Appearance
06 幂法、反迭代与 Rayleigh 商迭代
1. 幂法提取主导方向
设
若初始向量在
归一化迭代
以约
估计。
2. 反迭代与位移
对
实现时只分解一次
位移越靠近目标特征值,谱间隔越有利,但线性系统越病态。这里“病态”并不必然破坏方向收敛,因为求解误差常沿目标特征向量被放大。
3. Rayleigh 商迭代
令位移随当前向量更新:
对 Hermite 矩阵,在简单特征值附近通常具有三次局部收敛。代价是每一步位移变化,不能直接复用同一个分解。
4. 残差与停止准则
近似特征对
若
Hermite 情形还可保证某个真实特征值
因此残差是自然的后向误差指标。
5. 子空间迭代
若需要一组主导特征向量,把向量推广为块矩阵:
上求特征对。这是 Rayleigh-Ritz 思想的早期形式,也是 QR 算法和现代块迭代的桥梁。
6. 幂法的失效情形与改进
幂法并非总能给出一个固定方向:
- 若
,主导分量之间不会相对衰减; - 若初始向量恰好与主左特征向量正交,则主分量为零;
- 非正规矩阵的特征向量基可能病态,短期行为不一定由特征值模简单解释;
- 主导特征值是一对共轭复数时,实向量常在二维不变子空间内旋转。
可通过块幂法同时跟踪一个子空间,或用位移和多项式滤波放大目标谱区间。若已知一个右、左特征对,还可做 Hotelling 型亏损,但非正交亏损容易累积误差;正交 Schur 向量通常更稳。
7. 子空间迭代的收敛率
设目标是前
理想情况下,子空间夹角按
每轮 QR 不是为了改变子空间,而是为了防止所有列都塌缩到最强的单一方向。随后对
8. Rayleigh-Ritz 与残差公式
若
则 Ritz 残差满足
即残差正交于试探空间。对 Hermite
9. 广义特征值与位移反迭代
对
位移反迭代求解
若
10. 实现与停止准则
只看 Rayleigh 商变化可能过早停止。更稳健的相对残差是
块方法还应监控
11. 自检
- [ ] 能由谱展开推导幂法收敛因子。
- [ ] 知道反迭代为何只需一次分解、多次求解。
- [ ] 能写出 Rayleigh 商迭代并说明适用矩阵。
- [ ] 会用特征残差设计停止准则。
- [ ] 能解释块方法为何不受目标簇内部小间隔的同样限制。
- [ ] 会把 Hermite 正定广义特征值问题化为标准问题。
下一章:Hessenberg 化与 QR 算法。