×

线性矩阵方程的低秩更新和分治方法。 (英语) Zbl 1448.65034号

摘要:线性矩阵方程,如Sylvester和Lyapunov方程,在各种应用中发挥着重要作用,包括线性动态控制系统的稳定性分析和降维以及偏微分方程的求解。在这项工作中,我们提出并分析了一种新的算法,该算法基于张量化Krylov子空间,用于在此类矩阵方程的系数发生低阶变化时快速更新其解。我们演示了如何利用我们的算法来加速牛顿法求解连续时间代数Riccati方程。我们的算法还构成了一种新的分治方法的基础,该方法用于求解系数具有分层低秩结构的线性矩阵方程,例如分层非对角低秩构造、分层半可分和带状矩阵。数值实验证明了分而治之在计算时间和内存消耗方面优于现有方法。

MSC公司:

65平方英尺 矩阵方程的数值方法
65英尺55英寸 低阶矩阵逼近的数值方法;矩阵压缩
15A06号 线性方程组(线性代数方面)
93C20美元 偏微分方程控制/观测系统
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] J.Abels和P.Benner,{it CAREX–连续时间代数Riccati方程的基准示例集合}(2.0版),SLICOT工作说明1999-14,1999。
[2] S.Ambikasaran和E.Darve,部分层次半可分矩阵的快速直接求解器:应用于径向基函数插值},J.Sci。计算。,57(2013),第477-501页·Zbl 1292.65030号
[3] A.C.Antoulas,{大尺度动力系统的近似},SIAM,费城,2005·Zbl 1112.93002号
[4] A.C.Antoulas、D.C.Sorensen和Y.Zhou,{关于Hankel奇异值的衰减率及相关问题},系统控制快报。,46(2002),第323-342页·Zbl 1003.93024号
[5] J.Baker、M.Embree和J.Sabino,{具有非正态系数的Lyapunov解的快速奇异值衰减},SIAM J.矩阵分析。申请。,36(2015),第656-668页·Zbl 1320.15011号
[6] J.Ballani和D.Kressner,《利用矩阵计算中的隐藏结构:算法和应用》,数学课堂讲稿。2173,Springer,纽约,2016年,第161-209页·Zbl 1361.65023号
[7] R.H.Bartels和G.W.Stewart,{算法432:矩阵方程的解(AX+XB=C)},Commun。ACM,15(1972),第820-826页·Zbl 1372.65121号
[8] U.Baur和P.Benner,{基于层次矩阵算法的Lyapunov方程分解解},《计算》,78(2006),第211-234页·Zbl 1111.65039号
[9] B.Beckermann,{应用于Sylvester方程的有理Galerkin投影的误差分析},SIAM J.Numer。分析。,49(2011),第2430-2450页·Zbl 1244.65057号
[10] B.Beckermann和A.Townsend,《关于位移结构矩阵的奇异值》,SIAM J.Matrix Anal。申请。,38(2017),第1227-1248页·Zbl 1386.15024号
[11] P.Benner,P.Ezzatti,D.Kressner,E.S.Quintana-Ortií,and A.Remoín,{\it在混合CPU-GPU平台上求解Lyapunov方程的混合决策算法},并行计算。,37(2011),第439-450页·兹比尔1225.65037
[12] P.Benner、P.Ku¨rschner和J.Saak,{大型Lyapunov和Sylvester方程ADI方法中的自生成和有效移位参数},电子。变速器。数字。分析。,43(2014/15),第142-162页·Zbl 1312.65068号
[13] P.Benner和J.Saak,大型稀疏连续时间代数矩阵Riccati和Lyapunov方程的数值解:最新综述,GAMM-Mitt。,36(2013),第32-52页·兹比尔1279.65044
[14] D.A.Bini,S.Massei,L.Robol,{关于循环约简中非对角奇异值的衰减},线性代数应用。,519(2017),第27-53页·Zbl 1360.65118号
[15] S.Birk,{厄米特正定矩阵的压缩移位块Krylov子空间方法},伍珀塔尔大学博士论文,2015。
[16] A.Bonnafeí,{\it冷凝器p-容量的估计和渐近展开。段}的各向异性情况,Quaest。数学。,39(2016),第911-944页·Zbl 1427.31007号
[17] S.Boírm,{非局部算子的有效数值方法:({mathcal{H}}{^2})-矩阵压缩,算法与分析},EMS Tracts Math。14,欧洲数学学会,祖里奇,2010年·Zbl 1208.65037号
[18] D.Braess和W.Hackbusch,{(1,∞)}中指数和对(1/x)的近似,IMA J.Numer.Anal.,25(2005),第685-697页·Zbl 1082.65025号
[19] T.H.Cormen、C.E.Leiserson、R.L.Rivest和C.Stein,《算法导论》,麻省理工学院出版社,马萨诸塞州剑桥,2009年·Zbl 1187.68679号
[20] M.Crouzeix和C.Palencia,{it。数值范围是((1+\sqrt{2})-谱集},SIAM J.矩阵分析。申请。,38(2017),第649-655页·Zbl 1368.47006号
[21] M.Dahleh、M.A.Dahle和G.Verghese,《动态系统与控制讲座》,麻省理工学院电气工程与计算机科学系,马萨诸塞州剑桥市,2004年。
[22] T.Damm,{\it-广义Lyapunov方程的直接方法和ADI-预条件Krylov子空间方法},Numer。线性代数应用。,15(2008),第853-871页·Zbl 1212.65175号
[23] E.D.Denman和A.N.Beavers,Jr.,《矩阵符号函数与系统计算》,应用。数学。计算。,2(1976年),第63-94页·Zbl 0398.65023号
[24] H.C.Elman、K.Meerbergen、A.Spence和M.Wu,{识别不可压缩流模型中Hopf分支的Lyapunov逆迭代},SIAM J.Sci。计算。,34(2012),第A1584-A1606页·Zbl 1247.65047号
[25] T.Ganelius,{有理函数、容量和近似},《当代复杂分析方面》(Proc.NATO Adv.Study Instit.,Univ.Durham,Darham,1979),学术出版社,伦敦,纽约,1980年,第409-414页·Zbl 0495.30029号
[26] I.P.Gavrilyuk、W.Hackbusch和B.N.Khoromskij,{高维椭圆问题逆算子和相关算子的分层张量积逼近},《计算》,74(2005),第131-157页·Zbl 1071.65032号
[27] A.A.Gonchar,{it与有理函数相关的E.I.Zolotarev问题},Mat.Sb.(N.S.),78(1969),第640-654页·Zbl 0199.12801号
[28] L.Grasedyck,Sylvester方程解的低秩或(\mathcal H\)矩阵逼近的存在性,Numer。线性代数应用。,11(2004),第371-389页·Zbl 1164.65381号
[29] L.Grasedyck和W.Hackbusch,《求解大规模Sylvester方程的多重网格方法》,SIAM J.Matrix Ana。申请。,29(2007),第870-894页·兹比尔1154.65024
[30] L.Grasedyck、W.Hackbusch和B.N.Khoromskij,《利用层次矩阵求解大规模代数矩阵Riccati方程》,计算,70(2003),第121-165页·Zbl 1239.65026号
[31] L.Grubišic和D.Kressner,{\it关于算子Lyapunov方程解的特征值衰减},系统控制快报。,73(2014),第42-47页·Zbl 1297.93088号
[32] M.H.Gutknecht,《具有多个右手边的线性系统的块Krylov空间方法:简介》,载于《现实世界系统的现代数学模型、方法和算法》,阿纳玛亚出版社,印度新德里,2007年,第420-447页。
[33] A.Haber和M.Verhaegen,{大型互联系统Lyapunov方程的稀疏解},Automatica J.IFAC,73(2016),第256-268页·Zbl 1371.93029号
[34] W.Hackbusch,{层次矩阵:算法和分析},Springer Ser。计算。数学。49,Springer,纽约,2015年·Zbl 1336.65041号
[35] M.Heyouni,{大型低阶Sylvester矩阵方程的扩展Arnoldi方法},应用。数字。数学。,60(2010),第1171-1182页·Zbl 1210.65093号
[36] N.J.Higham,《数值算法的准确性和稳定性》,第二版,SIAM,费城,2002年·Zbl 1011.65010号
[37] O.Kamenik,{求解SDGE模型:Sylvester方程的新算法},计算。经济。,25(2005),第167-187页·Zbl 1075.91030号
[38] D.L.Kleinman,{关于Riccati方程计算的迭代技术},IEEE Trans。自动化。控制,AC-13(1968),第114-115页。
[39] L.Knizhnerman和V.Simoncini,{李亚普诺夫方程}的扩展Krylov子空间方法的收敛性分析,Numer。数学。,118(2011),第567-586页·Zbl 1230.65055号
[40] J.G.Korvink和B.R.Evgenii,{\it Oberwolfach benchmark collection},收录于《大尺度系统的降维》,Lect。注释计算。科学。Eng.45,P.Benner,V.Mehrmann和D.C.Sorensen,编辑,Springer,纽约,2005年,第311-316页。
[41] D.Kressner和C.Tobler,具有张量积结构的线性系统的{it-Krylov子空间方法},SIAM J.矩阵分析。申请。,31(2010),第1688-1714页·Zbl 1208.65044号
[42] V.Kučera,{代数Riccati方程:Hermitian和定解},收录于《Riccati方程式》,Springer,纽约,1991年,第53-88页。
[43] I.Kuzmanovicí和N.Truhar,《Sylvester和(T\)-Sylvester方程及其应用的Sherman-Morrison-Woodbury公式》,国际计算杂志。数学。,90(2013),第306-324页·Zbl 1278.65053号
[44] P.Lancaster和L.Rodman,《代数Riccati方程》,牛津大学出版社,英国牛津,1995年·兹比尔083615005
[45] B.Le Bailly和J.P.Thiran,{复平面上广义Zolotarev问题的最优有理函数},SIAM J.Numer。分析。,38(2000),第1409-1424页·Zbl 0993.30022号
[46] J.-R.Li和J.White,{Lyapunov方程的低阶解},SIAM Rev.,46(2004),第693-713页·兹比尔1068.65053
[47] {\lang1033S.Massei、D.Palita和L.Robol,{\lang1033\suit求解秩结构的Sylvester和Lyapunov方程},SIAM J.矩阵分析。申请。,39(2018),第1564-1590页·Zbl 1404.65036号
[48] D.Palitta和V.Simoncini,{具有对称带状数据的大规模Lyapunov方程的数值方法},SIAM J.Sci。计算。,40(2018年),第A3581-A3608页·Zbl 1416.65119号
[49] S.Pauli,{基于HSS算术中矩阵符号函数迭代的Lyapunov方程数值解算器},学期论文,苏黎世联邦理工学院,2010年,可从获取。
[50] T.Penzl,李亚普诺夫方程解的特征值衰减界:对称情况},系统控制快报。,40(2000),第139-144页·Zbl 0977.93034号
[51] J.K.Rice和M.Verhaegen,{分布式控制:空间异质线性系统的顺序半分离方法},IEEE Trans。自动化。控制,54(2009),第1270-1283页·Zbl 1367.93186号
[52] S.Richter、L.D.Davis和E.G.Collins,{修正Lyapunov方程解的有效计算},SIAM J.矩阵分析。申请。,14(1993),第420-431页·Zbl 0773.65031号
[53] E.Ringh、G.Mele、J.Karlsson和E.Jarlbering,波导本征值问题的基于Sylvester的预处理,线性代数应用。,542(2018),第441-463页·Zbl 1418.65050号
[54] J.Sabino,{通过块修正Smith方法求解大尺度Lyapunov方程},莱斯大学计算与应用数学系博士论文,德克萨斯州休斯顿,2006年。
[55] V.Simoncini,{一种求解大规模Lyapunov矩阵方程的新迭代方法},SIAM J.Sci。计算。,29(2007),第1268-1288页·Zbl 1146.65038号
[56] V.Simoncini,{线性矩阵方程的计算方法},SIAM Rev.,58(2016),第377-441页·Zbl 1386.65124号
[57] C.F.Van Loan,{无处不在的Kronecker产品},J.Compute。申请。数学。,123(2000),第85-100页·Zbl 0966.65039号
[58] Y.Xi、J.Xia、S.Cauley和V.Balakrishnan,{通过随机抽样实现Toeplitz最小二乘的超快速和稳定结构解算器},SIAM J.矩阵分析。申请。,35(2014),第44-72页·Zbl 1300.65018号
[59] J.Xia,S.Chandrasekaran,M.Gu,和X.S.Li,{分层半可分矩阵的快速算法},Numer。线性代数应用。,17(2010),第953-976页·Zbl 1240.65087号
[60] J.Xia、Y.Xi和M.Gu,{它是通过随机抽样求解Toeplitz线性系统的超快速结构化解算器},SIAM J.Matrix Anal。申请。,33(2012),第837-858页·Zbl 1258.65030号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。