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06 幂法、反迭代与 Rayleigh 商迭代

1. 幂法提取主导方向

A 可对角化,且

|λ1|>|λ2|.

若初始向量在 x1 方向分量非零,则

Akv0=λ1k(c1x1+j>1cj(λj/λ1)kxj).

归一化迭代

vk+1=AvkAvk2

以约 |λ2/λ1| 的线性速率趋向主特征向量。特征值可用 Rayleigh 商

ρ(v)=vAvvv

估计。

2. 反迭代与位移

(AμI)1 使用幂法,就会突出距离 μ 最近的特征值:

(AμI)yk=vk,vk+1=yk/yk2.

实现时只分解一次 AμI,每步做三角求解;不要显式求逆。

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:

μk=ρ(vk),(AμkI)yk=vk,vk+1=yk/yk.

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 (λ^,x^) 的残差为

r=Ax^λ^x^.

x^=1,则存在扰动 E 满足

(A+E)x^=λ^x^,E2r2.

Hermite 情形还可保证某个真实特征值 λ 满足

|λλ^|r2.

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:

Yk=AQk,Yk=Qk+1Rk+1.

Qk 逐步逼近主导不变子空间,再在小矩阵

QkAQk

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:

  • |λ1|=|λ2|,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 p 个模最大的特征值,且

|λp|>|λp+1|.

理想情况下,子空间夹角按 |λp+1/λp|k 衰减。这里决定速度的是目标子空间与外部谱之间的 gap,而不是目标内部特征值彼此是否靠近。因而成簇特征值常适合用块方法整体求取。

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 QkAQk 做 Rayleigh-Ritz,可在相同子空间中选出更好的向量组合。

8. Rayleigh-Ritz 与残差公式

QAQy=θy,u=Qy,

则 Ritz 残差满足

Q(Auθu)=0.

即残差正交于试探空间。对 Hermite A,Rayleigh 商具有驻点性质:若 u=x+eex,则特征向量误差为一阶时,特征值误差通常为二阶。这解释了为什么特征值常比特征向量更早达到高精度。

9. 广义特征值与位移反迭代

Ax=λBx,

位移反迭代求解

(AμB)yk=Bxk,xk+1=yk/yk.

A=AB=B0,应使用 B-内积 x,yB=yBx 做归一化和正交化。也可先 Cholesky 分解 B=LL,把问题化为标准 Hermite 特征值问题

L1ALz=λz,x=Lz.

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

η=Axθx2(A2+|θ|)x2.

块方法还应监控 QQI。若某些 Ritz 对已收敛,可锁定并从活动子空间移除;软锁定保留它们参与投影,硬锁定则不再更新,后者更省成本但要维护正交性。

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