging, and inspiring person of all friends and colleagues.

Without his encouragement, I would not have started this long journey, let alone finished. Last but not least, I thank my parents and grandma for years of toiling and putting up with my “life-long” studies. I am indebted to my siblings Dawn and Stephen, and brother-in-law Jack Cheng for their constant support. vi Contents List of Tables and Figures xiii Introduction CBON©FHo 1 1.1 The Motivating Problem.

0c cee ee ee kia 1. HQ nà nà KV V Và va 1. Q Q Q HQ ee k k k k ka 113 SymmetricSystems. Q0 HQ HH ee va 1.

Q Q Q Q HQ HH HQ nu ng k ko kh K k ky 1.21 Problem Description and Formal Solutions .2 Existing Numerical Algorithms. 00 ee eee eee 1.3 Background for MINRES. 0 eee eee eee 1. ee es aCOCCee 2 Existing Iterative Methods for Hermitian Problems 13 2.1 The Lanczos Process.2 Lanczos-Based Methods for Linear Systems .0 eee ee ees 16 22.

Existing Iterative Methods for Hermitian Least-Squares .4 Stopping Conditions and Norm Estimates .1 Residual and Residual Norm. 2 ee ee ee 36 2.5 Matrix Condition Numbers — 40 3 MINRES-QLP 3.11 Effects of Rounding ErrorsinMINRES.2 Existing Approaches to Solving Hermitian Least-Squares .3 Orthogonal Matrix Decompositions for Singular Matrices. vii 32 MINRBS-QLP. QC LH HQ Q nu nu cà vn V V V kg kia 3.1 The MINRES-QLP Subproblem .2 Solving the Subproblem.0000 eee eee La 3.4 Transfer from MINRES to MINRES-QLP.3 Stopping Conditions and Norm Estimates .1 Residual and Residual Norm.

2 eee ee ee 3.0 cc Q v Ty kg vn kg kg kg va 3. Q Q Q k LH gu Q v kg ki v kia 3.4 Matrix Condition Numbers. eee ee ee es 3.6 Projection of Right-hand Side onto Krylov Subspaces .4 Preconditioned MINRES and MINRES-QLP. De ee ee ee 3.

ch ng vn quà gà v ki kia 3.2 Preconditioning Singular lz=bÙb. ee ee ee ee 3.3 Preconditioning Singular Arb 2. cu cu kg 3.3 Incomplete Cholesky Factorization. 000048 Numerical Experiments on Symmetric Systems 41 A Singular Indefinite System ©.

ee ee 42 Two Laplacian Systems .

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Phương pháp lặp cho hệ phương trình tuyến tính đặc biệt và bài toán bình phương tối thiểu là một tài liệu chuyên sâu tập trung vào các phương pháp lặp hiệu quả để giải quyết hệ phương trình tuyến tính đặc biệt, đặc biệt là trong bối cảnh bài toán bình phương tối thiểu. Tài liệu này cung cấp cái nhìn chi tiết về cách tiếp cận toán học, các thuật toán tối ưu hóa và ứng dụng thực tiễn của chúng. Độc giả sẽ được hưởng lợi từ việc hiểu rõ hơn về cách các phương pháp lặp có thể cải thiện hiệu suất tính toán và độ chính xác trong các bài toán phức tạp.

Nếu bạn quan tâm đến các thuật toán tối ưu hóa và ứng dụng của chúng, hãy khám phá thêm Luận văn thạc sĩ toán ứng dụng về thuật toán giảm nhanh tìm cực tiểu toàn cục của phiếm hàm tikhonov, nơi bạn sẽ tìm thấy những phương pháp tiên tiến để giải quyết các bài toán tối ưu hóa phi tuyến. Ngoài ra, Luận văn thạc sĩ toán ứng dụng một số kết quả dạng farkas cho hệ hàm vector và ứng dụng vào tối ưu vectơ cũng là một tài liệu đáng chú ý, giúp bạn mở rộng kiến thức về tối ưu hóa vectơ và các kết quả liên quan.

Những tài liệu này không chỉ bổ sung kiến thức mà còn mang đến góc nhìn đa chiều, giúp bạn nắm vững hơn các phương pháp toán học hiện đại. Hãy nhấp vào các liên kết để khám phá sâu hơn!